基于石墨烯的天线增强太赫兹探测器及其制备方法
阅读说明：本技术 基于石墨烯的天线增强太赫兹探测器及其制备方法 (Graphene-based antenna-enhanced terahertz detector and preparation method thereof ) 是由 徐友龙 侯文强 薛旭 姚向华 于 2021-08-27 设计创作，主要内容包括：本发明公开的一种基于石墨烯的天线增强太赫兹探测器及其制备方法,包括对数周期天线和贴片天线；所述对数周期天线包括两个旋转对称且相互连接的天线本体,两个天线本体分别与场效应晶体管的源极和漏极连接,对数周期天线的馈电点与栅极连接,贴片天线与对数周期天线的中心馈电点相连接,贴片天线通过侧馈的方式对周期天线施加激励。利用对数周期天线充当晶体管探测器的源漏天线,在栅极处再加一个对应探测频率的矩形贴片天线。两个天线协同作用,将目标频段的太赫兹信号引入沟道内,增强探测性能。并且对数周期天线可以多频段工作,可以拓宽探测器的探测频谱。(The invention discloses an antenna enhanced terahertz detector based on graphene and a preparation method thereof, wherein the antenna enhanced terahertz detector comprises a log-periodic antenna and a patch antenna; the log periodic antenna comprises two rotationally symmetrical antenna bodies which are connected with each other, the two antenna bodies are respectively connected with a source electrode and a drain electrode of a field effect transistor, a feed point of the log periodic antenna is connected with a grid electrode, a patch antenna is connected with a central feed point of the log periodic antenna, and the patch antenna applies excitation to the periodic antenna in a side feed mode. The log periodic antenna is used as a source-drain antenna of the transistor detector, and a rectangular patch antenna corresponding to the detection frequency is added at the grid. The two antennas act synergistically to introduce terahertz signals of a target frequency band into the channel, so that detection performance is enhanced. And the log periodic antenna can work in multiple frequency bands, so that the detection frequency spectrum of the detector can be widened.)
技术领域
本发明涉及太赫兹探测技术领域，具体涉及一种基于石墨烯的天线增强太赫兹探测器及其制备方法。
背景技术
