CN114784128B - 一种基于蝶形天线结构的拓扑增强型碲化锑太赫兹光电探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的一种基于蝶形天线结构的拓扑增强型碲化锑光电探测器，其特征在于：自下而上依次设置本征高阻硅衬底、二氧化硅层和碲化锑层，在碲化锑层两端是源、漏金属电极，源、漏电极与相应的引线电极相连用于连接外部测试电路。本发明的一种基于蝶形天线结构的拓扑增强型碲化锑太赫兹光电探测器及其制备方法构造出的亚波长金属蝶形天线结构，利用入射的光子耦合到拓扑材料表面，以增强入射的电磁波与碲化锑材料的相互作用，太赫兹波引起的局部表面等离子体场的不对称散射增强探测器的源漏电流，实现了室温高灵敏的太赫兹宽谱光电探测，大幅度提高了器件在太赫兹波段探测能力与信噪比。
Description
技术领域
本发明涉及太赫兹探测器件技术领域，尤其是一种基于蝶形天线结构的拓扑增强型碲化锑太赫兹光电探测器及其制备方法。
背景技术
太赫兹频段(频率范围为0.1THz-10THz)被誉为“未来将改变世界的十大关键技术之一”，可广泛应用于雷达通信、安全反恐和非侵入性成像等领域。光电探测器作为关键的光电元件，可以直接将光信号转换为电信号，这些电信号在安全、监测、天文学和通信的许多应用中随处可见。然而，目前的光电探测，特别是在远红外和太赫兹频带中，遇到了低光子能量采集的瓶颈，可用的太赫兹探测器在速度、灵敏度和工作温度方面仍存在严重的缺陷。随着高性能太赫兹检测技术的发展，需要将材料特性、天线特性、光子耦合过程、微观相互作用机制等综合结合起来，来实现高性能的太赫兹探测。
自从石墨烯被发现以来，越来越多的例如二硫化钼、过渡金属二卤化物、黑磷等二维材料被广泛地应用于光电探测，由于其丰富的电学、光学和热性能优势，在光电器件、光催化、能源和其他领域方面具有广泛的应用前景，引起了人们密切的关注。二维层状材料可以在整个电磁光谱中设计柔性光电纳米器件，已广泛应用于光电探测器，在提升性能、提高响应率等方面有了很大的突破。然而，基于二维材料的探测器造成了带隙大、光吸收弱、载流子寿命短等问题，限制了低能量光子探测。因此，迫切需要进一步扩大新材料与太赫兹之间的相互作用，以实现广泛的低功耗和高性能探测器。
近年来，拓扑绝缘体在凝聚态和材料科学领域引起了广泛的关注。根据第一性原理电子结构的计算，碲化锑是一种典型的小带隙(0.23eV)的拓扑绝缘体，广泛应用于热电器件和光子器件。碲化锑是一种体态为绝缘态但表面为金属态的拓扑绝缘体，由于自旋轨道耦合和时间反转对称性，载流子在拓扑表面态存在低能量耗散。正是由于拓扑绝缘体的高表面迁移率和类狄拉克表面态强烈的光吸收，它是红外光电探测领域的理想选择。在诸多科学家的大量的努力下，碲化锑材料已被证明在可见光和近红外区域具有潜在的探测应用，但与同为三维拓扑绝缘体的硒化铋和碲化铋材料相比，其在太赫兹探测方面的研究相对较少。实际上，碲化锑的拓扑表面态比硒化铋和碲化铋具有更优秀的鲁棒特性。
因此，如何实现解决碲化锑材料有效吸收太赫兹频率的电磁能量并且能够显著提高其光响应，提供一种低功耗和高性能探测器，成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的第一个目的在于，提供一种提高探测器的响应率的一种场操控可调的光电灵敏性探测器件。
为此，本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
一种基于蝶形天线结构的拓扑增强型碲化锑光电探测器，其特征在于：自下而上依次设置本征高阻硅衬底、二氧化硅层和碲化锑层，在碲化锑层两端是源、漏金属电极，源、漏电极与相应的引线电极相连用于连接外部测试电路。
在采用上述技术方案的同时，本发明还可以采用或者组合采用如下技术方案：
作为本发明的优选技术方案：所述的衬底是本征高阻硅，其电阻率为10000Ω·cm，厚度为500μm；覆盖其上的是二氧化硅层，厚度为300nm。
作为本发明的优选技术方案：所述的碲化锑为薄层材料，厚度为80～90nm；
作为本发明的优选技术方案：所述的源、漏电极为金属复合电极，包括铬电极和金电极，整体大小为220μm×140μm，下层金属为铬，作为粘附层，厚度是5nm，上层金属为金，厚度是50nm；相应的引线电极，厚度为200～400nm。
