CN113823703A - 室温碲化铂阵列太赫兹探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示了一种室温碲化铂阵列太赫兹探测器及其制备方法，所述探测器包括衬底、位于衬底上的氧化层、位于氧化层上且阵列分布的碲化铂沟道层、及位于氧化层及部分碲化铂沟道层上且阵列分布的电极层，所述太赫兹探测器基于碲化铂的II型狄拉克半金属特性实现对太赫兹波的有效探测。本发明的太赫兹探测器利用碲化铂的优异物理性质，可实现室温下对太赫兹波的高速、高灵敏度探测。
Description
技术领域
本发明属于太赫兹探测器技术领域，具体涉及一种室温碲化铂阵列太赫兹探测器及其制备方法。
背景技术
太赫兹（Terahertz，THz）辐射通常指的是波长在30µm∼3mm(0.1 THz ∼ 10 THz)、介于毫米波与红外波之间的电磁波，处于电学向光子学、宏观经典理论向微观量子理论的过渡区域。太赫兹波的高透射性、低能量性、指纹特性以及高频高带宽特性等，使其在无损探伤、安全检测、医学成像、近场显微、空间成像、环境检测以及信息通信等领域具有重要应用。
针对太赫兹技术的应用，其中的核心器件是室温高性能固态太赫兹探测器。1993年，Dyakonov和Shur从理论上预言了高电子迁移率晶体管(HEMT)能用于太赫兹波探测，为实现室温、高速、高灵敏度的太赫兹探测提供了新方法和技术。
在过去十几年里，二维材料，如石墨烯、黑磷、过渡金属硫族化合物等新型半导体材料由于其优异的电学、热学以及力学性能（高载流子迁移率、零带隙半导体、无质量费米子等），为新一代光电子器件提供了新的可能。最近，过渡金属硫族化合物碲化铂（PtTe2）被发现具有特殊的能带结构（倾斜的狄拉克锥），被称为II型狄拉克半金属。这类材料在洛伦兹不变性破缺的情况下，当时间反转或空间反演对称被打破时，实现第二类外尔费米子，可以表现出手性相关输运的奇异现象，如手性异常、异常热电效应和量子化光电效应等。由于其具有倾斜的狄拉克锥，使得载流子与太赫兹辐射的不对称耦合可以发生在费米面上，产生非平衡载流子的激发和定向移动，即狄拉克费米子能够参与太赫兹探测。其非平凡的载流子输运特性，为先进的光电器件在更长波长下工作增加了可能性，在光电探测领域尤其是长波探测方面展现出巨大的应用潜力。
目前基于PtTe2的太赫兹探测器的研究都为单一元器件，未实现大面积、厚度可控PtTe2材料的制备，以及其太赫兹阵列器件的制备，使其在实际应用中受限。
因此，针对上述技术问题，有必要提供一种室温碲化铂阵列太赫兹探测器及其制备方法。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种室温碲化铂阵列太赫兹探测器及其制备方法。
为了实现上述目的，本发明一实施例提供的技术方案如下：
一种室温碲化铂阵列太赫兹探测器，所述探测器包括衬底、位于衬底上的氧化层、位于氧化层上且阵列分布的碲化铂沟道层、及位于氧化层及部分碲化铂沟道层上且阵列分布的电极层，所述太赫兹探测器基于碲化铂的II型狄拉克半金属特性实现对太赫兹波的有效探测。
一实施例中，所述衬底为高阻本征硅衬底，电阻率大于或等于20000Ω·cm。
一实施例中，所述氧化层为二氧化硅层，厚度为200~400nm。
一实施例中，所述碲化铂沟道层的厚度为40~60nm，尺寸为100~2500μm2。
一实施例中，所述电极层包括呈蝶形天线结构的第一电极和第二电极、位于第一电极和第二电极旁侧的第三电极和第四电极、连接第一电极与第三电极的第一电极线、及连接第二电极与第四电极的第二电极线，第一电极和第二电极之间的间隙为200~500nm；和/或，所述电极层下层为铬层，上层为金层，铬层的厚度为5~20nm，金层的厚度为60~80nm。
本发明另一实施例提供的技术方案如下：
一种室温碲化铂阵列太赫兹探测器的制备方法，所述太赫兹探测器基于碲化铂的II型狄拉克半金属特性实现对太赫兹波的有效探测，所述制备方法包括：