太赫兹波是处于0.1-10Thz的一段电磁波，位于微波波段和红外波段之间。近些年来，随着对太赫兹波研究的不断深入，发现其有众多独特的性质，在太赫兹生物、医学研究、爆炸物检测、6G通讯、安防检测以及零部件等无损检测领域都有着非常广阔的前景。为了发展太赫兹波技术，太赫兹源与太赫兹探测器是两个至关重要的难点。
就太赫兹探测器来说，天线是其中至关重要的一个部分。由于太赫兹波段的频率较高，且信号强度较弱，通常探测器自己的电极很难去耦合到空间中的太赫兹波，因此探测效率普遍较低。为了提高探测器的探测效率，就需要一个精心设计的太赫兹耦合天线，帮助探测器去捕捉空间中的太赫兹波并输送到探测器的敏感元件上。
此外，基于Dyakonov和Shur提出的等离子体波震荡原理，从理论上解释了场效应晶体管(FET)、高电子迁移率晶体管(HEMT)等器件探测太赫兹波的原理。相比于传统的热探测器，场效应晶体管的探测速度要快得多。传统的场效应晶体管太赫兹探测器所用的材料主要是Ⅲ-Ⅴ族半导体。目前用的比较多的是GaN/AlGaN材料等，由于其原片可以直接到原厂定制，均一性较好。但是其原片价格较高，生长工艺复杂，不利于大规模生产。近年来，随着材料制备技术的成熟，一些具有优异光电性质的新型材料也被应用于太赫兹探测器，如石墨烯、碳纳米管、黑磷、过渡金属二硫化物等。石墨烯的载流子迁移率在室温下约为15000cm2/V s，是硅材料的10倍以上。并且在某些特定条件下，其迁移率可以达到200000cm2/Vs以上，是已知半导体材料中最高的。并且，本征石墨烯是零带隙材料，但是经过特殊处理后，可以在零到几百毫电子伏特范围内打开其能带并且进行调制。石墨烯材料满足太赫兹探测技术对材料的高要求，现在成为了探测器领域的火热材料。
目前，室温下的高灵敏度、低成本的太赫兹探测器依旧比较紧缺。现有报道的太赫兹探测器探测频率较单一，且制备工艺复杂，所需材料价格昂贵，一直限制了太赫兹探测器领域的发展。因此，急需寻找一种器件结构设计合理，制备工艺简单、可以在室温下实现多频段太赫兹波探测的探测器。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于石墨烯的天线增强太赫兹探测器及其制备方法，利用迁移率高的二维材料作为高电子迁移率晶体管的沟道材料，结合双天线协同耦合空间中的太赫兹波，将太赫兹信号传输到沟道中的敏感材料上，有效耦合太赫兹波，实现室温下的高灵敏太赫兹探测。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种基于石墨烯的天线增强太赫兹探测器，包括对数周期天线和贴片天线；
所述对数周期天线包括两个旋转对称且相互连接的天线本体，两个天线本体分别与场效应晶体管的源极和漏极连接，对数周期天线的馈电点与栅极连接，贴片天线与对数周期天线的中心馈电点相连接，贴片天线通过侧馈的方式对周期天线施加激励。
优选的，所述天线本体包括扇形的中心馈体，中心馈体的两侧分别设置有多个天线阵子，多个天线阵子沿中心馈体的边缘呈扇形间隔排布，并且两侧的天线振子沿径向错位设置，其中一侧的天线振子的内边缘弧长等于另一侧沿径向相邻的天线振子的外边缘弧长。
优选的，所述中心馈体的张角β为30-60°；天线振子的张角α为30-60°。
优选的，所述中心馈体每侧天线振子的数量为3-6个。
优选的，所述对数周期天线中的比例因子τ的确定方法如下：
其中，Rn为第n个天线振子外圆的半径；rn为第n个天线振子内圆的半径。
优选的，所述栅极通过测试电极与中心馈电点连接。
优选的，介质基板上设置有二维材料沟道，源级和漏极分别设置在沟道的两端，源级和漏极与沟道欧姆接触，介质基板上沉积栅介质层，栅极设置在栅介质层上。
优选的，所述二维材料为石墨烯、黑磷、二硫化钼或二硒化钼。
优选的，所述场效应晶体管为顶栅结构。
一种基于石墨烯的天线增强太赫兹探测器的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、将二维材料转移到介质基底上；
步骤2、定义沟道后，除去沟道以外的二维材料形成沟道；
步骤3、在沟道两端压装置源电极和漏电极并形成欧姆接触；
步骤4、在介质基板上沉积形成栅介质层，并在栅介质层上形成栅极，得到场效应晶体管；
