[发明专利]基于光波导的石墨烯纳米带阵列太赫兹传感器

说明书

技术领域

本发明涉及一种太赫兹传感器，更具体的说，本发明涉及一种基于光波导的石墨烯太赫兹传感器。

技术背景

相对于微波和光波，太赫兹波具有光子能量低，时间和空间相干性高、穿透性强等特点。近年来，反恐防恐、安检、缉毒以及现场无损检测等领域对便携式太赫兹成像/光谱系统需求日益迫切。太赫兹系统和装备的微小型化对其核心元器件THz源及THz探测器提出了微型化、室温工作等要求。

目前常用的THz探测技术可分为相干探测技术与直接探测技术。相对于昂贵复杂的相干探测技术，直接探测技术是将被测信号直接转换为电信号，无需本地振荡器，系统更加简单，有利于器件的集成与微型化。按其原理大致可分为三类：热原理THz探测器可实现宽带探测，但需在低温环境下才能实现较高的响应速度和灵敏度，实现低温环境需要的附属装置大，探测器组件难以微小型化；等离子体场效应管THz探测器响应速度快、灵敏度高，但需引入天线耦合太赫兹信号、只适用于低频段THz，在太赫兹光谱系统中应用受限；光子型THz探测器可实现高频THz波的探测，具有响应速度快、灵敏度高、结构简单等优点，日益受到重视，尤其是基于量子阱和基于石墨烯的THz探测器发展迅猛。

现有基于量子阱的THz探测器仍然存在一些问题，如量子阱子带间跃迁量子效率低，载流子的热噪声对器件的探测率影响很大，因此需要在低温下工作。而石墨烯材料具有高载流子迁移率、电子无散射传输以及能隙可调的光电特性，为高性能新型直接THz探测器研制开辟新的技术途径。但现有工艺在制作大面积性能稳定的石墨烯材料上还有诸多问题，导致石墨烯THz探测器有效光敏面很小，对信号的光能利用率较小，限制了其向实用化发展。

能否解决现有微型石墨烯THz探测器的不足，满足在太赫兹光波段的高光能利用率、高灵敏、高速、室温探测目的，是本发明的初衷。

发明内容

本发明利用光波导收集、传输、汇聚光和石墨烯纳米带材料高载流子迁移率、电子无散射传输、能隙可调的优良特性，提出基于光波导的石墨烯纳米带阵列太赫兹传感器。通过大面积布置的光波导收集光信号，传输并汇聚到形成p-i-n形式的小面积石墨烯纳米带阵列上，从而达到太赫兹波的高光能利用率、高灵敏、高速、室温、宽带探测目的，该技术可以克服现有微型石墨烯THz探测器在光能利用率较低的不足，可满足太赫兹系统和装备的微小型化对THz探测器提出的微型化、室温工作等要求。

本发明的技术方案如下：

基于光波导的石墨烯纳米带阵列太赫兹传感器，其特征在于：包括底栅极和低阻硅衬底以及设置于衬底上的下绝缘层、石墨烯纳米带阵列、源漏电极、上绝缘层、顶栅极、光波导结构、入射耦合光栅、出射耦合光栅和驱动电路；所述石墨烯纳米带阵列由多个纳米带间隔排列组成，联通两端的源漏电极，所述顶栅极分为分别靠近源电极和漏电极的两条，所述光波导结构上部的入射耦合光栅布置在电极周围，光波导结构下部的出射耦合光栅布置于石墨烯纳米带阵列之上,所述驱动电路按照事先计算好的电压施加在源漏电极、顶栅极、底栅极上，通过测量源漏间电流变化探测信号。这样，通过在光敏面较小的石墨烯纳米带阵列周围大面积布置光波导结构，大量的THz信号光通过入射耦合光栅收集、传输到石墨烯纳米带阵列上方，并通过出射耦合光栅汇聚到石墨烯纳米带阵列上，达到提高器件整体光能利用率的目的。

其中，所述石墨烯纳米带阵列中纳米带长度小于石墨烯中载流子复合时间内的传输距离，以提高光电转化效率，减少载流子输运中的损耗。

所述驱动电路在靠近源电极的顶栅极和底栅极之间加负压，在靠近漏电极的顶栅极和底栅极之间加正压，电压大小满足石墨烯电掺杂的浓度要求，以在石墨烯纳米带p-i-n探测器的相应区域内形成p区和n区。

所述驱动电路按照事先计算好的反向偏压施加源漏电极上，以展宽石墨烯纳米带p-i-n探测器的空间电荷区，提高吸收率。

在本发明实施例中，顶栅所用导电材料在THz波段是透明的。这样可以让更多的THz光信号被石墨烯纳米带接收。

进一步，石墨烯纳米带可以是单层或多层的。多层纳米带可以提高吸收率。

另外，光波导结构上部入射耦合光栅的参数、光波导结构下部出射耦合光栅的参数与石墨烯纳米带的宽度都按特定波长的太赫兹光波最佳吸收效率设计，以提高光能利用率，减少光电转换过程中的损耗。

本发明具有如下优点：