CN215418202U

CN215418202U - 一种室温双通道可调控的太赫兹探测器

Info

Publication number: CN215418202U
Application number: CN202121268218.7U
Authority: CN
Inventors: 刘昌龙; 张拾; 马汝佳; 李冠海; 陈效双
Original assignee: Hangzhou Institute of Advanced Studies of UCAS
Current assignee: Hangzhou Institute of Advanced Studies of UCAS
Priority date: 2021-06-08
Filing date: 2021-06-08
Publication date: 2022-01-04
Anticipated expiration: 2031-06-08

Abstract

本实用新型公开了一种室温双通道可调控的太赫兹探测器，探测器包括覆盖氧化硅的硅衬底，在覆盖氧化硅的硅衬底上转移分子束外延生长的一维砷化铟纳米线，在一维砷化铟纳米线延伸方向制备源漏电极以及相应的引线电极，在一维砷化铟纳米线的导电沟道上面生长氧化铝栅介质层，分立栅电极分别与对数周期天线两臂互连，在与对数周期天线两臂间距中转移二维石墨烯导电沟道，二维石墨烯导电沟道全部覆盖分立栅电极的外部。本实用新型采用双通道、响应高且可多维度调控的太赫兹探测；器件的集成度、工艺成熟及可重复性，为实现室温、集成、多通道、可调控的太赫兹探测研究奠定器件与理论基础。

Description

一种室温双通道可调控的太赫兹探测器

技术领域

本实用新型涉及一种太赫兹波探测器，特别涉及一种室温双通道可调控的太赫兹探测器以及制备方法，对太赫兹波段实现双通道、响应高且可多维度调控的探测。

背景技术

随着信息时代的快速发展，利用低能光子频带(0.1～10THz，terahertz gap)范围工作的微型器件成为新一代无线通讯、智慧城市及安全体系建设的重要信息载体。传统光电器件依赖于窄带隙半导体或能带工程(金属、半导体、绝缘体)的发展，在低能光子频带存在性能指数下降的趋势，需要深低温来抑制噪声以获得足够的灵敏度，面临着本征极限的问题。采用微观原子尺度操控来构造特定的输运或光电子特性，有望突破传统依赖于单粒子激发的能带探测模式带来的瓶颈，实现具有室温工作，高灵敏度、宽频带、低噪声、高集成度的太赫兹探测器。因此，研究太赫兹探测器的材料由传统材料转向各种具有优异性质的新型材料发展，如具有高载流子迁移率的石墨烯材料以及其它的低维材料等。

由于石墨烯材料具有独特的物理结构、特殊的电学特性及光学特性为太赫兹探测研究提供一个好的平台。研究表明，石墨烯可以将这些频率的信号转换成频率高数千倍的电学信号，这一效果的机制可能源于石墨烯中发生的光与物质之间的高效非线性相互作用，由于石墨烯中大量自由电子在室温条件下被振荡电场激发时，它们迅速与材料中的其他束缚电子共享能量，电子像被加热的流体一样沸腾，在万亿分之一秒内石墨烯内部电子的“液体”状态变为“蒸汽”状态，这种转变会导致材料电导率的快速增大，可以实现太赫兹宽谱、高速探测。砷化铟是一种重要的III-V族窄禁带半导体，具有电子迁移率高、有效质量小及自旋轨道耦合强等特征，是制备高速低功耗电子器件、红外光电子器件及自旋电子器件的理想材料，同时，砷化铟纳米线因其独特的表面电荷积累层，费米能级钉扎效应以及易于形成欧姆接触等特性，也被广泛应用于射频电子器件，弹道输运器件等。目前，大部分研究主要围绕砷化铟纳米线的可见-红外光电特性，砷化铟纳米线作为太赫兹探测器方面的研究却鲜有报道。

Dyakonov和Shur阐述了场效应管中等离子体波在沟道中被激发实现太赫兹波探测，在太赫兹辐射激发下，器件的沟道会有一个直流压降产生光响应；同时，非线性效应使得器件对入射太赫兹波进行有效的频率倍增产生高阶谐波，该太赫兹辐射探测理论得到多方面的实验验证。通过二维石墨烯与一维砷化铟纳米线结合，具有独特的物理结构，特殊的光电特性，为新型太赫兹场效应管光电功能转换特性的研究提供了良好的平台。

