石墨烯太赫兹波探测器及其制作方法
【技术领域】
[0001]本申请属于半导体太赫兹光电技术领域，特别是涉及一种石墨烯太赫兹波探测器。
【背景技术】
[0002]太赫兹波(THz)是频率为0.3 THz-30 THz的电磁波，位于红外波与毫米波之间。与传统光源相比，太赫兹波具有相干、低能、穿透力强等优异性能，所以它在物理、化学、天文学、生命科学和医药科学等基础研究领域，以及有机分子检测、无损成像、分子电子学、新材料研究和雷达通讯方面有重要的应用前景。然而现有商用太赫兹波探测器或是灵敏度低、等效噪声功率高，或是反应速度慢、探测频段范围窄，或是体积庞大、需要低温工作、价格昂虫贝ο
【发明内容】
[0003]本发明的目的提供一种石墨烯太赫兹波探测器及其制作方法，解决现有技术中太赫兹波探测器成本高、响应度低、等效噪声功率高和探测频段范围窄等技术问题。
[0004]为实现上述目的，本发明提供如下技术方案:
本申请实施例公开一种石墨烯太赫兹波探测器，包括石墨烯场效应晶体管以及能够有效耦合太赫兹波的天线，所述天线与石墨烯场效应晶体管集成设置，但与石墨烯场效应晶体管的源极和漏极完全独立。
[0005]优选的，在上述的石墨烯太赫兹波探测器中，所述天线为平面天线，所述天线为设于所述源极和漏极之间的对数周期天线或蝶形天线，用以在石墨烯场效应晶体管的电子沟道内产生增强的横向和纵向电场。
[0006]优选的，在上述的石墨稀太赫兹波探测器中，所述石墨稀场效应晶体管包括衬底和依次形成于所述衬底上的衬底氧化层、石墨烯沟道层、顶栅介质层，所述石墨烯沟道层上设置有源极和漏极，所述顶栅极介质层上设置有顶栅，所述衬底上设置有背栅。
[0007]优选的，在上述的石墨稀太赫兹波探测器中，所述衬底为Si基衬底或SiC衬底；所述衬底氧化层为S12绝缘层；所述顶栅介质层的材质选自Al2O3或Hf02。
[0008]优选的，在上述的石墨烯太赫兹波探测器中，所述天线位于所述顶栅的两侧。
[0009]响应地，本发明还公开了一种石墨烯太赫兹波探测器的制造方法，包括:
S1、采用化学气相沉积法生长石墨烯，然后将获得的石墨烯转移到有衬底氧化层的衬底上；
s2、采用氧等离子刻蚀技术，去掉多余的石墨烯，形成石墨烯沟道层；
S3、在石墨烯沟道层上制作源极和漏极； s4、制作顶栅介质层、顶栅和天线。
[0010]优选的，在上述的石墨烯太赫兹波探测器的制造方法中，所述步骤Si具体为:采用FeCl3溶液对Cu的腐蚀性，将以Cu膜为基底采用化学气相沉积法生长的石墨烯转移到有衬底氧化层的衬底上。
[0011]与现有技术相比，本发明的优点在于:本发明通过顶栅和背栅相结合，对石墨烯二维电子气的输运性质的有效调控，进而实现太赫兹波的探测。石墨烯场效应晶体管顶栅两侧，集成了独立于源极和漏极，能高效耦合太赫兹波的平面天线，使太赫兹信号以电容形式耦合到栅极，能有效增强石墨烯探测器对太赫兹辐射的响应。该探测器在太赫兹波照射下能广生光电流，或是开路电压，进而实现室温、闻速、闻效、闻灵敏、低噪声探测。
【附图说明】
[0012]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。
[0013]图1所不为本发明具体实施例中石墨稀太赫兹波探测器的俯视图；
图2所示为本发明具体实施例中石墨烯太赫兹波探测器的剖视图。
【具体实施方式】
[0014]石墨烯(Graphene)是第一种被人类研究应用的真正意义上的二维材料，由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜。与传统半导体材料相比其二维电子气有着迁移率高，稳定性高等独特优势。石墨烯场效应晶体管具有独特的双极性，太赫兹辐射下石墨烯中的电子和空穴可以共同参与太赫兹波的响应。
[0015]本发明实施例公开了一种石墨烯太赫兹波探测器，该探测器以石墨烯场效应晶体管为基本结构，探测器还包括能够有效耦合太赫兹波的平面天线，平面天线与石墨烯场效应晶体管集成设置，但与石墨烯场效应晶体管的源极和漏极完全独立。
[0016]上述的平面天线能有效耦合太赫兹波，使石墨烯沟道层内产生增强的横向和纵向电场。石墨烯场效应晶体管的顶栅和背栅相结合，能有效调控石墨烯二维电子气的导电特性，使石墨烯电子和空穴共同参与太赫兹波的响应，产生有效的响应电流。
[0017]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详细的描述，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的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0018]参图1和图2所不，石墨稀太赫兹波探测器主要由石墨稀场效应晶体管和太赫兹平面天线2组成。
