[发明专利]一种室温拓扑绝缘体太赫兹探测器及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种拓扑绝缘体光电探测器件，具体指一种室温拓扑绝缘体太赫兹探测器及制备方法。

背景技术

太赫兹波(Terahertz,THz)辐射是指频率在0.1～10THz(波长30微米～3毫米)之间的电磁波，其长波段方向与毫米波(亚毫米波)相重合，短波段方向与红外线相重合，属于远红外波段。由于其位于远红外和微波相互交叉的波段，长期以来缺乏相应的方法对其进行产生和探测，从而形成THz空白(terahertz gap)。

太赫兹光子特点与应用：(a)量子能量和黑体温度很低；由于太赫兹波的光子能量很低，它穿透物质时，不易发生电离，因而可用来进行安全的无损检测。

(b)许多物质的大分子，如生物大分子的振动和旋转频率都在太赫兹波段，所以太赫兹波段表现出很强的吸收和谐振，许多爆炸物有太赫兹指纹特性，这使得它们能够从衣服中及与其他材料混在一起时被鉴别出来，如毒品的检测。(c)太赫兹波的时域频谱信噪比比较高，这使得太赫兹非常适用于成像应用。其辐射强度测量的信噪比可以大于10¹⁰，远高于傅立叶变换红外光谱技术，而且其稳定性更好。(d)太赫兹波对于许多物质都具有高透性，所以它在皮肤癌的诊断和治疗、DNA探测、太赫兹成像以及药物的分析和检测等方面都显示了其强大的功能和成效。

实现太赫兹技术应用与突破，其中一个关键技术就是太赫兹波探测，需要发展具备可控半导体材料与入射光场相互作用以增强太赫兹波光电响应能力的探测器件。但是，传统的依靠量子阱子带间跃迁的方法很难实现辐射探测目的，因为太赫兹的光子能量小于热扰动的能量，很容易达到饱和。目前，应用较多的商用太赫兹波探测器包括热辐射计，但是它需要在低温条件下进行工作，肖特基二极管的工作频率小于1太赫兹，热释电探测器的响应速度很慢，因此，需要探索新的半导体材料和新功能性的器件实现太赫兹探测。而拓扑绝缘体具有丰富的表面态物理，为新型的太赫兹光电功能转换器件的研究提供了良好的平台。

发明内容

本发明提出一种室温拓扑绝缘体太赫兹探测器及制备方法，实现了拓扑绝缘体场效应结构在室温太赫兹探测领域的应用。

上述发明将拓扑绝缘体引入太赫兹探测结构，该探测器结构基于场效应晶体管，在室温下利用拓扑绝缘体表面态的电子在太赫兹场的作用下与表面晶格发声不对称性散射，从而产生光伏信号，实现对太赫兹辐射的探测。

本发明指一种室温拓扑绝缘体太赫兹探测器及制备方法，其特征在于，器件结构自下而上依次为：衬底1、氧化层2、拓扑绝缘体3、在拓扑绝缘体上层是对数周期天线4、金属源极5、金属漏极6。

其中衬底1为低掺杂的Si衬底；厚度为0.3-0.5毫米；

其中氧化物层2为SiO₂，厚度300±10纳米；

其中拓扑绝缘体3为硒化铋薄膜。沟道长度从2微米到6微米，厚度从10纳米到60纳米；

其中对数周期天线4外径4毫米，角度为50⁰，下层Cr的厚度为5-15纳米，上层Au的厚度为60-80纳米。

其中金属源极5和金属漏极6为Cr和Au电极，下层Cr的厚度为5-15纳米，上层Au的厚度为60-80纳米。

本发明指一种室温拓扑绝缘体太赫兹探测器及制备方法，其特征在于器件制备包括以下步骤：

1)通过热氧化法在衬底1上制备氧化物层2；

2)通过机械剥离方法将硒化铋薄膜3转移至氧化物层2的表面；

3)采用紫外光刻技术或者电子束曝光技术，结合热蒸发及传统剥离工艺在制备对数周期天线4金属源极5和金属漏极6，形成硒化铋薄膜半导体场效应结构器件，电极为铬、金，厚度分别为5-15纳米，60-80纳米。

用太赫兹辐射照射到器件上，由于拓扑绝缘体表面晶格对称性破缺，使得表面态的电子与晶格发声不对称性的散射，从而产生光伏信号，实现对太赫兹辐射快速，高响应的探测，在源极和漏极之间加上偏压，可实现对太赫兹辐射幅度的动态调控。

本发明专利的优点在于：

1)、使用低掺杂的硅作为衬底，大大地减少高掺杂的硅表面覆盖二氧化硅衬底对太赫兹的反射，提高了硒化铋薄膜吸收率，提高器件的太赫兹响应，更便于其光电响应的的测试。

2)、采用硒化铋薄膜作为导电沟道，利用硒化铋的表面态晶格的不对称性破缺对太赫兹的散射作用，实现高频、高速、高灵敏度的太赫兹探测。

3)、集成了对数周期天线结构和引线电极欧姆接触，实现强的光场耦合能力，提高器件的集成度和小型化，为实现太赫兹探测器大规模应用奠定基础。