柵控石墨烯納米帶陣列THz探測器及調諧方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種太赫茲探測器，更具體的說，本發明涉及一種柵控石墨烯納米帶 陣列THz探測器及調諧方法。
[0002] 技術背景
[0003] 相對于微波和光波，太赫茲波具有光子能量低，時間和空間相干性高、穿透性強等 特點。近年來，反恐防恐、安檢、緝毒以及現場無損檢測等領域對便攜式太赫茲成像/光譜 系統需求日益迫切。太赫茲系統和裝備的微小型化對其核心元器件THz源及THz探測器提 出了微型化、室溫工作等要求。
[0004] 目前常用的THz探測技術可分為相干探測技術與直接探測技術。相對于昂貴復雜 的相干探測技術，直接探測技術是將被測信號直接轉換為電信號，無需本地振蕩器，系統更 加簡單，有利于器件的集成與微型化。按其原理大致可分為三類：熱原理THz探測器可實 現寬帶探測，但需在低溫環境下才能實現較高的響應速度和靈敏度，實現低溫環境需要的 附屬裝置大，探測器組件難以微小型化；等離子體場效應管THz探測器響應速度快、靈敏度 高，但需引入天線耦合太赫茲信號、只適用于低頻段THz，帶寬相對較窄，在太赫茲光譜系統 中應用受限；光子型THz探測器可實現高頻THz波的探測，具有響應速度快、靈敏度高、結構 簡單等優點，但其響應帶寬窄，受限于太赫茲光譜系統應用。
[0005] 石墨烯材料具有高載流子迀移率、電子無散射傳輸以及能隙可調的光電特性，為 高性能新型直接THz探測器研制開辟新的技術途徑。
[0006] 能否利用石墨烯的優良特性，解決現有微型THz探測器的不足，滿足太赫茲波的 高靈敏、高速、室溫、寬帶探測目的，是本發明的初衷。
【發明內容】
[0007] 本發明在于提供一種利用石墨烯能隙可調特性進行高速、高敏的室溫光子型寬帶 THz探測器新結構，提出柵控石墨烯納米帶陣列的室溫THz探測器。通過柵壓掃描，動態調 控不同寬度的雙層石墨烯納米帶能隙，實現太赫茲波段的同步分段掃描，從而達到太赫茲 波的高靈敏、高速、室溫、寬帶探測目的，該技術可以克服現有光子型探測技術在響應帶寬 和工作溫度等方面存在的不足，可滿足太赫茲成像或光譜系統對探測器的高要求。
[0008] 本發明的技術方案如下：
[0009] 柵控石墨烯納米帶陣列太赫茲探測器，其特征在于：包括底柵極和低阻硅襯底以 及設置于襯底上的雙層石墨烯納米帶陣列、源漏電極、絕緣層、頂柵極、驅動電路；所述石墨 烯納米帶陣列由多個納米帶間隔排列組成，懸空在襯底上，并連通兩端的源漏電極；所述頂 柵極分為分別靠近源電極和漏電極的兩條以及中間的一條；所述驅動電路按照事先計算好 的電壓施加在底柵極和中間頂柵極上，反向偏壓施加在源漏電極上，以展寬石墨烯納米帶 p-i-n探測器的空間電荷區，提高吸收率；所述驅動電路在靠近源電極的頂柵極上加負壓， 在靠近漏電極的頂柵極上加正壓，通過測量源漏間電流變化探測信號。
[0010] 其中，所述石墨稀納米帶陣列中納米帶長度小于石墨稀中載流子復合時間內的傳 輸距離，以提高光電轉化效率，減少載流子輸運中的損耗。
[0011] 所述驅動電路在靠近源電極的頂柵極和底柵極之間加負壓，在靠近漏電極的頂柵 極和底柵極之間加正壓，電壓大小滿足石墨烯電摻雜的濃度要求，以在石墨烯納米帶p-i-n 探測器的相應區域內形成P區和η區。
[0012] 所述驅動電路按照事先計算好的反向偏壓施加源漏電極上，以展寬石墨烯納米帶 P-i-n探測器的空間電荷區，提高吸收率。
[0013] 在本發明實施例中，頂柵所用導電材料在THz波段是透明的。這樣可以讓更多的 THz光信號被石墨烯納米帶接收。
[0014] 進一步，在本發明實施例中，頂柵所用導電材料在THz波段是透明的。這樣可以讓 更多的THz光信號被石墨烯納米帶接收，提高光能利用率。
[0015] 1.本發明還提供一種柵控石墨烯納米帶陣列室溫太赫茲探測器的帶寬擴展方法， 其特征在于：根據石墨烯納米側向限制與垂直電場可以調控石墨烯能隙實現THz探測的原 理，構建以不同寬度（IO-IOOnm)的柵控納米帶構成的陣列，通過改變柵壓，可實現太赫茲 波的同步分段掃描，再進行數據重構，得到整個太赫茲波段的響應信號，形成可調諧的寬度 太赫茲探測器。
[0016] 本發明具有如下優點：
[0017] 1.本發明利用石墨烯材料具有高載流子迀移率、電子無散射傳輸的光電特性，提 出的新型THz探測器采用了雙層石墨烯材料和p-i-n光電探測結構，具有靈敏度高、響應 快、可在室溫下工作的優點。
