[发明专利]栅控石墨烯纳米带阵列THz探测器及调谐方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种太赫兹探测器，更具体的说，本发明涉及一种栅控石墨烯纳米带阵列THz探测器及调谐方法。

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，带宽相对较窄，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，但其响应带宽窄，受限于太赫兹光谱系统应用。

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。

能否利用石墨烯的优良特性，解决现有微型THz探测器的不足，满足太赫兹波的高灵敏、高速、室温、宽带探测目的，是本发明的初衷。

发明内容

本发明在于提供一种利用石墨烯能隙可调特性进行高速、高敏的室温光子型宽带THz探测器新结构，提出栅控石墨烯纳米带阵列的室温THz探测器。通过栅压扫描，动态调控不同宽度的双层石墨烯纳米带能隙，实现太赫兹波段的同步分段扫描，从而达到太赫兹波的高灵敏、高速、室温、宽带探测目的，该技术可以克服现有光子型探测技术在响应带宽和工作温度等方面存在的不足，可满足太赫兹成像或光谱系统对探测器的高要求。

本发明的技术方案如下：

栅控石墨烯纳米带阵列太赫兹探测器，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双层石墨烯纳米带阵列、源漏电极、绝缘层、顶栅极、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，悬空在衬底上，并连通两端的源漏电极，所述顶栅极分为分别靠近源电极和漏电极的两条以及中间的一条；所述驱动电路按照事先计算好的电压施加在底栅极和中间顶栅极上，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；所述驱动电路在靠近源电极的顶栅极上加负压，在靠近漏电极的顶栅极上加正压，通过测量源漏间电流变化探测信号。

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，减少载流子运输中的损耗。

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，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，提高光能利用率。

1、本发明还提供一种栅控石墨烯纳米带阵列室温太赫兹探测器的带宽扩展方法，其特征在于：根据石墨烯纳米侧向限制与垂直电场可以调控石墨烯能隙实现THz探测的原理，构建以不同宽度(10-100nm)的栅控纳米带构成的阵列，通过改变栅压，可实现太赫兹波的同步分段扫描，再进行数据重构，得到整个太赫兹波段的响应信号，形成可调谐的宽度太赫兹探测器。

本发明具有如下优点：

1.本发明利用石墨烯材料具有高载流子迁移率、电子无散射传输的光电特性，提出的新型THz探测器采用了双层石墨烯材料和p-i-n光电探测结构，具有灵敏度高、响应快、可在室温下工作的优点。

2.本发明利用石墨烯能隙可调的优点，利用侧向限制与垂直电场双重调控石墨烯的能隙实现THz探测，通过构建不同宽度的栅控双层石墨烯纳米带阵列，改变栅压，实现太赫兹波的分段同步扫描，进行带宽拓展，具有探测带宽大，调节灵活、扫描电压低的优点。