步骤5、在介质基板上形成对数周期天线和贴片天线；
步骤6、将步骤5得到的介质基板进行分割，得到带有介质基板的场效应晶体管、对数周期天线和贴片天线，然后进行组装得到基于石墨烯的天线增强太赫兹探测器。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明提供的基于石墨烯的天线增强太赫兹探测器，利用对数周期天线充当晶体管探测器的源漏天线，在栅极处再加一个对应探测频率的矩形贴片天线。两个天线协同作用，将目标频段的太赫兹信号引入沟道内，增强探测性能。并且对数周期天线可以多频段工作，可以拓宽探测器的探测频谱。
此外，利用迁移率较高的二维材料作为场效应管中的沟道敏感材料，可以提高器件工作的速度与灵敏度。将晶体管的源漏电极与对数周期天线集成，将栅极与贴片天线集成，双天线协同联合工作，增强太赫兹波的耦合效率。提高探测性能。
附图说明
图1为本发明对数周期天线的结构示意图；
图2为本发明中的新型对数周期-贴片协同天线结构示意图；
图3为本发明中探测器整体结构示意图；
图4为本发明中探测器中晶体管部分剖面结构示意图。
图中：1为对数周期天线中心馈体的扇形张角β；2为扇形锯齿振子的张角α；3为最长的天线振子，其外半径为(6)所示长度，记为R1，内半径为(7)所示长度，记为r1；(4)为对数周期天线的两侧的金属测试电极；(5)为对数周期天线的馈电点。
(11)为源极；(12)为栅极；(13)为栅极介质层；(14)为漏极；(15)为二氧化硅层；(16)为硅基底；(17)为二维材料。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
参与图1-4，一种基于石墨烯的天线增强太赫兹探测器，包括介质基板，以及设置在其上的太赫兹耦合天线和场效应晶体管。
所述太赫兹耦合天线包括对数周期天线和贴片天线，对数周期天线包括两个旋转对称且自互补锯齿振子的天线本体，两个扇形天线本体的圆心连接形成馈电点，对数周期天线设置在介质基板的中心，贴片天线通过引线与对数天线的中间馈电点相连接，场效应晶体管的沟道填充石墨烯材料，源极与漏极压在石墨烯沟道的两端，石墨烯上设置栅介质层，介质层上沉积有栅极金属形成顶栅结构，两个天线本体分别与场效应晶体管的源极和漏极连接，贴片天线与场效应晶体管的栅极连接。
所述对数周期天线的馈电点还连接有测试电极，测试电极与贴片电极对称设置在馈电点的两侧，测试电极通过微带线与栅极连接。
天线本体包括扇形的中心馈体，中心馈体的两侧分别设置有多个天线阵子，多个天线阵子沿中心馈体的边缘呈扇形间隔排布，并且两侧的天线振子沿径向错位设置，其中一侧的天线振子的内边缘弧长等于另一侧沿径向相邻的另一天线振子的外边缘弧长。
所述天线本体每侧的天线振子的数量为3-5个。
所述的天线振子的扇形张角β范围在30-60度；连接的长度不同的扇形锯齿振子的张角α范围在30-60度，τ为对数周期天线中的比例因子，且τ的范围为1.5-2.5，其计算方法如下
其中，Rn为第n个天线振子外圆的半径；rn为第n个天线振子内圆的半径。
对数周期天线的扇形锯齿振子长度R，根据不同的目标探测频率而不同，优选长度R1长度为200-1000μm。
贴片天线通过一条微带线与对数周期天线的馈电点连接，贴片天线通过侧馈的方式对周期天线施加激励，并且贴片天线的馈电区域与对数周期的馈电区域重合。
贴片天线的长L范围在200-1000μm，其宽W范围在200-1000μm，
天线振子的弧形边缘设置有测试电极，天线振子通过测试电极与场效应晶体管的源级和漏极连接，测试电极的尺寸范围在100×100μm至200×200μm，与对数周期天线相连接的引线电极长度范围在0-1000μm之间，线宽为20-60μm。
所述对数周期天线、贴片天线和微带线的厚度均为100nm-1000nm之间。
介质基板上设置有二维材料沟道，沟道的两端设置源级和漏极，源级和漏极与沟道欧姆接触，介质基板上沉积栅介质层，栅介质层上设置栅极。介质基板的长宽需要大于天线结构的面积。
