[发明专利]基于碲化铋-石墨烯异质结的太赫兹探测器及其制备方法

说明书

一种基于碲化铋‑石墨烯异质结的太赫兹波探测器及其制备方法，属于太赫兹波探测器件技术领域。所述探测器包括半导体衬底，形成于半导体衬底之上的绝缘层，形成于绝缘层之上的由石墨烯和碲化铋层组成的异质结，位于异质结两端的源极和漏极，以及形成于半导体衬底背面的栅极。本发明采用石墨烯和碲化铋纳米片组成的异质结作为场效应管沟道，有效解决了单层石墨烯在太赫兹频段光吸收率低的问题，吸收率相较于单层石墨烯提高了20％以上；采用背栅以及先形成源极和漏极的方法，有效保证了石墨烯‑碲化铋异质结的完整性，提高了太赫兹探测器的性能。

技术领域

本发明属于太赫兹波探测器件技术领域，具体涉及一种基于碲化铋-石墨烯异质结的太赫兹波探测器及其制备方法。

背景技术

太赫兹波(THz)是频率为0.3THz-30THz的电磁波，位于红外波与毫米波之间。与其他波段的电磁波相比，太赫兹具有相干、低能、穿透力强等优异性能，在物理、化学、天文学、生命科学和医药科学等基础研究领域有重要的应用前景。而目前商用的太赫兹波探测器或是灵敏度低、等效噪声功率高，或是反应速度慢、探测频段范围窄，或是体积大、成本造价高。

太赫兹波探测在太赫兹应用领域中占有极其重要的地位。一些典型的太赫兹探测器包括基于热电效应的微测辐射热计、热释放探测器、等离子体波探测器、肖特基二极管以及量子阱探测器。其中基于热电效应的微测辐射热计及热释放探测器可以探测一定范围的太赫兹波，但却存在探测率低、响应速率慢、响应率低等系列问题；而基于光电效应的量子阱探测器需要复杂的制冷装置以保持低温工作；等离子波探测器是一种连续可调探测器，受激发的等离子波可与太赫兹波发生共振产生光电流从而探测太赫兹辐射。1996年，Dyakonov和Shur等(Plasma wave electronics:novel terahertz devices using twodimensional electron fluid)提出基于场效应晶体管的等离子波在沟道中被激发实现太赫兹波探测，在太赫兹波的辐射激发下，器件的沟道会产生一个由直流压降导致的光响应。

石墨烯是由单层碳原子精密堆积成二维蜂窝状晶格结构的碳质材料，其具有优异的机械、电学及光学性能。自2004年Novoselov和Geim团队用机械剥离法制备出室温存在的单层石墨烯以来，其已逐渐成为研究的热点。由于石墨烯很高的室温载流子迁移率及特殊的零禁带宽度结构，构建基于单层石墨烯场效应管作为太赫兹探测器，可以实现高速、宽频带太赫兹探测器，具有极大的应用前景。然而，石墨烯对太赫兹的吸收率低(通常为5％以下)，这一问题极大的限制了石墨烯场效应管太赫兹探测器的性能，因此迫切需要提高该器件结构对太赫兹的吸收率。

发明内容

本发明的目的在于，针对背景技术存在的缺陷，提出一种结构简单、成本低廉的基于碲化铋-石墨烯异质结的太赫兹波探测器及其制备方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

基于碲化铋-石墨烯异质结的太赫兹波探测器，其特征在于，包括半导体衬底4，形成于半导体衬底4之上的绝缘层5，形成于绝缘层5之上的由石墨烯2和碲化铋层1组成的异质结，位于异质结两端的源极6和漏极7，以及形成于半导体衬底背面的栅极3。

进一步地，所述石墨烯2和碲化铋层1界面接触，石墨烯2与源极6、漏极7欧姆接触。

进一步地，所述半导体衬底4为低电阻率的半导体衬底，具体为硅衬底、锗衬底或砷化镓衬底等。

进一步地，所述绝缘层5为二氧化硅、氧化铪、氮化硅或有机介质等，其厚度为10～300nm。

进一步地，所述石墨烯2和碲化铋层1组成的异质结的厚度为2～35nm。

进一步地，所述石墨烯2的厚度为1～5nm，可以为单层石墨烯或多层石墨烯；所述碲化铋层1的厚度为1～30nm。