一种室温高频太赫兹波探测器及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种室温高频太赫兹波探测器及其制备方法，属于太赫兹波探测研究技术领域。包括高载流子迁移二维材料、场效应晶体管和太赫兹天线，场效应晶体管具有源电极、栅电极和漏电极，源电极、栅电极和漏电极集成于带有介质层的衬底上，太赫兹天线与场效应晶体管的三个电极相连；高载流子迁移二维材料上下表面分别包覆二维层状介电材料，与漏电极连接的和与源电极连接的太赫兹天线端与高载流子迁移二维材料欧姆接触，与栅电极连接的太赫兹天线端通过二维层状介电材料与高载流子迁移率二维材料为肖特基接触。本申请有效耦合高频太赫兹波，避免高载流子迁移率二维材料制备时引起的载流子迁移率降低的问题，实现对高频太赫兹波有效探测。

A high frequency terahertz wave detector at room temperature and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种室温高频太赫兹波探测器及其制备方法
本专利技术涉及一种室温高频太赫兹波探测器及其制备方法，属于太赫兹波探测研究

技术介绍
太赫兹(Terahertz)辐射通常指的是波长在30μm～3mm(0.1THz～10THz)，介于毫米波与红外波之间的电磁波，处于电学向光子学、宏观经典理论向微观量子理论的过渡区域。太赫兹波具有频率高、脉冲时间短(皮秒量级)的特点，因而具有很高的空间分辨率和时间分辨率，被广泛应用到太赫兹成像及太赫兹波谱技术之中。此外，由于其特殊的性质，如高透射性、低能量性、指纹特性以及高频高带宽特性等，使其在无损探伤、安全检测、医学成像、近场显微、空间成像、环境检测以及信息通信等领域具有重要应用。这些都涉及到高性能太赫兹探测器的开发与应用。1993年，Dyakonov和Shur从理论上预言了高电子迁移率晶体管(HEMT)能用于太赫兹波探测(M.DyakonovandM.S.Shur，Phys.Rev.Lett.Vol71，p2465(1993))。为实现室温、高速、高灵敏度的太赫兹探测提供了可能。基于此原理，近年来，利用石墨烯、黑磷、拓扑绝缘体等高迁移率二维材料制备的室温太赫兹探测器相继被报道。而目前报道的太赫兹探测器主要集中在0.1-1THz频率范围，缺少对2-5THz高频段太赫兹波的有效探测。而高频太赫兹波较低频波段频率高、波长短，其成像分辨率更高，可以无障碍透视衣物、墙体等进行内部扫描，在军事反恐以及太赫兹成像等领域有着不可替代的优势。现阶段设计使用的主流太赫兹天线结构集中在0.1-1THz频段(蝶形天线、对数周期圆齿天线等)，缺少2-5THz高频段的太赫兹天线结构的设计，无法有效耦合高频太赫兹波段。由制备工艺引入的界面问题和散射中心，导致用于太赫兹探测的高迁移率二维材料的载流子迁移率大大降低，无法有效利用其高迁移率特性，从而无法实现高灵敏度、高频太赫兹探测。因此，亟需一种制备室温高频太赫兹波探测器的方法，实现对高频(2-5THz)太赫兹波的有效探测。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是针对上述现有技术提供一种室温高频太赫兹波探测器及其制备方法，有效耦合高频太赫兹波，避免高载流子迁移率二维材料制备时引起的载流子迁移率降低的问题，实现对高频太赫兹波的有效探测。本专利技术解决上述问题所采用的技术方案为：一种室温高频太赫兹波探测器，包括高载流子迁移二维材料、高载流子迁移率场效应晶体管和高频的太赫兹天线，所述高载流子迁移率场效应晶体管具有三个电极：源电极、栅电极和漏电极，所述源电极、栅电极和漏电极分别集成于带有介质层的衬底上，所述高频的太赫兹天线与高载流子迁移率场效应晶体管的三个电极相连，实现高载流子迁移率场效应晶体管与高频的太赫兹天线集成设置；所述高载流子迁移二维材料上下表面分别包覆二维层状介电材料，与所述漏电极连接的太赫兹天线端与高载流子迁移二维材料形成欧姆接触，与所述源电极连接的太赫兹天线端与高载流子迁移二维材料形成欧姆接触，与所述栅电极连接的太赫兹天线端通过二维层状介电材料与高迁移率二维材料形成肖特基接触。所述高载流子迁移率二维材料为石墨烯、黑磷、Te、ZrGeSe和ZrGeTe中任意一种；所述二维层介电材料为h-BN和h-Y2O3中任意一种。与所述源电极连接的太赫兹天线端和与漏电极连接的太赫兹天线端为非对称结构。