阅读说明：本技术 一种可调控的室温黑砷磷太赫兹探测器及制备方法 (Adjustable room-temperature black arsenic-phosphorus terahertz detector and preparation method thereof ) 是由 王林 郭万龙 郭程 陈效双 陆卫 于 2019-11-18 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种可调控的室温黑砷磷太赫兹探测器及制备方法。器件结构自下而上依次为：第一层是衬底、第二层是黑砷磷以及搭在黑砷磷上的蝶形天线和与天线相连的金属电极、第三层是介质层，第四层是栅极。器件制备步骤是用机械剥离的方法将黑砷磷转移到衬底上，用电子束曝光和电子束沉积技术制备蝶形天线和金属电极，用原子层沉积工艺生长栅介质层，用电子束曝光和电子束沉积技术制备栅极，形成太赫兹探测器。其工作原理是，通过非对称的高效太赫兹天线实现高度局域和增强的太赫兹混频电场，生成响应信号。该探测器具有高速、宽频和高灵敏等特点，可实现源漏偏压和栅电压的双重调控，为实现室温太赫兹探测器大规模应用提供了原型器件。(The invention discloses an adjustable room-temperature black arsenic phosphorus terahertz detector and a preparation method thereof. The device structure is from bottom to top: the first layer is a substrate, the second layer is black arsenic phosphorus, a butterfly antenna lapped on the black arsenic phosphorus, a metal electrode connected with the antenna, the third layer is a dielectric layer, and the fourth layer is a grid. The preparation method of the terahertz detector comprises the steps of transferring black arsenic phosphorus onto a substrate by using a mechanical stripping method, preparing a butterfly antenna and a metal electrode by using electron beam exposure and electron beam deposition technologies, growing a gate dielectric layer by using an atomic layer deposition technology, and preparing a gate by using the electron beam exposure and electron beam deposition technologies to form the terahertz detector. The working principle of the terahertz frequency mixing antenna is that a high-local-area and enhanced terahertz frequency mixing electric field is realized through the asymmetric high-efficiency terahertz antenna, and a response signal is generated. The detector has the characteristics of high speed, wide frequency, high sensitivity and the like, can realize double regulation and control of source-drain bias voltage and gate voltage, and provides a prototype device for realizing large-scale application of the room-temperature terahertz detector.)

一种可调控的室温黑砷磷太赫兹探测器及制备方法

技术领域

本发明涉及一种可调控的室温黑砷磷太赫兹探测器及制备方法，具体指将黑砷磷材料和蝶形天线相结合制备场效应管，利用黑砷磷带隙可调、载流子迁移率高和具有面内各向异性的特点实现快速响应，利用蝶形天线实现太赫兹电场的高效耦合，进而实现高响应率。其工作原理是，通过非对称的高效太赫兹天线实现高度局域和增强的太赫兹混频电场，生成响应信号。该探测器具有高速、宽频和高响应率等特点，可实现源漏偏压和栅电压的双重调控，为实现室温太赫兹探测器大规模应用奠定基础。

背景技术

太赫兹波频率范围介于0.1THz到10THz之间，其波长范围为3毫米到30微米，光子能量特征值是4毫电子伏特。这一特征能量范围与分子的振动能和转动能相匹配，远小于常见半导体的带隙。太赫兹波在传播、散射和吸收等方面的特征与可见光，红外和微波的差异比较大，为光谱学，成像和通信等提供了很大的利用空间。太赫兹技术位于电子学科和光子学科的交叉领域，这两个学科融合和发展大大的提高了太赫兹技术水平。但是，目前太赫兹的研究和发展还处于起始阶段，高功率、高稳定性的太赫兹源、高灵敏、宽光谱的太赫兹探测器和高速、高效的太赫兹调制器还比较稀缺，所以被称为“太赫兹空白(THz Gap)”。

太赫兹波在电磁波谱中的独特位置决定了它具有许多其他波段所不具有的特殊性质：(1)太赫兹辐射的光子能量一般只有毫电子伏，远远低于常见物质的化学键键能，因此太赫兹波可以克服X射线对许多物质的电离破坏性，适用于机场、车站等公共场所的安检。(2)许多物质本征振动频率都处在太赫兹波段，这些物质具有太赫兹指纹谱特征，包含了丰富的物理、化学信息，可以利用太赫兹波进行物质的鉴别和检验。(3)太赫兹辐射具有较强的穿透能力，可用于质量监测和对非透明物体透视成像。(4)太赫兹波的带宽大、无线传输的速率高，背景噪声小且不容易被干扰，在无线间通讯领域中有着巨大的应用潜力。总之，太赫兹波在电磁波谱中介于微波和红外之间，并且拥有众多优良的特性，在安全检查、物质鉴定、医药、无损成像以及无线通信等领域拥有广阔的应用前景，因此开展太赫兹波的探测技术的研究具有重大意义。

发展高速、高灵敏、可室温工作的太赫兹探测器件是实现太赫兹技术的重要突破口，提高光与器件耦合能力和光电转化效率是太赫兹探测的关键课题。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。黑砷磷材料，具有可调节带隙，电子迁移率大，面内各向异性，生长工艺简单等特征；非对称的蝶形天线能够实现对太赫兹电场高效耦合。两者结合为发展新型太赫兹探测技术提供了新的备选方案。

