一種石墨烯室溫太赫茲波探測器及制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種太赫茲波探測器，特別涉及一種在室溫條件下石墨烯/對數周期天線/藍寶石襯底結構對太赫茲波實現高速、高靈敏度、高信噪比的探測器。
【背景技術】
[0002]太赫茲波(Terahertz，Hz)福射是指頻率在0.1?1THz(波長3mm?30um)之間的電磁波，位于遠紅外和微波相互交叉的波段，長期以來缺乏相應的方法對其進行產生和探測，從而形成THz空白(terahertz gap)。
[0003]太赫茲光子特點與應用:(a)光子能量小；生物大分子和DNA分子的旋轉及振動能級多處于太赫茲波段，太赫茲輻射可用于疾病診斷、生物體的探測及癌細胞的表皮成像。(b)對許多介質材料具有高透射性;可以對物體進行無損探傷，比如對重要航天器材料內部所掩埋的缺陷探測可以排除安全隱患。(C)太赫茲波在太空環境中被吸收得較少，傳播距離遠，可以用于對星際形成過程和介質化學性質分析。
[0004]實現太赫茲技術應用與突破，其中一個關鍵技術就是太赫茲波探測，需要發展具備可控半導體材料-入射光場相互作用以及太赫茲波光電響應能力的探測器件。但是，傳統地室溫下依靠量子阱子帶間躍迀的方法很難實現輻射探測目的，因為光子的能量要比熱能量小很多，很容易達到熱飽。目前，應用較多的商用太赫茲波探測器包括輻射熱機(需要制冷)、肖特基二極管(低于IHz以下)、熱釋電探測器(響應速度慢)等缺點，因此，需要探索新的物理原理和利用新的半導體材料實現太赫茲波探測。由于低維碳材料具有獨特的物理結構，特殊的電學特性，為新型光電功能轉換特性的研究提供了良好的平臺，其中最具典型的是石墨稀。
[0005]Dyakonov和Shur闡述了場效應管中等離子體波在溝道中被激發實現太赫茲波探測，在太赫茲輻射激發下，器件的溝道會有一個直流壓降產生光響應；同時，非線性效應使得器件對入射太赫茲波進行有效的頻率倍增產生高階諧波，該太赫茲輻射探測理論得到多方面的實驗驗證。
【發明內容】
[0006]基于現有技術的缺陷和理論的支撐，本發明的目的是提出以載流子濃度可調和高迀移率的石墨烯為基本結構單元，同時，集成對數周期天線結構和引線電極，一種石墨烯/對數周期天線/藍寶石襯底太赫茲波探測器件，最終在室溫條件下實現寬頻、高速、高靈敏度、高信噪的THz探測。
[0007]本發明的上述目的，將通過以下技術方案得以實現:
[0008]探測器件在藍寶石襯底4上蒸鍍對數周期天線2結構以及引線電極3，太赫茲波耦合對數周期天線2兩邊分別與對應的引線電極3相連，在對數周期天線2間距中轉移具有載流子濃度111?1014cm—2可調和高迀移率1000?10000cm2V—1的石墨稀I導電溝道，保證石墨烯I與兩邊對數周期天線2互連；
[0009]所述的藍寶石襯底4的厚度為0.5?lmm;
[00?0] 所述的對數周期天線2的尺寸為:外半徑I?2mm，厚度100?200nm;
[0011 ]所述的引線電極3的厚度為200?400nm;
[0012]所述的導電溝道長度為6?80um。
[0013]本發明的上述目的，是通過以下技術方案制作完成的。
[0014]I)首先將藍寶石襯底進行表面清洗，并通過切割技術將襯底和銅片上生長的石墨稀切成小樣品；
[0015]2)使用紫外光刻、電子束蒸發法及lift-off剝離工藝制備對數周期天線結構和引線電極，包括溝道、紫外光刻的對準標記以及電子束光刻對準標記；