S1、提供衬底；
S2、在衬底上通过热氧化法制备氧化层；
S3、在氧化层上制备阵列分布的碲化铂沟道层；
S4、在氧化层及部分碲化铂沟道层上制备阵列分布的电极层。
一实施例中，所述步骤S1中的衬底为高阻本征硅衬底，电阻率大于或等于20000Ω·cm；
所述步骤S2具体为：
在高阻本征硅衬底上通过干氧-湿氧-干氧氧化法制备厚度为200~400nm的二氧化硅层。
一实施例中，所述步骤S3具体为：
对制备有氧化层的衬底进行超声清洗；
采用紫外光刻工艺在氧化层上制备光刻胶掩膜，并通过电子束蒸发工艺蒸镀形成阵列分布的铂薄膜，铂薄膜的厚度为5~20nm，最后剥离光刻胶掩膜；
基于化学气相沉积工艺，将碲粉和蒸镀有铂薄膜的衬底分别置于石英管的第一热区和第二热区中，通入载气，在第二热区中对铂薄膜进行碲化，形成阵列分布的碲化铂沟道层，碲化铂沟道层的厚度为40~60nm，尺寸为100~2500μm2。
一实施例中，所述石英管包括进气口及排气口，第一热区和第二热区分别位于进气口侧和排气口侧，第二热区的温度高于第一热区的温度，第一热区和第二热区的温度分别为410 ~ 440℃和440 ~ 470℃，载气为惰性气体，流量为40~80sccm。
一实施例中，所述步骤S4具体为：
采用紫外光刻工艺或激光直写光刻工艺在氧化层及碲化铂沟道层上制备光刻胶掩膜，并通过电子束蒸发工艺蒸镀形成阵列分布的电极层，最后剥离光刻胶掩膜。
本发明具有以下有益效果：
本发明通过微纳加工技术和化学气相沉积工艺，可以实现大面积图形化碲化铂的可控制备，无须使用刻蚀相关的工艺，对环境污染小；通过微纳加工技术将太赫兹天线与碲化铂层集成，可实现阵列太赫兹器件的制备；
本发明的太赫兹探测器利用碲化铂的优异物理性质，可实现室温下对太赫兹波的高速、高灵敏度探测。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明中室温碲化铂阵列太赫兹探测器的结构示意图；
图2为本发明中室温碲化铂阵列太赫兹探测器制备方法的流程示意图；
图3为本发明一具体实施例中电极层的平面结构示意图；
图4为本发明中室温碲化铂阵列太赫兹探测器的平面结构示意图；
图5a~5d分别为本发明一具体实施例中太赫兹探测器制备方法的工艺流程图；
图6为本发明一具体实施例中化学气相沉积工艺生长碲化铂沟道层的示意图；
图7a、7b分别为本发明一具体实施例中室温碲化铂阵列太赫兹探测器的电学性能图；
图8为本发明一具体实施例中碲化铂单元探测器在偏压调控下的太赫兹响应性能图；
图9a~9c分别为本发明一具体实施例中碲化铂单元探测器对不同频段（0.028THz，0.11 THz和0.28 THz）太赫兹波的响应波形图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
参图1所示，本发明公开了一种室温碲化铂阵列太赫兹探测器，包括衬底10、位于衬底上的氧化层20、位于氧化层上且阵列分布的碲化铂沟道层30、及位于氧化层及部分碲化铂沟道层上且阵列分布的电极层40。
参图2所示，本发明还公开了一种室温碲化铂阵列太赫兹探测器的制备方法，包括：
S1、提供衬底；
S2、在衬底上通过热氧化法制备氧化层；
S3、在氧化层上制备阵列分布的碲化铂沟道层；
S4、在氧化层及部分碲化铂沟道层上制备阵列分布的电极层。
以下结合具体实施例对本发明作进一步说明。
参图1所示，本实施例中的室温碲化铂阵列太赫兹探测器，包括衬底10、位于衬底上的氧化层20、位于氧化层上且阵列分布的碲化铂沟道层30、及位于氧化层及部分碲化铂沟道层上且阵列分布的电极层40。其中：
衬底为高阻本征硅衬底，电阻率大于或等于20000Ω·cm；
氧化层为二氧化硅层，厚度为200~400nm；
碲化铂沟道层的厚度为40~60nm，尺寸为100~2500μm2。
具体地，本实施例中衬底为电阻率等于20000Ω·cm的高阻本征硅衬底，二氧化硅层的厚度为285 nm，碲化铂沟道层的厚度为50nm。
