[发明专利]一种在红外及太赫兹宽频带的探测器及其制备方法

说明书

本发明公开了一种在红外及太赫兹宽频带的探测器，所述探测器包括衬底、石墨烯异质结沟道层、源极金属天线电极层、漏极金属电极层、栅极绝缘层和栅极金属天线电极层；其中，所述石墨烯异质结沟道层于所述衬底上，所述栅极绝缘层覆盖在所述石墨烯异质结沟道层之上，部分或全部所述源极金属天线电极层和漏极金属电极层覆盖在所述石墨烯异质结沟道层两端，所述栅极金属天线电极层引出线形成在部分所述栅极绝缘层上。本发明还公开了上述探测器的制备方法。本发明结合了特殊的天线设计以及使用了电学特性优异的石墨烯和二维材料形成的异质结，提高探测器对红外及太赫兹辐射的吸收率。

技术领域

本发明属于太赫兹技术领域，具体涉及一种在红外及太赫兹宽频带的探测器及其制备方法。

背景技术

太赫兹(THz)波是介于微波与红外之间，频段为0.1THz-10THz的电磁波。20世纪末以来，由于飞秒激光、光电导开关和光整流等技术的发展，太赫兹技术及其应用得到迅速发展。其中，固态电子学太赫兹源、探测器以及电真空太赫兹器件取得了重要突破，太赫兹电子学蓬勃发展，进一步推动了太赫兹技术的实际应用。随着太赫兹技术应用的广泛开展,对太赫兹波探测器的响应时间、灵敏度、带宽、信噪比和工作环境等性能也提出了越来越高的要求。受限于太赫兹辐射源的低输出功率和太赫兹频率范围内较高的热辐射背景噪声等因素,在不同适用环境和工作范围内各种太赫兹探测器相互补充。目前，随着国内外对太赫兹探测器更进一步的研究,不断提出新型的探测器结构，或者改进已有的探测器，性能不断提高。太赫兹探测也从实验室走向广泛的实际应用，如天文、医疗、环境检测、军事等领域。

太赫兹探测是太赫兹应用中的关键技术，它可以分为相干探测和非相干探测两大类。相干探测技术通过非线性器件把太赫兹信号变换到易于探测的低频信号来处理，例如光电导天线采样法；非相干探测则是通过把太赫兹信号转化为直流电流或电压信号来探测，例如场效应晶体管探测器等。1996年，国外科学家研究表明：场效应晶体管(FET)中的等离子体非线性可以实现对太赫兹波的探测。目前常用的太赫兹探测器主要有戈莱盒探测器、热释电探测器、测辐射热计探测器、肖特基二极管以及场效应晶体管探测器等，但它们的性能依然存在一些缺点，比如：响应时间慢、灵敏度低、带宽窄、信噪比低和工作环境苛刻等。

目前，常用的太赫兹探测器无论是响应时间、灵敏度、带宽、噪声和工作环境等方面均存在一些缺点，迫切需要新结构、新工艺、新材料和新的探测方法来提高探测器的性能，如：快的响应时间、高灵敏度、宽带宽、低信噪比和室温工作环境等。石墨烯是一种电学特性优异的二维材料，它具有很高的室温载流子迁移率(2×10⁵cm²/V·s，是硅的100倍)和可调节的零带隙结构。利用石墨烯制造场效应晶体管作为太赫兹探测器，可以同时实现高速、宽频带太赫兹探测器，具有极大的应用前景。但由于石墨烯对太赫兹辐射的吸收很低，只有2.3％，这极大的限制了石墨烯场效应晶体管太赫兹探测器的性能，所以迫切需要提高该器件对太赫兹辐射的吸收率。也有研究实现了三维石墨烯场效应晶体管，以此来增加石墨烯的面积增加对太赫兹吸收，提高响应。本发明使用掺杂的石墨烯材料与硒化锡通过二维材料转移平台形成异质结制作探测器，结合设计的特殊结构天线和超半球透镜等辅助来提高探测器的性能，如：增加太赫兹波的吸收、提高探测器的灵敏度、降低信噪比等。本发明详细介绍了设计过程和制造方法。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种在红外及太赫兹宽频带的探测器及其制备方法，解决了石墨烯对太赫兹辐射吸收率低的问题，能够提高探测器对红外及太赫兹辐射的吸收率，进而达到快的响应时间、高灵敏度、宽带宽、低信噪比和室温工作环境的探测器。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：