[0019]石墨烯场效应晶体管包括衬底11和依次形成于衬底11上的衬底氧化层12、石墨烯沟道层13和顶栅介质层14。其中，石墨烯沟道层13上设置有源极15和漏极16，顶栅极介质层14上设置有顶栅17，衬底11上还设置有背栅18。
[0020]太赫兹平面天线2设于源极15和漏极16之间，为对数周期天线或蝶形天线。太赫兹平面天线2为位于顶栅17的两侧。其中天线2起增强太赫兹响应作用，顶栅17和背栅18起调控石墨烯沟道层13内二维电子气的作用。
[0021]衬底11为Si基衬底或SiC衬底或柔性有机衬底；衬底氧化层12优选为S12绝缘层或Al2O3或HfO2 ;顶栅介质层14的材质选自Al2O3或HfO2或S12绝缘层。
[0022]上述石墨烯太赫兹波探测器的制造方法如下:
(1)利用FeCl3溶液对Cu的腐蚀性，将以Cu膜为基底采用化学气相沉积法生长的石墨烯转移到有S12绝缘层的Si基衬底上；
(2)采用氧等离子体刻蚀技术去除多余的石墨烯，留下有效区域作为二维电子气导电沟道；
(3)通过紫外光刻、电子束蒸发和金属剥离等微加工技术制备出源极和漏极；
(4)通过原子层沉积技术制备均一性良好的Al2O3顶栅介质层；
(5)通过紫外光刻、电子束蒸发和金属剥离等微加工技术制备出顶栅电极，天线和背栅电极；
(6)利用现有成熟的半导体分装技术，对器件进行引线封装，从而制备完成该石墨烯太赫兹波探测器。
[0023]上述石墨烯太赫兹波探测器在室温0.9 Thz辐射下电压响应度大于312 V/W，等效噪声功率小于36 pW/Hz°_5。
[0024]综上所述，本发明通过源漏和栅压的结合，对石墨烯场效应管二维电子气输运性质进行调节，在室温下实现对太赫兹辐射的高效探测。独立于源极和漏极的太赫兹平面天线结构，使太赫兹波以电容形式耦合到栅极，进而在石墨烯沟道层内产生增强的横向和纵向电场，有效增强了探测器对太赫兹辐射的响应，这必将为石墨烯在太赫兹等相关领域的应用开辟出更加广阔的空间。
[0025]需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0026]以上所述仅是本申请的【具体实施方式】，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。
【主权项】
1.一种石墨烯太赫兹波探测器，其特征在于:包括石墨烯场效应晶体管以及能够有效耦合太赫兹波的天线，所述天线与石墨烯场效应晶体管集成设置，但与石墨烯场效应晶体管的源极和漏极完全独立。2.根据权利要求1所述的石墨烯太赫兹波探测器，其特征在于:所述天线为平面天线，所述天线为设于所述源极和漏极之间的对数周期天线或蝶形天线，用以在石墨烯场效应晶体管的电子沟道内产生增强的横向和纵向电场。3.根据权利要求1所述的石墨烯太赫兹波探测器，其特征在于:所述石墨烯场效应晶体管包括衬底和依次形成于所述衬底上的衬底氧化层、石墨烯沟道层、顶栅介质层，所述石墨烯沟道层上设置有源极和漏极，所述顶栅极介质层上设置有顶栅，所述衬底上设置有背栅。4.根据权利要求3所述的石墨烯太赫兹波探测器，其特征在于:所述衬底为Si基衬底或SiC衬底；所述衬底氧化层为S12绝缘层；所述顶栅介质层的材质选自Al2O3或Hf02。5.根据权利要求3所述的石墨烯太赫兹波探测器，其特征在于:所述天线位于所述顶栅的两侧。6.一种权利要求1至5任一所述的石墨烯太赫兹波探测器的制造方法，其特征在于，包括: S1、采用化学气相沉积法生长石墨烯，然后将获得的石墨烯转移到有衬底氧化层的衬底上； s2、采用氧等离子刻蚀技术，去掉多余的石墨烯，形成石墨烯沟道层； S3、在石墨烯沟道层上制作源极和漏极； s4、制作顶栅介质层、顶栅和天线。7.根据权利要求6所述的石墨烯太赫兹波探测器的制造方法，其特征在于:所述步骤Si具体为:采用FeCl3溶液对Cu的腐蚀性，将以Cu膜为基底采用化学气相沉积法生长的石墨烯转移到有衬底氧化层的衬底上。
【专利摘要】本发明公开了一种石墨烯太赫兹波探测器，包括石墨烯场效应晶体管以及能够有效耦合太赫兹波的天线，所述天线与石墨烯场效应晶体管集成设置，但与石墨烯场效应晶体管的源极和漏极完全独立。本发明是通过顶栅和背栅相结合，对石墨烯二维电子气的输运性质的有效调控，进而实现太赫兹波的探测。石墨烯场效应晶体管顶栅两侧，集成了独立于源极和漏极，能高效耦合太赫兹波的平面天线，使太赫兹信号以电容形式耦合到栅极，能有效增强石墨烯探测器对太赫兹辐射的响应。该探测器在太赫兹波照射下能产生光电流，或是开路电压，进而实现室温、高速、高效、高灵敏、低噪声探测。
【IPC分类】H01L31/112, H01L31/18, G01J1/42
【公开号】CN104916732
【申请号】CN201410088634
【发明人】杨昕昕, 孙建东, 秦华
【申请人】中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所
【公开日】2015年9月16日
【申请日】2014年3月12日