基于此，本实用新型设计了一种室温双通道可调控的太赫兹探测器以及制备方法，以解决上述提到的问题。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种室温双通道可调控的太赫兹探测器以及制备方法，提出以具有高迁移率且载流子浓度可调的二维石墨烯导电沟道以及一维砷化铟纳米线为基本结构单元构建场效应晶体管，场效应晶体管具有一组太赫兹波耦合天线互联分立栅电极和源漏电极。一种在室温条件下二维石墨烯导电沟道/对数周期天线互联分立栅电极/氧化铝栅介质层/一维砷化铟纳米线/覆盖氧化硅的硅衬底结构的太赫兹波探测器，可以实现双通道、响应高且可多维度调控的太赫兹探测。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种室温双通道可调控的太赫兹探测器，所述探测器包括覆盖氧化硅的硅衬底，在所述覆盖氧化硅的硅衬底上转移分子束外延生长的一维砷化铟纳米线，在所述一维砷化铟纳米线延伸方向制备源漏电极以及相应的引线电极，在所述一维砷化铟纳米线的导电沟道上面生长氧化铝栅介质层，分立栅电极分别与对数周期天线两臂互连，在与对数周期天线两臂间距中转移二维石墨烯导电沟道，所述二维石墨烯导电沟道全部覆盖分立栅电极的外部。

优选的，上述一种室温双通道可调控的太赫兹探测器中，所述覆盖氧化硅的硅衬底的厚度0.5～1mm；所述一维砷化铟纳米线的长为6～12.5μm，直径为100～120nm；所述源漏电极的厚度为50～100nm以及相应的引线电极的厚度为200～400nm；所述氧化铝栅介质层厚度为30～50nm。

优选的，上述一种室温双通道可调控的太赫兹探测器中，所述分立栅电极为金膜，其线宽为1～2.2μm，线间距500～600nm，厚度为20～50nm；所述对数周期天线为金膜，外半径尺寸为：1～2mm，厚度为100～200nm。

优选的，上述一种室温双通道可调控的太赫兹探测器中，所述二维石墨烯导电沟道长度为5～10μm，迁移率1000～10000cm² V^-1s^-1，载流子浓度10¹¹～10¹⁴cm^-2。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

1、采用一维砷化铟纳米线作为光敏导电沟道，因其维度受限而展现出优异的光电特性，比如超高内禀光电增益、多阵列限光效应、亚波长尺寸效应以及弹道输运等，可以实现小型化、高度集成化太赫兹功能器件。

2、采用载流子迁移率高且可调的石墨烯材料作为光敏导电沟道，利用石墨烯太赫兹等离子体波整流或热电效应，可以实现可调控的太赫兹探测。

3、集成对数周期天线互联的分立栅电极，实现强的光场耦合和分布，可以实现双通道耦合的太赫兹探测，为实现太赫兹波探测器的阵列化和大规模应用奠定了基础。

4、本实用新型以具有高迁移率且载流子浓度可调的二维石墨烯材料以及一维砷化铟纳米线材料为基本结构单元构建双通道场效应晶体管，场效应晶体管具有一组太赫兹波耦合天线的分立栅电极和源漏电极。双通道、响应高且可多维度调控的太赫兹探测；器件的集成度、工艺成熟及可重复性，为实现室温、集成、多通道、可调控的太赫兹探测研究奠定器件与理论基础。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例描述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实用新型的一些实施例，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为本实用新型双通道太赫兹探测器结构正视示意图及沟道放大示意图结构示意图；

图2为图1所示双通道太赫兹波探测器的结构前侧视示意图；

图3为图1所示双通道太赫兹波探测器的结构左侧视示意图；

图4为本实用新型双通道太赫兹波探测器室温下石墨烯充当顶部栅极作用调控纳米线的转移特性曲线I_DS-V_TG；

图5为本实用新型双通道太赫兹波探测器室温下石墨烯充当顶部栅极作用调控纳米线的光响应电流波形图；

图6为本实用新型双通道太赫兹波探测器室温下纳米线充当底部栅极作用调控石墨烯的转移特性曲线I_DS-V_LG；

图7为本实用新型双通道太赫兹波探测器室温下纳米线充当底部栅极作用调控石墨烯的光响应电压波形图；

图8为本实用新型双通道太赫兹波探测器室温下两通道同步采集的光电流响应波形图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、二维石墨烯导电沟道；2、一维砷化铟纳米线；3、分立栅电极；4、源漏电极；5、引线电极；6、硅衬底；7、对数周期天线；8、氧化铝栅介质层。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例1