介质基板为硅片、氮化镓、氮化镓铝或碳化硅，介质基板的介电常数调节天线的尺寸范围，优选为硅/化硅片，整体厚度在500-550μm，表面有250-300nm左右的二氧化硅，二氧化硅介电常数3.9，硅介电常数为11.9。介质基板的下表面镀有一层金，金的厚度在50nm-50μm。
所述场效应晶体管的整个沟道都由石墨烯构成，石墨烯在介质基板的上表面，其沟道长度在20μm-500nm之间，沟道宽度在50μm-500nm之间；二维材料可以是石墨烯材料，也可以替换为其他的二维材料，比如黑磷、二硫化钼或二硒化钼。
场效应晶体管的源极和漏极为合金材质，由钛、铝、镍、金等金属分层沉积而成，与沟道中的敏感材料形成欧姆接触。
沟道上做一层栅介质层，其材料可以为氧化铝(Al2O3)、氧化铪(HfO2)等，厚度在10-30nm。
栅极的长度在10μm-50nm之间，处于石墨烯沟道的正中央。并且通过微带线分别连接位于其两侧的矩形贴片天线和测试电极贴片。
实施例1
该实施例中采用硅/二氧化硅片作为天线的硅基底16，硅的厚度为500μm，二氧化硅厚度为300nm，对数周期天线的R1为960μm，β与α都取45度，矩形贴片天线的长L为800μm，宽W为980μm，天线厚度为0.5μm，本参数针对于0.1THz波段。
在本实例中，沟道长度和沟道宽度都为10μm；栅极介质层厚度为20nm，栅极金属厚度为200nm；源漏电极采用了钛/金合金，其中，钛20nm，金180nm；矩形贴片天线与对数周期天线中心之间通过粗细不同的微带线相连接，两个天线协同工作，共同将信号引入到馈电区域。
在HFSS仿真软件中构建上述对数周期天线的模型，在100-200GHz范围内，较多波段都有良好的吸收峰。其中在100GHz处，回波损耗达到26dB。
下面对本发明基于石墨烯的天线增强太赫兹探测器的制备方法进行详细的说明，包括以下步骤：
步骤1、清洗介质基底。
若以硅/二氧化硅片为例，硅基底16上设置二氧化硅层15，用硫酸溶液于80℃下清洗30min后，用丙酮、异丙醇、乙醇和去离子水各超声清洗10分钟后，烘干备用；
步骤2、采用湿转移法，将二维材料17完整的转移到衬底上；
步骤3、使用光刻胶定义沟道后，利用干刻工艺手段去除掉沟道以外的二维材料，只保留沟道区域的二维材料17；
步骤4、在沟道二维材料两端压上源极11和漏极14并形成欧姆接触。
利用光刻、电子束蒸发在沟道二维材料两端压上源漏电极，要与二维材料形成欧姆接触，二维材料采用合金材质，由钛、铝、镍、金等金属中一个或多个分层沉积而成；
步骤5、利用光刻在介质基板上定义栅介质层位置，再利用原子层沉积技术，生长一定厚度的氧化层介质，形成栅极介质层13。
步骤6、利用光刻技术在栅介质层上定义栅极位置，利用电子束蒸发生长栅极金属形成栅极12；
步骤7、在介质基板上形成对数周期天线、贴片天线、测试电极、和微带线。
利用光刻技术和电子束蒸发技术，做出源、漏电极处连接的对数周期天线、栅极处连接的矩形贴片天线以及测试电极和相关微带线；
步骤8、将介质基底划片、分装，完成器件制备。
本发明提供了基于石墨烯的天线增强太赫兹探测器，采用双天线协同工作的方法，传统的单天线工作在太赫兹探测其中应用时，例如蝶形电线、偶极子天线等，其常常直接当作晶体管探测器的源漏或源栅电极使用。用作源漏电极时，天线可以在沟道中形成相应的耦合电场，但是栅极上没有相应的太赫兹信号引入。若天线用来充当源极和栅极结构时，漏记只作为引线引出信号，此时，偶极子的对称性会遭到破坏。本发明中设计的协同联合天线，利用对数周期天线充当晶体管探测器的源漏天线，在栅极处再加一个对应探测频率的矩形贴片天线。两个天线协同作用，将目标频段的太赫兹信号引入沟道内，增强探测性能。并且对数周期天线可以多频段工作，可以拓宽探测器的探测频谱。
此外，利用迁移率较高的二维材料作为场效应管中的沟道敏感材料，可以提高器件工作的速度与灵敏度。将晶体管的源漏电极与对数周期天线集成，将栅极与贴片天线集成，双天线协同联合工作，增强太赫兹波的耦合效率。提高探测性能。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
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