本发明的第二个目的在于，提供一种提高探测器的响应率的一种场操控可调的光电灵敏性探测器件的制备方法。
为此，本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
一种基于碲化锑材料的室温高性能的太赫兹光电探测器制备的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，首先使用丙酮、异丙醇、乙醇和去离子水将覆盖二氧化硅的硅衬底进行表面超声清洗，通过精密切割技术将衬底切成1cm×1cm的样品；
步骤二，通过转移平台微区定位方法，利用干法转移技术，使用蓝胶胶带将沉积生长的碲化锑进行机械剥离，然后转移到上述衬底上，进行编号定位标记；
步骤三，使用热板烘烤以及匀胶机匀胶涂覆，使光刻胶5350均匀附着在上述衬底和碲化锑材料上；
步骤四，结合使用紫外光刻、电子束蒸发法及传统剥离工艺制备与碲化锑接触的源、漏电极，形成良好的欧姆接触。
在采用上述技术方案的同时，本发明还可以采用或者组合采用如下技术方案：
作为本发明的优选技术方案：包括步骤六，采用标准的半导体封装技术，把器件贴到PCB底座上，引线，简单封装完成制备蝶形天线集成的碲化锑太赫兹光电探测器。
本发明的一种基于蝶形天线结构的拓扑增强型碲化锑太赫兹光电探测器及其制备方法构造出的亚波长金属蝶形天线结构，利用入射的光子耦合到拓扑材料表面，以增强入射的电磁波与碲化锑材料的相互作用，太赫兹波引起的局部表面等离子体场的不对称散射增强探测器的源漏电流，实现了室温高灵敏的太赫兹宽谱光电探测，大幅度提高了器件在太赫兹波段探测能力与信噪比。本发明的探测器具有响应率高、响应速度快，太赫兹宽谱探测，而且器件工艺成熟、便于集成化，在太赫兹和毫米波领域的面阵检测领域具有极大的应用价值，并在解决实时成像和6G通信的应用导向问题方面具有巨大的研究潜力。
与现有技术相比，本发明的一种基于蝶形天线结构的拓扑增强型碲化锑太赫兹光电探测器及其制备方法具有如下技术优势：
一，采用载流子迁移率高、响应率高且拥有受时间反演对称保护的拓扑表面态的三维拓扑绝缘体碲化锑材料作为光敏导电沟道，通过机械剥离法获得碲化锑薄片，带隙为0.23eV，实现室温下快速响应和宽波段探测。
二，独特的亚波长金属蝶形天线结构可以将入射的光子耦合到拓扑材料表面，以增强入射的电磁波与碲化锑材料的相互作用，太赫兹波引起的局部表面等离子体场的不对称散射增强探测器的源漏电流。
三，锑化锑探测器工艺简单，成本效益低，在零偏置电压下响应率高、响应速度快，小偏置电压下性能可以得到进一步改善，能利用碲化锑器件在太赫兹领域具有推广应用价值。
附图说明
图1为本发明源、漏电极所用的蝶形天线结构正视示意图及沟道放大示意图；
图2为本发明碲化锑太赫兹波探测器的结构前示意图；
图3为本发明碲化锑太赫兹波探测器的结构左示意图；
图4为器件光响应测试系统程序框图；
图5为本发明碲化锑太赫兹波探测器在没有任何偏置电压下，在0.02～0.04THz、0.07～0.12THz和0.24～0.30THz波段内的载波频率扫谱图；
图6为本发明碲化锑太赫兹波探测器室温下单个周期的时间分辨响应的上升和下降边缘，显示20μs左右的快速响应时间；
图7为评估本发明碲化锑太赫兹波探测器在三个频段下的响应率，即单位入射光功率作用下探测器输出电流信号；
图8为评估本发明碲化锑太赫兹波探测器在三个频段下的等效噪声功率和归一化探测率；
附图中，拓扑绝缘体碲化锑材料1，二氧化硅层2，高阻硅层3，源、漏铬电极4，源、漏金电极5，引线电极6。
具体实施方式
如图1、图2以及图3所示，本发明的一种基于拓扑增强型太赫兹光电探测器，所述探测器在覆盖二氧化硅2的硅衬底3上转移机械剥离法得到的碲化锑材料1，在碲化锑方向制备源、漏铬电极4和金电极5以及相应的引线电极6，通过结合亚波长金属蝶形天线结构，诱导表面等离子体共振，将长波入射的光子耦合到拓扑绝缘体碲化锑表面，以增强入射的电磁波与材料的相互作用，太赫兹波引起的局部表面等离子体场的不对称散射增强探测器的源漏电流，实现了室温高灵敏的太赫兹宽谱光电探测，大幅度提高了器件在太赫兹波段的探测能力和信噪比。
本发明的一种在室温条件下蝶形天线结构的太赫兹探测器件，利用碲化锑的拓扑表面态的不对称性散射和高载流子迁移率等特性，结合构造出的亚波长金属蝶形天线结构，将长波入射的光子耦合到拓扑绝缘体碲化锑表面，以增强入射的电磁波与材料的相互作用，太赫兹波引起的局部表面等离子体场的不对称散射增强探测器的源漏电流，实现了室温高灵敏的太赫兹宽谱光电探测，大幅度提高了器件在太赫兹波段的探测能力和信噪比。