电极层作为太赫兹天线，为双层金属电极，下层为铬（Cr）层，上层为金（Au）层，铬层的厚度为5~20nm，金层的厚度为60~80nm。如本实施例中的铬层的厚度为10nm，金层的厚度为70nm。
结合图3、图4所示，本实施例中的电极层呈阵列分布，每个电极层包括呈蝶形天线结构的第一电极41和第二电极42、位于第一电极和第二电极旁侧的第三电极43和第四电极44、连接第一电极与第三电极的第一电极线45、及连接第二电极与第四电极的第二电极线46，第一电极41和第二电极42之间的间隙为200~500nm，优选为350nm。本实施例中，第一电极和第二电极的尺寸约为200μm*140μm，第三电极和第四电极的尺寸约为200μm*200μm。
参图2并结合图5所示，本实施例中室温碲化铂阵列太赫兹探测器的制备方法，具体包括以下步骤：
1、提供衬底。
本实施例的衬底为2英寸高阻本征硅衬底，电阻率等于20000Ω·cm。
2、在衬底10上通过热氧化法制备氧化层20。
参图5a所示，在高阻本征硅衬底上通过干氧-湿氧-干氧氧化法制备厚度为285nm的二氧化硅层，干氧-湿氧-干氧氧化法为现有技术中的热氧化法，此处不再详细说明。
3、在氧化层20上制备阵列分布的碲化铂沟道层30。
首先对制备有氧化层的衬底使用丙酮、异丙醇和去离子水依次进行超声清洗；
参图5b所示，采用紫外光刻工艺在氧化层上制备光刻胶掩膜，并通过电子束蒸发工艺蒸镀形成阵列分布的铂薄膜31，铂薄膜的厚度为10nm，最后剥离光刻胶掩膜；
参图5c所示并结合图6所示，基于化学气相沉积工艺，将碲粉和蒸镀有铂薄膜的衬底分别置于石英管50的第一热区51和第二热区52中，通入载气，在第二热区中对铂薄膜进行碲化，形成阵列分布的碲化铂沟道层，碲化铂沟道层的厚度为50nm，尺寸为2500μm2左右。
具体地，石英管包括进气口及排气口（未图示），第一热区51和第二热区52分别位于进气口侧和排气口侧，第二热区的温度高于第一热区的温度，第一热区和第二热区的温度分别为410 ~ 440℃和440 ~ 470℃，载气为惰性气体，流量为40~80sccm。如本实施例中，第一热区和第二热区的温度分别为430℃和450℃，载气为氩气，流量为60sccm。
4、参图5d所示，在氧化层20及部分碲化铂沟道层30上制备阵列分布的电极层40。
采用紫外光刻工艺或激光直写光刻工艺在氧化层及碲化铂沟道层上制备光刻胶掩膜，并通过电子束蒸发工艺蒸镀形成阵列分布的电极层，最后剥离光刻胶掩膜。
本实施例中的电极层结构如图3、图4所示，此处不再进行赘述。
通过上述步骤即可制备得到室温碲化铂阵列太赫兹探测器。
将制备好的室温碲化铂阵列太赫兹探测器进行电学性能均一性的验证，以及单一器件电学性能验证，结果如图7a、7b所示。随机挑选了18个碲化铂单元探测器，其电阻在71.8-78.8Ω范围内波动，显示半金属碲化铂的高电导以及阵列器件良好的均一性。同时，单元器件的电流-电压曲线显示良好的欧姆接触，显示和传统制备工艺有较好的兼容性，有益于太赫兹响应测试。
对碲化铂单元探测器进行光电响应的测试，其结果如图8、图9a~9c所示。测试结果表明，在室温下碲化铂单元探测器对不同频段的太赫兹波（0.028、0.11和0.28 THz）均有较强的响应，同时有较好的偏压调控特性；在0.28 THz频率下，室温太赫兹响应度可以达到1.88 A/W，噪声等效功率达到48.4 pW/Hz0.5，响应时间可以达到4.7μs。碲化铂单元探测器在室温下实现了对太赫兹波的有效探测，同时可以进行阵列探测器的制备，在太赫兹领域具有较大的应用前景。
本发明结合微纳加工技术与化学气相沉积法实现了图形化沟道材料碲化铂的可控制备，其具有倾斜的狄拉克锥，为太赫兹探测提供了新的可能；同时，利用微纳制备工艺，在生长好的图形化碲化铂材料上集成电极层（太赫兹天线结构），实现了室温太赫兹阵列探测器的制备。