请参阅图1-3，本实用新型提供的一种实施例：一种室温双通道可调控的太赫兹探测器，所述探测器包括覆盖氧化硅的硅衬底6，在所述覆盖氧化硅的硅衬底6上转移分子束外延生长的一维砷化铟纳米线2，在所述一维砷化铟纳米线2延伸方向制备源漏电极4以及相应的引线电极5，在所述一维砷化铟纳米线2的导电沟道上面生长氧化铝栅介质层8，分立栅电极3分别与对数周期天线7两臂互连，在与对数周期天线7两臂间距中转移二维石墨烯导电沟道1，所述二维石墨烯导电沟道1全部覆盖分立栅电极3的外部。

采用载流子迁移率高且可调的二维石墨烯导电沟道1与一维砷化铟纳米线2作为光敏导电沟道，结合超高内禀光电增益、亚波长尺寸效应以及弹道输运等光电特性，利用低维材料太赫兹等离子体波整流或热电效应，结合集成对数周期天线7互联分立栅极3具有强的光场耦合和分布，可以实现双通道、响应高且可多维度调控的太赫兹探测。

实施例2

一种室温双通道可调控的太赫兹探测器制备的方法，包括以下步骤：

S1：首先将覆盖有氧化硅的硅衬底6进行表面清洗，通过切割技术将硅衬底6切成1cm×1cm的样品；

S2：通过转移平台微区定位方法，利用干法转移技术，将分子束外延生长的一维砷化铟纳米线2转移到所述硅衬底6上，进行编号定位标记；

S3：结合使用紫外光刻、电子束蒸发法及剥离工艺制备与一维砷化铟纳米线2接触的源漏电极4和引线电极5，形成良好的欧姆接触，之后利用紫外光刻对准标记以及电子束光刻对准标记；

S4：利用原子层沉积技术，在整个样品上300℃高温沉积氧化铝栅介质层8；

S5：结合使用紫外光刻与电子束曝光法、电子束蒸发法及剥离工艺制备分立栅电极3、对数周期天线7以及引线电极5；

S6：通过转移平台微区定位方法，利用干法转移技术，将二维石墨烯材料转移到对数周期天线7间隙，能全部覆盖分立栅电极3，与对数周期天线7两臂形成良好的欧姆接触；

S7：通过紫外光刻工艺和溶液腐蚀方法，将氧化铝栅介质层8覆盖的源漏电极4的引线电极5暴露出来，以便引线测试；

S8：通过紫外光刻、电子束蒸发及剥离工艺制备300～400nm加厚源漏电极4和引线电极5，便于引线测试；

S9：最后，采用标准的半导体封装技术，对器件进行封装与测试。

测试步骤为：用0.02～0.04THz微波振荡器以及耿氏振荡器结合三倍频器以及三倍频器产生0.1～0.3THz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。

实施例3

覆盖氧化硅的硅衬底6的厚度0.5mm；一维砷化铟纳米线3的长约6μm，直径约100nm，源漏电极4以及相应的引线电极5厚度200nm；氧化铝栅介质层8厚度为30nm；分立栅电极3线宽1μm，线间距500nm，厚度20nm，对数周期天线7尺寸为：外半径1mm，厚度100nm；二维石墨烯导电沟道1长度为8μm，迁移率1000～10000cm² V^-1s^-1，载流子浓度10¹¹～10¹⁴cm^-2；如图4所示，石墨烯充当顶栅极作用调控InAs纳米线转移曲线，一维砷化铟纳米线3具有场效管的电学性能良好，石墨烯可以很好地调控InAs纳米线电导特性。如图5所示在InAs纳米线作用的偏置电压为零，在太赫兹照射下，器件InAs纳米线沟道中产生光响应电流，类似于光伏型器件，信噪比高；随着石墨烯充当顶栅电压线性增加，光响应电流幅值也随之增加，然后变小，随后下又逐渐增加，趋向于饱和状态，在这个调控过程中，光响应电流极性发生翻转，总之，通过栅极电压可以调控太赫兹波的探测。