发明内容

本发明提出一种可调控的室温黑砷磷太赫兹探测器及制备方法，实现了快速，高响应率室温太赫兹探测。其工作原理是，通过非对称的高效太赫兹天线实现高度局域和增强的太赫兹混频电场，生成响应信号。该探测器具有高速、宽频和高灵敏度等优点，可实现源漏偏压和栅压的双重调控，为实现室温太赫兹探测器大规模应用奠定基础。

本发明指一种可调控的室温黑砷磷太赫兹探测器及制备方法，所述探测器的结构自下而上为：第一层是衬底1、第二层是黑砷磷2、以及搭在黑砷磷上的蝶形天线3和与天线相连接的源极4和漏极5、第三层是介质层6、第四层是栅极7；

所述的衬底1为本征硅和覆盖在其上的二氧化硅；

所述的黑砷磷2为多层黑砷磷，厚度20-40纳米；

所述的蝶形天线3、源极4和漏极5有两层金属层，下层金属为钛，上层金属为金；

所述的介质层为氧化铪；

所述的栅极7有有两层金属层，下层金属是钛，上层金属是金。

本发明指一种可调控的室温黑砷磷太赫兹探测器及制备方法，所述器件制备包括以下步骤：

1)通过热氧化法在本征硅上制备二氧化硅作为衬底1；

2)通过机械剥离法制备并将黑砷磷2转移到衬底1表面；

3)采用电子束曝光技术，结合电子束沉积及传统剥离工艺在制备蝶形天线3源极4和漏极5；

4)采用原子层沉积工艺生长介质层6；

5)通过电子束曝光和电子束沉积技术在介质层6上制备栅极7，完成制备可调控的室温黑砷磷太赫兹探测器。

本发明专利的优点在于：

1)采用本征硅作为衬底，显著地减少衬底对太赫兹的反射，提高了器件的光电耦合效率和响应灵敏度。

2)采用黑砷磷作为导电沟道材料，黑砷磷材料具有带隙可调，电子迁移率高，面内各向异性，生长成本低廉等优点，可用于宽频、高速的太赫兹探测。

3)采用蝶形天线结构，实现了太赫兹电场的局域增强，提高了太赫兹波与探测器的耦合能力，增强了探测器的光电转化效率和探测率。

附图说明

图1为本发明可调控的室温黑砷磷太赫兹探测器的侧视示意图；

图中：1硅衬底、2黑砷磷、3蝶形天线、4源极、5漏极、6介质层、7栅极。

图2为可调控的室温黑砷磷太赫兹探测器测试的实验装置示意图；

图3为可调控的室温黑砷磷太赫兹探测器在室温下斩波频率1kHz，0.12THz的工作频率下响应波形图；

图4为可调控的室温黑砷磷太赫兹探测器在室温下斩波频率1kHz，0.3THz的工作频率下响应波形图；

图5为可调控的室温黑砷磷太赫兹探测器在偏压调控下的响应图；

图6为可调控的室温黑砷磷太赫兹探测器在栅压调控下的响应图。

具体实施方式

：

以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明：

本发明提出一种可调控的室温黑砷磷太赫兹探测器及制备方法，实现了快速，高灵敏度室温太赫兹探测。其工作原理是，通过非对称的高效太赫兹天线实现高度局域和增强的太赫兹混频电场，生成响应信号。该探测器具有高速、宽频和高灵敏等特点，可实现源漏偏压和栅电压的双重调控，为实现室温太赫兹探测器大规模应用提供了原型器件。

具体步骤如下：

1.衬底选择

选用本征硅和覆盖其上的二氧化硅作为衬底。

2.黑砷磷制备和转移

通过机械剥离转移将黑砷磷转移到衬底表面；

3.采用电子束曝光技术，结合电子束沉积及传统剥离工艺在制备蝶形天线、源极和漏极；

4.采用原子层沉积工艺生长介质层，其材料是氧化铪；

5.通过电子束曝光和电子束沉积技术在介质层上制备栅极，完成制备可调控的室温黑砷磷太赫兹探测器。

7.将制备好的黑砷磷太赫兹探测器进行光电响应测试。如图3所示，太赫兹源是由微波源和倍频器、放大器组成的连续波系统，频率在0.02到0.3太赫兹之间。用太赫兹辐射照射到探测器件上，探测器件产生的光电流信号通过电流放大器(SR570)放大信号，分别输入示波器和锁相放大器(SR830)，微波源(E8257D)内置的斩波信号作为参考信号分别输入示波器和锁相放大器。测试过程中器件表现出超高响应率和快速探测的能力。

a)当黑砷磷厚度为20纳米，沟道长度为6微米，太赫兹源功率密度为1毫瓦每平方毫米时，可实现12纳安的光电流。

b)当黑砷磷厚度为30纳米，沟道长度为6微米，太赫兹源功率密度为1毫瓦每平方毫米时，可实现21纳安的光电流。

c)当黑砷磷厚度为40纳米，沟道长度为6微米，太赫兹源功率密度为1毫瓦每平方毫米时，可实现35纳安的光电流。

本发明中探测器结构的参数在一定范围里变化时，室温黑砷磷太赫兹探测器都有很好的探测性能，测试结果表明器件的响应时间可以达到1微秒，在0.12THz时响应率可以达到100V/W，噪声等效功率达到200pW/Hz^0.5，并实现了偏置电压和栅压下的性能调控，可有效的对太赫兹波进行室温探测，在太赫兹探测领域有较大的的应用前景。