由以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：
本发明通过微纳加工技术和化学气相沉积工艺，可以实现大面积图形化碲化铂的可控制备，无须使用刻蚀相关的工艺，对环境污染小；通过微纳加工技术将太赫兹天线与碲化铂层集成，可实现阵列太赫兹器件的制备；
本发明的太赫兹探测器利用碲化铂的优异物理性质，可实现室温下对太赫兹波的高速、高灵敏度探测。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (10)
1.一种室温碲化铂阵列太赫兹探测器，其特征在于，所述探测器包括衬底、位于衬底上的氧化层、位于氧化层上且阵列分布的碲化铂沟道层、及位于氧化层及部分碲化铂沟道层上且阵列分布的电极层，所述太赫兹探测器基于碲化铂的II型狄拉克半金属特性实现对太赫兹波的有效探测。
2.根据权利要求1所述的室温碲化铂阵列太赫兹探测器，其特征在于，所述衬底为高阻本征硅衬底，电阻率大于或等于20000Ω·cm。
3.根据权利要求1所述的室温碲化铂阵列太赫兹探测器，其特征在于，所述氧化层为二氧化硅层，厚度为200~400nm。
4.根据权利要求1所述的室温碲化铂阵列太赫兹探测器，其特征在于，所述碲化铂沟道层的厚度为40~60nm，尺寸为100~2500μm2。
5.根据权利要求1所述的室温碲化铂阵列太赫兹探测器，其特征在于，所述电极层包括呈蝶形天线结构的第一电极和第二电极、位于第一电极和第二电极旁侧的第三电极和第四电极、连接第一电极与第三电极的第一电极线、及连接第二电极与第四电极的第二电极线，第一电极和第二电极之间的间隙为200~500nm；和/或，所述电极层下层为铬层，上层为金层，铬层的厚度为5~20nm，金层的厚度为60~80nm。
6.一种室温碲化铂阵列太赫兹探测器的制备方法，其特征在于，所述太赫兹探测器基于碲化铂的II型狄拉克半金属特性实现对太赫兹波的有效探测，所述制备方法包括：
S1、提供衬底；
S2、在衬底上通过热氧化法制备氧化层；
S3、在氧化层上制备阵列分布的碲化铂沟道层；
S4、在氧化层及部分碲化铂沟道层上制备阵列分布的电极层。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中的衬底为高阻本征硅衬底，电阻率大于或等于20000Ω·cm；
所述步骤S2具体为：
在高阻本征硅衬底上通过干氧-湿氧-干氧氧化法制备厚度为200~400nm的二氧化硅层。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S3具体为：
对制备有氧化层的衬底进行超声清洗；
采用紫外光刻工艺在氧化层上制备光刻胶掩膜，并通过电子束蒸发工艺蒸镀形成阵列分布的铂薄膜，铂薄膜的厚度为5~20nm，最后剥离光刻胶掩膜；
基于化学气相沉积工艺，将碲粉和蒸镀有铂薄膜的衬底分别置于石英管的第一热区和第二热区中，通入载气，在第二热区中对铂薄膜进行碲化，形成阵列分布的碲化铂沟道层，碲化铂沟道层的厚度为40~60nm，尺寸为100~2500μm2。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述石英管包括进气口及排气口，第一热区和第二热区分别位于进气口侧和排气口侧，第二热区的温度高于第一热区的温度，第一热区和第二热区的温度分别为410 ~ 440℃和440 ~ 470℃，载气为惰性气体，流量为40~80sccm。
10.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S4具体为：
采用紫外光刻工艺或激光直写光刻工艺在氧化层及碲化铂沟道层上制备光刻胶掩膜，并通过电子束蒸发工艺蒸镀形成阵列分布的电极层，最后剥离光刻胶掩膜。
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