[0018] 2.本發明利用石墨烯能隙可調的優點，利用側向限制與垂直電場雙重調控石墨烯 的能隙實現THz探測，通過構建不同寬度的柵控雙層石墨烯納米帶陣列，改變柵壓，實現太 赫茲波的分段同步掃描，進行帶寬拓展，具有探測帶寬大，調節靈活、掃描電壓低的優點。
[0019] 3.本發明探測器整體結構簡單、便于集成、體積小。
[0020] 本發明可廣泛應用于安檢、緝毒、反恐、醫學成像、無損檢測、電子對抗、雷達、遙 感、外層空間寬帶通信等領域。
【附圖說明】
[0021] 圖1為雙層石墨稀結構和調節帶隙原理圖。
[0022] 圖2為柵控石墨烯納米帶陣列太赫茲探測器調諧方法圖。
[0023] 圖3為柵控石墨烯納米帶陣列太赫茲探測器結構圖。
【具體實施方式】
[0024] 下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明：
[0025] 圖1為雙層石墨稀結構和調節帶隙原理圖。石墨稀材料作為半導體光電材料應用 存在最大的問題是石墨烯的零能隙特征，因此石墨烯能隙的調控成為石墨烯光電器件應用 的首要問題。側向限制、垂直電磁場、分子摻雜、應變等方法都被應用于石墨烯能隙的調控。 其中利用石墨烯納米帶產生能隙的方法由于對石墨烯材料性能影響較小，成為目前調控石 墨稀能隙的最佳手段。當石墨稀被加工成納米尺度的準一維結構時，由于載流子被束縛，在 理想無限高勢皇邊界條件下，石墨烯吸收能譜可由下式計算：
[0026]
【主權項】
1. 柵控石墨烯納米帶陣列太赫茲探測器，其特征在于：包括底柵極和低阻硅襯底以及 設置于襯底上的雙層石墨烯納米帶陣列、源漏電極、絕緣層、頂柵極、驅動電路；所述石墨烯 納米帶陣列由多個納米帶間隔排列組成，懸空在襯底上，并連通兩端的源漏電極，所述頂柵 極分為分別靠近源電極和漏電極的兩條以及中間的一條，所述驅動電路按照事先計算好的 電壓施加在源漏電極、頂柵極、底柵極上，通過測量源漏間電流變化探測信號。
2. 根據權利要求1所述的柵控石墨烯納米帶陣列太赫茲探測器，其特征在于：所述石 墨稀納米帶陣列中納米帶長度小于石墨稀中載流子復合時間內的傳輸距離。
3. 所述驅動電路在靠近源電極的頂柵極和底柵極之間加負壓，在靠近漏電極的頂柵 極和底柵極之間加正壓，電壓大小滿足石墨烯電摻雜的濃度要求，以在石墨烯納米帶p-i-n 探測器的相應區域內形成P區和n區。
4. 根據權利要求1所述的柵控石墨烯納米帶陣列太赫茲探測器，其特征在于：頂柵所 用導電材料在THz波段是透明的。
5. 根據權利要求1所述的柵控石墨烯納米帶陣列太赫茲探測器，其特征在于：所述驅 動電路按照事先計算好的電壓施加在底柵極和中間頂柵極上，兩者電壓可以單獨控制，電 壓大小滿足石墨烯帶隙調制和費米能級位置控制要求，電壓調諧范圍設計在滿足所需要的 THz波段上。
6. -種柵控石墨烯納米帶陣列太赫茲探測器的調諧方法，其特征在于：根據石墨烯 納米側向限制與垂直電場可以調控石墨烯能隙實現THz探測的原理，構建以不同寬度 (IO-IOOnm)的柵控納米帶構成的陣列，通過改變柵壓，可實現太赫茲波的同步分段掃描，再 進行數據重構，得到整個太赫茲波段的響應信號，形成可調諧的寬帶太赫茲探測器。
【專利摘要】本發明涉及一種太赫茲探測器，更具體的說，本發明涉及一種柵控石墨烯納米帶陣列THz探測器及調諧方法:探測器包括底柵極1和低阻硅襯底2以及設置于襯底上的雙層石墨烯納米帶陣列3、源漏電極4和5、絕緣層6、頂柵極7-9、驅動電路10；調諧方法是利用側向限制與垂直電場作用下雙層石墨烯的能隙雙重調控機制，構建不同寬度的柵控雙層石墨烯納米帶陣列，改變柵壓，實現太赫茲波的分段同步掃描，達到寬帶探測的目的；形成的太赫茲探測器及調諧方法具有靈敏度高、響應快、探測帶寬大、調節靈活、結構簡單、便于集成、體積小、可在室溫下工作的優點，可廣泛應用于安檢、緝毒、反恐、醫學成像、無損檢測、電子對抗、雷達、遙感、外層空間寬帶通信等領域。
【IPC分類】H01L31-115, H01L27-144, H01L31-028
【公開號】CN104795411
【申請號】CN201510178299
【發明人】溫中泉, 張智海, 袁偉青, 陳李, 陳剛
【申請人】重慶大學
【公開日】2015年7月22日
【申請日】2015年4月15日