[发明专利]室温周期对数天线集成的碲化镍太赫兹探测器及制备方法

说明书

本发明公开了一种室温周期对数天线集成的碲化镍太赫兹探测器及制备`方法。器件制备步骤是将机械剥离的碲化镍转移到本征高阻硅衬底上，利用紫外光刻技术制作源、漏电极，并利用电子束蒸发和超声引线等工艺，制备成具有周期对数天线结构的碲化镍探测器。通过构造具有周期对数的金属结构天线，诱导表面等离子体共振，将太赫兹入射光子耦合到碲化镍表面，增强入射电磁波与材料的相互作用，实现室温高灵敏的太赫兹宽谱吸收，从而显著增强了探测器的源漏电流，大幅提高了器件的信噪比和探测能力。基于碲化镍的探测器在太赫兹波段体现了很高的灵敏度。本发明的优点是响应率高，响应快，功耗低和便于集成化。

技术领域

本发明涉及周期对数天线结构的碲化镍太赫兹探测器件的天线结构设计，制备方法和性能研究，具体是指利用碲化镍的高迁移率的特性，通过构造具有周期对数的金属结构天线，诱导表面等离子体共振，将长波入射光子耦合到半金属材料碲化镍的表面，增强入射电磁波与材料的相互作用，增强室温高灵敏的太赫兹宽谱吸收，从而显著增强了探测器的源漏电流，实现光电信号转换，大幅提高了器件在太赫兹波段的探测灵敏度和信噪比。

背景技术

太赫兹波是频率范围介于0.1THz到10THz内的电磁波，其波长对应于3mm到30μm，光子对应能量的特征值在毫电子伏特级别。该能量范围与分子的振动能和转动能相匹配，远小于一般半导体的能隙，在传播、散射和吸收等方面表现出与微波、红外和可见光不同的特征，为信息的传输、物质材料的表征和操控提供了很大的自由空间。太赫兹波段位于电子学科和光子学科的交叉领域，相关研究可以促进这两个学科融合和发展。目前，对太赫兹的研究和开发还不够成熟，缺少高效的太赫兹源、太赫兹探测器和太赫兹调制器，因此被称为“太赫兹空白”。

发展高速、高响应率、可室温工作的太赫兹探测技术是实现太赫兹技术发展应用的关键，提高光与器件耦合能力和光电转化效率是太赫兹探测的突破口。目前的商用太赫兹探测器包括热释电太赫兹探测器，热辐射计和肖特基二极管。通常，热释电探测器的响应速度比较慢；肖特基二极管工作频率比较低，工艺复杂；热辐射计需要在低温工作条件。另外，量子阱太赫兹探测器很容易受到热扰动的影响；场效应晶体管太赫兹探测器的量子效率还比较低。因此，开发新的材料和探索新的原理来实现太赫兹探测成为太赫兹探测领域的热点，受到广泛关注。

拓扑狄拉克金属材料的出现为发现新的准粒子提供了一个理想的实验系统，而这些准粒子在高能物理中往往是难以捉摸的，他们可能会有手性相关的输运特性和非线性光学现象，而且这些性质会依赖于时间或空间反转对称性的破缺。这类材料是否会在实际技术应用中表现出新颖的特性，甚至是增强的特性还没有被得到证实。迄今为止，对于第二类狄拉克半金属材料的非线性光学响应主要集中在可见光和红外波长波段。如今，太赫兹频率相关技术广泛应用于国土安全、质量检测、生物学、医学、光谱学、数据通信和成像等领域。因此，确定第二类的狄拉克半金属材料是否可以有效吸收太赫兹频率的电磁场能量，仍然是最重要的一个技术挑战，是新一代光电科技技术的一个关键的优先任务。

发明内容

本发明提供了一种室温周期对数天线集成碲化镍太赫兹探测器的天线结构设计，制备方法和性能研究。该探测器利用独特的周期对数天线结构，可诱导表面等离子体共振，将长波入射光子耦合到碲化镍的表面，增强入射电磁波与材料的相互作用，实现室温高灵敏的太赫兹宽谱吸收，从而显著增强了探测器的源漏电流，实现光电信号转换，实现了快速，高灵敏度室温太赫兹探测。

所述的探测器的结构为：所述探测器的结构为：在本征高阻硅衬底1上是二氧化硅层2，在二氧化硅层2上的有碲化镍3，在碲化镍3两端是源电极4和漏电极5，其结构由22个对称振子组成，所有振子以及振子之间的距离都有确定的比例关系，其比例因子为0.7,顶角为45°。左右两侧以同心圆圆心为对称中心形成中心对称，同心圆最大半径为1mm，左右两边各有11个不同大小的圆环。由同心圆两边缘引出两电极用于连接电路。

所述的衬底1是本征高阻硅，其电阻率为10000Ω·cm,厚度为500μm；覆盖在其上的是二氧化硅2，厚度为300nm；