一种铁电调控下的石墨烯太赫兹探测器及制备方法

本发明涉及铁电调控下的石墨烯太赫兹探测器件的天线结构设计，制备方法和性能研究，通过构造具有蝶形的金属结构天线，利用铁电材料cuinp2s6(cips)做顶栅，显著增强了探测器的源漏电流，实现光电信号转换，大幅提高了器件在太赫兹波段的探测灵敏度和信噪比。

背景技术：

1、太赫兹波是频率范围介于0.1thz到10thz内的电磁波，其波长对应于3mm到30μm，光子对应能量的特征值在毫电子伏特级别。该能量范围与分子的振动能和转动能相匹配，远小于一般半导体的能隙，在传播、散射和吸收等方面表现出与微波、红外和可见光不同的特征，为信息的传输、物质材料的表征和操控提供了很大的自由空间。太赫兹波段位于电子学科和光子学科的交叉领域，相关研究可以促进这两个学科融合和发展。目前，对太赫兹的研究和开发还不够成熟，缺少高效的太赫兹源、太赫兹探测器和太赫兹调制器，因此被称为“太赫兹空白”。

2、发展高速、高响应率、可室温工作的太赫兹探测技术是实现太赫兹技术发展应用的关键，提高光与器件耦合能力和光电转化效率是太赫兹探测的突破口。目前的商用太赫兹探测器包括热释电太赫兹探测器，热辐射计和肖特基二极管。通常，热释电探测器的响应速度比较慢；肖特基二极管工作频率比较低，工艺复杂；热辐射计需要在低温工作条件。因此，通过改变场效应晶体管太赫兹探测器场的栅极材料来实现太赫兹探测成为太赫兹探测领域的热点，受到广泛关注。

3、铁电材料具有介电系数大、自发极化、逆压电效应强等特点，利用铁电材料的自发极化特性，可调控石墨烯的载流子浓度、迁移率，从而实现对石墨烯光电性能的调控。如今，太赫兹频率相关技术广泛应用于国土安全、质量检测、生物学、医学、光谱学、数据通信和成像等领域。因此，利用铁电材料cuinp2s6(cips)做顶栅来调控石墨烯的光电特性，仍然是最重要的一个技术挑战，是新一代光电科技技术的一个关键的优先任务。

技术实现思路

1、本发明提供了一种室温铁电调控下的石墨烯太赫兹探测器件的天线结构设计，制备方法和性能研究，通过构造具有蝶形的金属结构天线，利用铁电材料cuinp2s6(cips)做顶栅，显著增强了探测器的源漏电流，实现光电信号转换，实现了快速，高灵敏度室温太赫兹探测。

2、所述的探测器的结构为：所述探测器的结构为：在本征高阻硅衬底1上是二氧化硅层2，在二氧化硅层2上的有石墨烯3，在石墨烯3两端是源电极4和漏电极5，源电极4和漏电极5上面为二维铁电材料cuinp2s66，在二维铁电材料cuinp2s66上面为栅电极7。

3、所述的衬底1是本征高阻硅，其电阻率为10000ω.cm,厚度为500μm；覆盖在其上的是二氧化硅2，厚度为300nm；

4、所述的石墨烯3，厚度大约为4nm；

5、所述的源电极4和漏电极5为金属复合电极，下层金属为铬，作为粘附层，厚度是10nm，上层金属为金,厚度是90nm。

6、所述的二维铁电材料cuinp2s66，厚度大约为110nm；

7、所述的栅电极7为金属复合电极，下层金属为铬，作为粘附层，厚度是10nm，上层金属为金,厚度是90nm。

8、本发明的一种室温铁电调控下的石墨烯太赫兹探测器件的制备方法如下：通过热氧化法在本征高阻硅上制备氧化物层作为衬底；使用蓝胶带把石墨烯进行简单地机械剥离，就可以得到纳米厚级别的石墨烯；然后将石墨烯转移到衬底表面；采用紫外光刻技术，结合电子束蒸发及传统剥离工艺制备蝶形天线结构的源极和漏极；采用干法定点转移技术将机械剥离的cuinp2s6从聚二甲基硅氧烷(pdms)转移到高阻硅衬底上，再利用电子束曝光技术，结合电子束蒸发及传统剥离工艺制备蝶形天线结构的栅极；把器件贴到pcb底座上，引线，简单封装完成制备铁电调控下的石墨烯太赫兹探测器。

9、本发明专利优点：

10、1我们实验是基于石墨烯，石墨烯具有缺陷密度低、易大面积转移，载流子迁移率高等优异特性。

11、2石墨烯器件在零偏压时，可达到0.13a/w室温太赫兹光敏性,是优于很多同类二维材料，同时在40mv的偏置电压和2.12v的栅压下，器件响应率会增加到0.5a/w。

12、3一般的太赫兹探测器材料需要复杂的纳米制造工艺，并要求对有源沟道区域进行适当的封装。相对来说，我们的石墨烯器件具有结构简单的优势，具有出色的低成本效益。

13、4在栅压下，器件的性噪比得到改善，但响应时间几乎没变化，显示了石墨烯器件在太赫兹技术中的潜力。

14、5噪声等效功率低，太赫兹波段一般达到0.81nw/hz0.5；以成功实现室温太赫兹成像应用，我们使用了一个金属物品置于肉眼不可见信封中，通过0.3thz辐射下得到清晰的高对比成像图。

技术特征：

1.一种铁电调控下的石墨烯太赫兹探测器，其特征在于：

2.一种制备如权利要求1所述铁电调控下的石墨烯太赫兹探测器的方法，其特征在于方法如下：

技术总结
本发明公开了一种铁电调控下的石墨烯太赫兹探测器及制备方法。器件制备步骤是将机械剥离的石墨烯转移到本征高阻硅衬底上，利用紫外光刻技术和电子束蒸发制作源、漏电极，采用干法定点转移技术将机械剥离的CuInP<subgt;2</subgt;S<subgt;6</subgt;从聚二甲基硅氧烷(PDMS)转移到高阻硅衬底上，利用电子束曝光技术和电子束蒸发制作栅电极，并利用超声引线等工艺，制备出铁电调控下的石墨烯太赫兹探测器。通过构造具有蝶形的金属结构天线，在铁电材料的调控下，实现室温高灵敏的太赫兹宽谱吸收，从而显著增强了探测器的源漏电流，大幅提高了器件的信噪比和探测能力。基于铁电调控下的石墨烯太赫兹探测器在太赫兹波段体现了很高的灵敏度。本发明的优点是响应率高，响应快，功耗低和便于集成化。

技术研发人员：王林,王雪妍,姚晨禹,姜梦杰,陈效双
受保护的技术使用者：中国科学院上海技术物理研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12