本发明的一种在室温条件下蝶形天线结构的太赫兹探测器件的制备方法如下：
步骤一，首先使用丙酮、异丙醇、乙醇和去离子水将覆盖二氧化硅的硅衬底进行表面超声清洗，通过精密切割技术将衬底切成1cm×1cm的样品；
步骤二，通过转移平台微区定位方法，利用干法转移技术，使用蓝胶胶带将沉积生长的碲化锑进行机械剥离，然后转移到上述衬底上，进行编号定位标记；
步骤三，转移所得到的碲化锑样品，利用拉曼光谱对碲化锑的物理特性进行了表征。利用原子力显微镜(AFM)、扫描电子显微镜(SEM)和能量色散X射线光谱(EDS)对碲化锑样品微观形貌进行表征。
步骤四，使用热板烘烤以及匀胶机匀胶涂覆，使光刻胶5350均匀附着在上述衬底和碲化锑材料上；
步骤五，结合使用紫外光刻、电子束蒸发法及传统剥离工艺制备与碲化锑接触的源、漏电极，形成良好的欧姆接触；
步骤六，最后，采用标准的半导体封装技术，把器件贴到PCB底座上，引线，简单封装完成制备蝶形天线集成的碲化锑太赫兹光电探测器。
步骤7将制备好的碲化镍太赫兹探测器进行光电响应测试。
如图4所示光电响应测试系统：以微波源(E8257D)(频段在0.02～0.04THz)为主，结合耿氏振荡器以及三倍频器和九倍频器产生0.07～0.12THz以及0.24～0.30THz波段的连续波辐射，透过斩波器(SR430)调制太赫兹辐射，光源经过离轴抛面镜聚焦到探测器上，探测器产生的光响应信号通过前置放大器(SR570)放大信号，分别输入示波器，锁相放大器(SR830)，除此之外，还需要斩波器(SR430)调制频率作为参考信号分别输入示波器与锁相放大器，保证准确记录器件对太赫兹辐射响应波形与响应幅度。测试过程中器件表现出超高响应率和快速探测的能力。具体步骤：a)按照图3连接测试系统，进行系统预置；b)调节测试系统，给被测器件加上规定偏压，使器件处于正常工作状态：c)将器件放置于微波源垂直辐射位置，确保出射电磁波在功率计孔径范围内功率密度为常数，采用功率计AV2434型号测出入射到功率计窗口的总功率P0，功率计窗口面积Sl：d)将探测器放置在功率计窗口位置，探测器像元面积为S2，通过锁相放大器测得响应电流信号为Iph，探测器接收功率为Pin＝P0*S2/S1；e)计算器件的响应率为RI＝Iph/Pin。
实施例1
覆盖氧化硅的硅衬底的厚度500μm；碲化锑材料的厚度约为80～90nm，蝶形天线整体尺寸为：长220μm，宽140μm，沟道长度为6μm；源、漏复合电极厚度为55nm，相应的引线电极厚度200～400nm，源、漏电极与相应的引线电极相连用于连接电路；首先我们在低频源0.02THz～0.04THz波段范围测试了器件的光电响应，同时通过基频倍增，我们在0.07THz～0.12THz和0.24THz～0.30THz范围内测试了该器件在太赫兹波段的光电响应，确定最佳频率点分别为0.03THz，0.12THz和0.28THz。图5展示了偏执电压为0V时测量器件的光电信号的频率依赖性，对应的响应大小为6μA、400nA和30nA左右。结果说明本发明提供的利用蝶形天线结构的碲化锑探测器实现太赫兹宽谱范围内的高响应探测。
实施例2
覆盖氧化硅的硅衬底的厚度500μm；碲化锑材料的厚度约为80～90nm，蝶形天线整体尺寸为：长220μm，宽140μm，沟道长度为6μm；源、漏复合电极厚度为55nm，相应的引线电极厚度200～400nm，源、漏电极与相应的引线电极相连用于连接电路；为了有效地提取3dB的电带宽，上升时间定义为从最大光电流的10％上升至90％所需要的时间，约为τrise≈21.5μs；而衰减时间为从最大光电流的90％下降至最大值的10％所需要的时间，约为τfall≈20.5μs，如图6所示。结果表明本发明提供的蝶形天线结构的碲化锑探测器的响应速度快到足以满足帧率成像的要求，揭示了其优异的光电性能及其在视频速率成像应用中的适用性。
实施例3
