[实用新型]一种基于石墨烯量子点的THz单光子探测器

说明书

技术领域

本实用新型涉及纳米电子器件技术领域，特别涉及一种基于石墨烯单量子点或串联石墨烯双量子点与纳米条带石墨烯静电计相耦合的THz单光子探测器及其制备方法。

背景技术

太赫兹波是频率为0.3~30 THz（波长约10 μm~1 mm，光子能量约1.2~120 meV）的电磁波，它处于红外波与毫米波之间，是电磁波谱中一个重要的波段。太赫兹波段有大量有机分子转动和振动跃迁，半导体材料声子振动能级也在该频段范围内，可用于物质指纹识别和结构表征；该波段的光子能量低，不会破坏被检测物质，对人体及生物组织有着很高的安全性，可用于安全检查。单光子探测器是一种超低噪声器件，其极高的灵敏度使得它能够探测到光的最小能量级别——光子，并实现对光子的计数，获得发光物质关联特性的检测。利用单光子探测技术，可极大的提高光谱测量的灵敏度和精确性，实现对微量物质成分的光谱分析。发展太赫兹单光子探测器，有利于实现该波段的物质成分光谱分析，在生物光子学、医学影像、非破坏性材料检查、量子成像和天文观测等领域都有着广泛的应用前景。在军事上，太赫兹和中远红外波段单光子高灵敏探测也具有重大应用价值，能为超高速武器探测提供手段，为提高现有光电探测设备的军事视觉能力、倍增武器系统战斗力进行技术积累与储备。

1993年，M.Dyakono和M.Shur最早从理论上提出将场效应晶体管用于太赫兹探测。为了将场效应晶体管做成一个太赫兹探测器，需要集成一个天线结构将电磁波耦合到通道的等离子体波。通常，器件被设计成源极与天线连接，而漏极是一个开放电路。当电磁波入射器件时，源极一侧通道将产生一个交流电压，它会激发出等离子体波。场效应晶体管的通道被当成等离子体波的谐振器，会形成源极和漏极之间的与辐射功率成正比的直流电压或电流。一开始，具有场效应晶体管结构的太赫兹或亚太赫兹辐射探测器通常是基于III-V族材料的，然而，采用III-V族材料不能和Si半导体工业兼容，所以后来人们发展了硅MOSFET太赫兹和亚太赫兹探测器。值得注意的是，没有商业太赫兹探测器可以在整个太赫兹频率范围内，产生、探测或者操控电磁波。石墨烯的独特性能，比如超高载流子迁移率和零带隙能带结构，使得它成为在整个太赫兹区间制作探测器和调制器的很有前途的一种材料。因此，在2008年石墨烯被隆重推出之后，出现了大量基于石墨烯场效应管进行太赫兹探测的研究。

1994年，Kouwenhoven等人利用电子束光刻和金属蒸发技术，在GaAs/AlGaAs异质结中的二维电子气上制备出平面金属栅，通过在金属栅上加负电压，形成耗尽势垒横向限制的量子点单电子晶体管，进而在100 mK的低温条件下探测到17~36 GHz的高频微波信号引起的光电流响应。因此，除了场效应管，我们还可以考虑另一种完全不同的太赫兹探测器件结构和探测机制，那就是量子点单电子晶体管和量子点光子辅助隧穿。量子点是一种制备单电子态的通用人工系统，可以用于填充电子或者空穴。量子点的电学性质受到两个效应的影响：（1）量子点上电荷间的静电排斥引起库仑阻塞效应；（2）量子点的尺寸效应形成离散能级影响其电子动力学特性。不同于场效应晶体管的结构，利用单电子晶体管可以实现更低工作频率和更高灵敏度的太赫兹单光子探测，这也一直是研究的热点和难点。