[0016]3)將銅片上生長的石墨烯，通過FeCl3溶液刻蝕法，刻蝕銅片襯底約24h，然后在體積比約I /10的稀釋鹽酸和去離子水混合溶液中清洗覆蓋PMMA石墨烯薄膜，清洗完，將覆蓋PMMA的石墨烯薄膜轉移到具有天線結構的藍寶石襯底上，陰干約4h，在丙酮中靜置20?25min去除PMMA，最后，在60?80°C的溫度條件下烘干20?25min;
[0017]4)利用紫外光刻和O2離子刻蝕法，刻蝕長度約6?SOum石墨烯導電溝道，并在體積比約1/5氫氣和氮氣混合氣體下進行約300°C高溫退火處理，去除石墨烯殘留的光刻膠和水，形成良好的歐姆接觸；
[0018]5)通過紫外光刻、電子束蒸發和剝離工藝制備300?400nm加厚電極；
[0019]6)最后，采用正規的半導體封裝技術，對器件進行封裝。
[0020]實現本發明的技術方案，其創新優點體現在:
[0021]1、使用藍寶石(Al2O3)作為襯底，大大地減少高摻雜的硅表面覆蓋二氧化硅襯底對太赫茲的反射，提高了石墨烯材料吸收率，提高器件的太赫茲響應，更便于透射譜和反射譜的測試。
[0022]2、采用載流子濃度可調和高迀移率的石墨烯材料作為導電溝道，利用石墨烯太赫茲等離子體波或電子氣震蕩的非線性光電導調制效應，實現寬頻、高速、高靈敏度、高信噪的THz探測。
[0023]3、集成了對數周期天線結構和引線電極歐姆接觸，實現強的光場耦合能力，提高器件的集成度和小型化，為實現太赫茲探測器大規模應用奠定基礎。
【附圖說明】
[0024]圖1為本發明太赫茲探測器件結構一實施例探測結構單元的正視示意圖及局部放大示意圖；
[0025]圖2為圖1所示太赫茲探測器件的結構側視示意圖；
[0026]圖3為本發明太赫茲探測器件測試的實驗裝置示意圖；
[0027]圖4為本發明太赫茲探測器在室溫下斬波頻率IkHz太赫茲響應波形圖；
[0028]圖5為本發明太赫茲探測器在室溫下斬波頻率5kHz太赫茲響應波形圖；
[0029]圖6為本發明太赫茲探測器在室溫下斬波頻率1kHz太赫茲響應波形圖；
[0030]圖7為本發明太赫茲探測器在室溫下不同偏置電流的太赫茲響應圖；
[0031 ]圖8為本發明太赫茲探測器在室溫下不同距源距離的太赫茲響應圖；
[0032]圖9為發明太赫茲探測器在室溫下不同偏振角度的太赫茲響應圖。
[0033]I?石墨烯，2?對數周期天線，3?引線電極，4?藍寶石襯底。
【具體實施方式】
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[0034]以下結合附圖及實施例，對本發明的【具體實施方式】進行詳述，以便發明技術方案易于理解、掌握。
[0035]參見圖1和圖2，它是一種石墨烯太赫茲波探測器結構圖，所述探測器件包括藍寶石襯底4(厚度Imm)和其上蒸鍍對數周期天線結構2，以及引線電極3，且太赫茲波耦合對數周期天線2兩邊分別與對應的引線電極3相連，在對數周期天線2間距中轉移具有載流子濃度可調和高迀移率的石墨烯I導電溝道，保證石墨烯I與兩邊對數周期天線2互連。藍寶石作為襯底，大大地減少高摻雜硅覆蓋二氧化硅對太赫茲的反射，提高了太赫茲響應率，采用載流子濃度可調和高迀移率石墨烯作為導電溝道，利用石墨烯太赫茲等離子體波或電子氣震蕩的非線性光電導調制效應，實現寬頻、高速、高靈敏度、高信噪的太赫茲探測;集成了對數周期天線結構和引線電極歐姆接觸，實現強的光場耦合能力，提