覆盖氧化硅的硅衬底的厚度500μm；碲化锑材料的厚度约为80～90nm，蝶形天线整体尺寸为：长220μm，宽140μm，沟道长度为6μm；源、漏复合电极厚度为55nm，相应的引线电极厚度200～400nm，源、漏电极与相应的引线电极相连用于连接电路；图7为蝶形天线结构的碲化锑探测器在不同波段下的变偏压的响应率，正方形图标是0.03THz光照下的响应率随偏压变化的值；菱形图标是0.12THz光照下的响应率随偏压变化的值；圆形图标是0.28THz光照下的响应率随偏压变化的光电流值。偏压为零，在0.03THz波段下响应率达到了29.1mA/w；在0.12THz波段下响应率达到了88.4mA/W；在0.28THz波段下响应率达到了66.9mA/W。结果说明本发明提供的利用蝶形天线结构的碲化锑探测器来产生定向电场来增大响应电流，提高器件的探测能力的方法是合理的、有效的。
实施例4
覆盖氧化硅的硅衬底的厚度500μm；碲化锑材料的厚度约为80～90nm，蝶形天线整体尺寸为：长220μm，宽140μm，沟道长度为6μm；源、漏复合电极厚度为55nm，相应的引线电极厚度200～400nm，源、漏电极与相应的引线电极相连用于连接电路；图8是蝶形天线结构的碲化锑探测器在不同波段下的噪声等效功率值(NEP)和归一化探测率(D*)。噪声等效功率指信噪比为1时所需的入射辐射功率，一种对光敏元面积和测量电路带宽归一化的探测率，二者都是作为探测器的重要性能参数用来表征探测器优劣的一种优值因子。在0.03THz,0.12THz和0.28THz的不同波段范围内，等效噪声功率大小分别为1.06nW/Hz1/2,0.35nW/Hz1 /2和0.46nW/Hz1/2,相应的归一化探测率分别为0.83cm·Hz1/2/nW,2.04cm·Hz1/2/nW和0.65cm·Hz1/2/nW。结果说明本发明提供的利用周期对数天线结构的碲化锑探测器提高器件的信噪比的方法是合理的、有效的。
探测器结构中的各种参数在一定范围内变化，本发明涉及一种在室温条件下蝶形天线结构的太赫兹探测器件的天线结构设计、制备方法和性能研究，由于碲化锑的拓扑表面态的不对称性散射和高载流子迁移率等特性，结合构造出的亚波长金属蝶形天线结构，将长波入射的光子耦合到拓扑绝缘体碲化锑表面，实现了室温高灵敏的太赫兹宽谱光电探测，大幅度提高了器件在太赫兹波段的探测能力和信噪比。我们的工作为太赫兹和毫米波领域的面阵检测设计奠定了基础，并在解决实时成像和6G通信的应用导向问题方面具有巨大的研究潜力。
上述具体实施方式用来解释说明本发明，仅为本发明的优选实施例，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改、等同替换、改进等，都落入本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种基于蝶形天线结构的拓扑增强型碲化锑光电探测器，其特征在于：自下而上依次设置本征高阻硅衬底、二氧化硅层和碲化锑层，在碲化锑层两端是源、漏金属电极，源、漏电极与相应的引线电极相连用于连接外部测试电路；
所述的衬底是本征高阻硅，其电阻率为10000 Ω·cm，厚度为500 μm；覆盖其上的是二氧化硅层，厚度为300 nm；所述的碲化锑为薄层材料，厚度为80~90 nm；
所述的源、漏电极为金属复合电极，包括铬电极和金电极，整体大小为220 μm×140 μm，下层金属为铬，作为粘附层，厚度是5 nm，上层金属为金，厚度是50 nm；相应的引线电极，厚度为200~400 nm。
2.如权利要求1所述的基于碲化锑材料的室温高性能的太赫兹光电探测器制备的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，首先使用丙酮、异丙醇、乙醇和去离子水将覆盖二氧化硅的硅衬底进行表面超声清洗，通过精密切割技术将衬底切成1 cm×1 cm的样品；
步骤二，通过转移平台微区定位方法，利用干法转移技术，使用蓝胶胶带将沉积生长的碲化锑进行机械剥离，然后转移到上述衬底上，进行编号定位标记；
步骤三，使用热板烘烤以及匀胶机匀胶涂覆，使光刻胶5350均匀附着在上述衬底和碲化锑材料上；
步骤四，结合使用紫外光刻、电子束蒸发法及传统剥离工艺制备与碲化锑接触的源、漏电极，形成良好的欧姆接触。
3.如权利要求2所述的基于碲化锑材料的室温高性能的太赫兹光电探测器制备的方法，其特征在于：包括步骤六，采用标准的半导体封装技术，把器件贴到PCB底座上，引线，简单封装完成制备蝶形天线集成的碲化锑太赫兹光电探测器。
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