[发明专利]一种硅光栅增强的石墨烯场效应管太赫兹探测器及其制备工艺

说明书

本发明公开了一种硅光栅增强的石墨烯场效应管太赫兹探测器及其制备工艺。该探测器包括栅电极、硅基底、栅极介电层、单层石墨烯、源极、漏极。该探测器通过硅光栅对入射太赫兹波的衍射作用激发石墨烯表面等离激元，利用石墨烯等离子体增强效应在源极和漏极之间产生电压差，从而完成光电探测。并且可以通过改变栅极电压，调节石墨烯载流子浓度实现调控耦合太赫兹波的强度和共振频率。该探测器相应的制备工艺简单、操作容易、室温下工作、响应速度快、灵敏度高，可以解决太赫兹探测的重大需求。

技术领域

本发明属于材料科学，光电子器件，半导体器件及微纳加工制造领域，具体涉及一种硅光栅增强的石墨烯场效应管太赫兹探测器及其制备工艺。

背景技术

太赫兹波是周期在0.1THz-10THz的电磁波，被人们称为太赫兹间隙。由于其特殊的光学和电学性质，太赫兹在军事侦察、医疗检测、人体安检安防、大气测量、无损检测、火灾检测等领域具有广阔的应用前景。传统的太赫兹探测器如高莱探测器、测辐射热探测器和热释电探测器虽然可以进行宽光谱的探测，但是其灵敏度不高。基于传统铟镓砷(InGaAs)、碲化铅(PbTe)等传统材料的太赫兹探测器结构尺寸大，制备复杂，探测成本高并且需要冷却，极大的限制了其应用范围。

因此，为了满足室温下高性能太赫兹探测的需求，研究并制备一种室温下灵敏度高、响应速度快、探测率高的太赫兹探测器十分迫切。

发明内容

本发明的目的在于针对当前太赫兹探测的重大需求，提供了一种硅光栅增强的石墨烯场效应管太赫兹探测器及其制备工艺，以满足当前对太赫兹探测器的重大需求。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案予以实现：

一种硅光栅增强的石墨烯场效应管太赫兹探测器，包括栅电极(1)、硅基底(2)、栅极介电层(3)、单层石墨烯(4)、源极(5)和漏极(6)；其中，

栅电极(1)设置在硅基底(2)下；硅基底(2)采用P型重掺杂硅片；栅极介电层(3)设置在硅基底(2)上，氧化铝和硅光栅基底界面具有良好的稳定性；单层石墨烯(4)位于栅极介电层(3)的表面，为导电沟道；源极(5)和漏极(6)位于单层石墨烯(4)的两侧，与石墨烯形成欧姆接触。

本发明进一步的改进在于，栅电极(1)采用10nm-20nm金属Cr作为过渡层和50nm-100nm金属Au作为电极，硅基底(2)为P型掺杂硅，栅极介电层(3)采用氧化铝，源极(5)和漏极(6)材料采用10nm-20nm金属Ni为过渡层和50nm-100nm金属Au作为电极。

本发明进一步的改进在于，通过刻蚀硅基底(2)形成硅光栅基底对入射太赫兹波进行耦合并激发石墨烯等离激元，产生石墨烯等离子体共振效应，在源极(5)和漏极(6)之间产生一个周期性变化的电压差，从而完成太赫兹波的探测。

本发明进一步的改进在于，通过改变栅电极(1)的电压V_g改变石墨烯载流子浓度，进而改变费米能级，改变石墨烯等离激元强度和与太赫兹波的共振频率。

本发明进一步的改进在于，通过改变刻蚀硅基底(2)上光栅结构的周期，能够制备针对某一波段的太赫兹探测器。

一种硅光栅增强的石墨烯场效应管太赫兹探测器的制备工艺，包括以下步骤：

1)在硅基底上蒸镀栅电极；

2)通过紫外光刻技术，让光栅结构显现在步骤1)的硅基底非电极面上；

3)通过ICP刻蚀技术，在步骤2)的硅基底上刻蚀出光栅结构；

4)在步骤3)的硅基底光栅结构面制备栅介电层；

5)转移石墨烯到步骤4)的光栅结构面上；

6)在步骤5)的石墨烯两端制备源极和漏极，得到一个硅光栅增强的石墨烯场效应管太赫兹探测器。