实施例4

覆盖氧化硅的硅衬底6的厚度0.5mm；一维砷化铟纳米线3的长约8μm，直径约120nm，源漏电极4以及相应的引线电极5厚度200nm；氧化铝栅介质层8厚度为30nm；分立栅电极3线宽1μm，线间距500nm，厚度30nm，对数周期天线7尺寸为：外半径1mm，厚度100nm；二维石墨烯导电沟道1长度为8μm，迁移率1000～10000cm² V^-1s^-1，载流子浓度10¹¹～10¹⁴cm^-2；如图6所示，石墨烯具有场效管的电学性能良好，纳米线充当栅极调控石墨烯的转移曲线，可以看出纳米线可以很多地调控石墨烯电导特性，实现石墨烯P和N型的掺杂，Dirac点的电压在-2V附近。如图7所示，石墨烯通道上作用的偏置电压为零，在太赫兹照射下，实时观察器件石墨烯沟道中产生光响应电流，类似于光伏型器件，信噪比高；同样可以看出栅压调控实现石墨烯的不同掺杂类型，但是光响应电流幅值只有微弱的变化，在这个调控过程中，光响应电流极性没有发生翻转，与之前的纳米线沟道探测调控结果有很大的区别。

实施例5

覆盖氧化硅的硅衬底6的厚度1mm；一维砷化铟纳米线3的长约8μm，直径约120nm，源漏电极4以及相应的引线电极5厚度300nm；氧化铝栅介质层8厚度为30nm；分立栅电极3线宽2μm，线间距500nm，厚度20nm，对数周期天线7尺寸为：外半径1mm，厚度100nm；二维石墨烯导电沟道1长度为10μm，迁移率1000～10000cm² V^-1s^-1，载流子浓度10¹¹～10¹⁴cm^-2；如图8所示，两个通道上作用的偏置电压都为零，在太赫兹照射下，两个通道器件同步产生光响应电流，结合案例1与案例2，存在两个通道参与太赫兹响应，说明太赫兹辐射存在双通道耦合吸收作用以及双通道互为调控耦合作用，该结果为太赫兹双通道探测提供一个良好的研究平台。

探测器结构中各种参数在一定范围里变化，本实用新型中一种室温双通道可调控的太赫兹波探测器都有很好的性能，测试结果表明初步实现二维材料石墨烯和一维纳米线的电学调控；存在两个光敏通道参与太赫兹波探测响应，由于双通道耦合吸收作用以及双通道互调控耦合作用，器件光响应电流幅值与极性都明显地偶合调控作用，同时器件具有类光导与类光伏探测模式；最后，利用低维材料双通道的太赫兹等离子体波整流或热电效应，为太赫兹探测器件设计的提供了方向。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上公开的本实用新型优选实施例只是用于帮助阐述本实用新型。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该实用新型仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本实用新型的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本实用新型。本实用新型仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims

1.一种室温双通道可调控的太赫兹探测器，其特征在于：所述探测器包括覆盖氧化硅的硅衬底(6)，在所述覆盖氧化硅的硅衬底(6)上转移分子束外延生长的一维砷化铟纳米线(2)，在所述一维砷化铟纳米线(2)延伸方向制备源漏电极(4)以及相应的引线电极(5)，在所述一维砷化铟纳米线(2)的导电沟道上面生长氧化铝栅介质层(8)，分立栅电极(3)分别与对数周期天线(7)两臂互连，在与对数周期天线(7)两臂间距中转移二维石墨烯导电沟道(1)，所述二维石墨烯导电沟道(1)全部覆盖分立栅电极(3)的外部。

2.根据权利要求1所述的一种室温双通道可调控的太赫兹探测器，其特征在于：所述覆盖氧化硅的硅衬底(6)的厚度0.5～1mm；所述一维砷化铟纳米线的长为6～12.5μm，直径为100～120nm；所述源漏电极(4)的厚度为50～100nm以及相应的引线电极(5)的厚度为200～400nm；所述氧化铝栅介质层(8)厚度为30～50nm。

3.根据权利要求1所述的一种室温双通道可调控的太赫兹探测器，其特征在于：所述分立栅电极(3)为金膜，其线宽为1～2.2μm，线间距500～600nm，厚度为20～50nm；所述对数周期天线(7)为金膜，外半径尺寸为：1～2mm，厚度为100～200nm。

4.根据权利要求1所述的一种室温双通道可调控的太赫兹探测器，其特征在于：所述二维石墨烯导电沟道(1)长度为5～10μm，迁移率1000～10000cm²V^-1s^-1，载流子浓度10¹¹～10¹⁴cm^-2。