与所述源电极连接的太赫兹天线端和与所述栅电极连接的太赫兹天线端均分别具有横向天线和竖向天线，所述竖向天线设于横向天线上，所述竖向天线与电极连接，所述横向天线一端设有引线电极，与所述源电极连接的太赫兹天线端通过引线电极与所述高载流子迁移二维材料连接，与所述栅电极连接的太赫兹天线端通过引线电极与上面的所述二维层状介电材料连接。与所述漏电极连接的太赫兹天线端具有竖向天线，所述竖向天线端与所述高载流子迁移二维材料连接。所述横向天线的长度为18－20μm，宽度为1－1.5μm，所述引线电极的长度为2－4μm；宽度为0.1－0.3μm。所述竖向天线长度为10－12μm，宽度为1－1.5μm。一种室温高频太赫兹波探测器的方法，包括如下步骤：步骤一：将衬底依次用丙酮、异丙醇和去离子水超声清洗，并吹干备用；步骤二：使用热氧化法在备用的衬底表面生长介质层；步骤三：在步骤二完成的衬底上制备标记源电极、漏电极、栅电级；步骤四：利用机械剥离法在步骤三所述衬底上转移下层的二维层状介电材料；步骤五：利用干法转移，将高载流子迁移二维材料转移到下层的二维层状介电材料上，保证界面洁净和良好接触，两者形成范德华异质结构；步骤六：制备与源电极连接的太赫兹天线端和与漏电极连接的太赫兹天线端，同时制备引线电极将与源电极连接的太赫兹天线端与高载流子迁移二维材料连接；步骤七：利用干法转移，将上层的二维层状介电材料无损转移到步骤五中的高载流子迁移二维材料上表面，两者形成范德华异质结构，实现上层的二维层状介电材料和下层的二维层状介电材料完全包覆高载流子迁移二维材料；步骤八：制备与栅电极连接的太赫兹波天线端，同时制备引线电极将其与上层的二维层状介电材料连接；步骤九：利用半导体封装技术，对步骤八中的器件进行划片、引线封装到热沉上。所述步骤二中的介质层的厚度为280－290nm，所述介质层为二氧化硅介质层。与现有技术相比，本专利技术的优点在于：一种室温高频太赫兹波探测器及其制备方法，采用包覆二维层状介电材料的高载流子迁移率二维材料作为场效应晶体管的导电沟道，使其在器件制备过程中不受衬底、外界环境以及工艺的影响，保证了材料的高载流子迁移率特性，从而满足高灵敏度、高频太赫兹波探测的需求。同时，本申请设计高频(2.5THz)的太赫兹天线，能够有效耦合高频太赫兹波，结合高载流子迁移率二维材料，实现室温下对高频太赫兹波的有效探测。附图说明图1为本专利技术实施例一种室温高频太赫兹波探测器(未显示二维层状介电材料)的示意图；图2为本专利技术实施例一种室温高频太赫兹波探测器(未显示与栅电极连接的太赫兹天线端)的结构示意图；图3为本专利技术实施例中高载流子迁移二维材料的上下表面分别包覆二维层状介电材料的示意图；图4为本专利技术实施例中的高频的太赫兹天线的结构参数；图5为本专利技术实施例中不同频率下的太赫兹天线阻抗；图6为本专利技术实施例中阻抗为400Ω的太赫兹天线反射系数随频率的变化。图中1高载流子迁移率二维材料、2二维层状介电材料、3太赫兹天线、3.1横向天线、3.2竖向天线、3.3引线电极、4栅电极、5源电极、6漏电极、7介质层、8衬底。具体实施方式以下结合附图实施例对本专利技术作进一步详细描述。如图1、2所示，本实施例中的一种室温高频太赫兹波探测器，包括高载流子迁移二维材料1、高载流子迁移率场效应晶体管和高频的太赫兹天线3，高载流子迁移率场效应晶体管具有三个电极：源电极5、栅电极4和漏电极6，高载流子迁移率场效应晶体管的三本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种室温高频太赫兹波探测器，其特征在于：包括高载流子迁移二维材料(1)、高载流子迁移率场效应晶体管和高频的太赫兹天线(3)，所述高载流子迁移率场效应晶体管具有三个电极：源电极(5)、栅电极(4)和漏电极(6)，所述源电极(5)、栅电极(4)和漏电极(6)分别集成于带有介质层(7)的衬底(8)上，所述高频的太赫兹天线(3)与高载流子迁移率场效应晶体管的三个电极相连，实现高载流子迁移率场效应晶体管与高频的太赫兹天线(3)集成设置；所述高载流子迁移二维材料(1)上下表面分别包覆二维层状介电材料(2)，与所述漏电极(6)连接的太赫兹天线(3)端与高载流子迁移二维材料(1)形成欧姆接触，与所述源电极(5)连接的太赫兹天线(3)端与高载流子迁移二维材料(1)形成欧姆接触，与所述栅电极(4)连接的太赫兹天线(3)端通过二维层状介电材料(2)与高迁移率二维材料(1)形成肖特基接触。/n

【技术特征摘要】
1.一种室温高频太赫兹波探测器，其特征在于：包括高载流子迁移二维材料(1)、高载流子迁移率场效应晶体管和高频的太赫兹天线(3)，所述高载流子迁移率场效应晶体管具有三个电极：源电极(5)、栅电极(4)和漏电极(6)，所述源电极(5)、栅电极(4)和漏电极(6)分别集成于带有介质层(7)的衬底(8)上，所述高频的太赫兹天线(3)与高载流子迁移率场效应晶体管的三个电极相连，实现高载流子迁移率场效应晶体管与高频的太赫兹天线(3)集成设置；所述高载流子迁移二维材料(1)上下表面分别包覆二维层状介电材料(2)，与所述漏电极(6)连接的太赫兹天线(3)端与高载流子迁移二维材料(1)形成欧姆接触，与所述源电极(5)连接的太赫兹天线(3)端与高载流子迁移二维材料(1)形成欧姆接触，与所述栅电极(4)连接的太赫兹天线(3)端通过二维层状介电材料(2)与高迁移率二维材料(1)形成肖特基接触。


2.根据权利要求1所述的一种室温高频太赫兹波探测器，其特征在于：所述高载流子迁移率二维材料(1)为石墨烯、黑磷、Te、ZrGeSe和ZrGeTe中任意一种；所述二维层介电材料(2)为h-BN和h-Y2O3中任意一种。


3.根据权利要求1所述的一种室温高频太赫兹波探测器，其特征在于：与所述源电极(5)连接的太赫兹天线(3)端和与漏电极(6)连接的太赫兹天线(3)端为非对称结构。


4.根据权利要求1所述的一种室温高频太赫兹波探测器，其特征在于：与所述源电极(5)连接的太赫兹天线(3)端和与所述栅电极(4)连接的太赫兹天线(3)端均分别具有横向天线(3.1)和竖向天线(3.2)，所述竖向天线(3.2)设于横向天线(3.1)上，所述竖向天线(3.2)与电极连接，所述横向天线(3.1)一端设有引线电极(3.3)，与所述源电极(5)连接的太赫兹天线(3)端通过引线电极(3.3)与所述高载流子迁移二维材料(1)连接，与所述栅电极(4)连接的太赫兹天线(3)端通过引线电极(3.3)与上面的所述二维层状介电材料(2)连接。


5.根据权利要求1所述的一种室温高频太赫兹波探测器，其特征在于：与所述漏电极(6)连接的太赫兹天...

【专利技术属性】
技术研发人员：张凯，董卓，沈文，沈寒松，
申请(专利权)人：江苏盖姆纳米材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32