一种碲化镍-石墨烯异质结构太赫兹探测器及制备方法

本发明涉及周期对数天线结构的碲化镍-石墨烯异质结太赫兹探测器件的制备方法和性能研究，具体是指利用碲化镍和石墨烯的高迁移率的特性，结合二维材料异质结表面没有悬挂键的特点，通过构造具有周期对数的金属结构天线，诱导表面等离子体共振，将长波入射光子耦合到半金属材料碲化镍的表面，增强入射电磁波与材料的相互作用，增强室温高灵敏的太赫兹宽谱吸收。同时，利用异质结构抑制了探测器内的暗电流，从而有效提高了探测器的源漏光电流、灵敏度以及降低了噪声，最终实现高效的光电信号转换。

背景技术：

1、太赫兹光电探测器由于其独特的光电特性，使得能够检测光谱中太赫兹部分辐射的设备在安全检查、生物医学和无损质量等领域中具有潜在的应用。这些面向应用的问题和对太赫兹辐射的兴趣的提高，促使了由紧凑、强大的光源以及快速、便携式探测器组成的灵敏和高性能系统的逐步发展。然而，传统的光电探测器，如测辐射热计、高莱探测器、肖特基二极管在响应速度、工作温度和体积方面存在相当大的缺陷，这阻碍了它们在智能、灵活的通信或成像系统中的应用。在过去的十年中，材料科学和光电子界掀起了一股研究热潮，致力于开发一种新的材料平台，以实现更好的设备性能，从而绕过传统瓶颈。

2、开发具有独特电学和光电特性的低维材料为利用不同光诱导效应的新型探测器的开发提供了条件。基于石墨烯场效应晶管(fet)的光电探测器的演示表明，在宽波长范围内使用半金属材料进行高速光电探测是可行的。尽管它们的响应远未达到最佳，优良的光学和电学特性赋予它们在太赫兹范围内的宽带光响应。由于半金属的无间隙性质，在半金属中不存在能隙对可探测光子能量的限制，光激发的快速瞬态提高了光电探测器的工作速度。尽管有这些优点，但大暗电流噪声、弱光吸收加剧了电荷分离或低能光子到电信号的有效转换。在这方面，探索无偏运行中的快速电荷分离机制对于提高太赫兹区半金属基光电探测器的容量至关重要。基于半金属的物质拓扑相的出现为太赫兹光电探测器的技术创新提供了可行性，以克服上述缺点。

3、由于凝聚态系统中的多功能对称性破缺，拓扑半金属开创了探索晶体固体中无质量相对论准粒子的新时代，产生了i型/ii型狄拉克费米子。与石墨烯中的i型狄拉克费米子不同，ii型狄拉克费米子的狄拉克锥随动量空间倾斜，这种特殊的结构导致了ii型dirac半金属材料中大量的新现象，如非线性光学效应、无阻尼低能等离子体、非线性霍尔效应等。这些迷人的特性使光电集成的新功能和性能成为可能。

4、作为ii型狄拉克半金属家族的一员，碲化镍在室温下表现出优越的载流子输运特性，这是因为相对于费米能级而言，点附近对探索高性能太赫兹探测器具有吸引力。此外，范德瓦尔斯异质界面还可以通过各种材料组合和堆叠顺序构建，为探索由单个片段的积分特性实现的快速电荷分离机制提供了一个多功能平台。

技术实现思路

1、本发明涉及室温碲化镍-石墨烯异质结构太赫兹探测器件的制备方法和性能研究，具体是指利用碲化镍和石墨烯的高迁移率的特性，结合二维材料异质结表面没有悬挂键的特点，通过构造具有周期对数的金属结构天线，诱导表面等离子体共振，将长波入射光子耦合到半金属材料碲化镍的表面，增强入射电磁波与材料的相互作用，增强室温高灵敏的太赫兹宽谱吸收。同时，利用异质结构抑制了探测器内的暗电流，从而有效提高了探测器的源漏光电流、灵敏度以及降低了噪声，最终实现高效的光电信号转换

2、所述探测器的结构为：在衬底1上是二氧化硅层2，在二氧化硅层2上的有碲化镍3和石墨烯4，在异质结两端是源电极5和漏电极6，其结构由22个对称振子组成，所有振子以及振子之间的距离都有确定的比例关系，其比例因子为0.7,顶角为45°。左右两侧以同心圆圆心为对称中心形成中心对称，同心圆最大半径为1mm，左右两边各有11个不同大小的圆环。由同心圆两边缘引出两电极用于连接电路。

3、所述的衬底1是本征高阻硅，其电阻率为10000ω·cm,厚度为500μm；覆盖在其上的是二氧化硅2，厚度为300nm；

4、所述的碲化镍3为单晶碲化镍，厚度为50-80nm；

5、所述的石墨烯4为少层石墨烯，厚度为5-10nm；

6、所述的源电极5和漏电极6为金属复合电极，下层金属为铬，作为粘附层，厚度是20nm，上层金属为金,厚度是50nm。

7、通过热氧化法在本征高阻硅上制备氧化物层作为衬底；通过化学气相沉积法得到单晶碲化镍，再使用蓝胶带把单晶碲化镍进行简单地机械剥离，就可以得到纳米厚级别的单晶碲化镍；然后将碲化镍转移到衬底表面；同样的操作，使用蓝胶带把块状石墨机械剥离成少层石墨烯；然后将少层石墨烯转移到衬底表面，控制石墨烯的位置，使一部分少层石墨烯与碲化镍重合形成异质结；采用紫外光刻技术，结合电子束蒸发及传统剥离工艺制备周期对数天线结构的源极和漏极；把器件贴到pcb板上，点焊引线，封装完成制备周期对数天线集成碲化镍/石墨烯异质结构太赫兹探测器。

8、本发明专利优点：

9、1)我们实验是基于第一类狄拉克半金属石墨烯和第二类狄拉克半金属材料碲化镍，探测器结合了石墨烯高迁移率和碲化镍高的太赫兹波吸收率，实现了宽光谱响应和高灵敏度。

10、2)异质结器件在零偏压时，在高频太赫兹区域下也可达到1.31a/w室温太赫兹响应率,是优于很多单一材料太赫兹探测器的。

11、3)一般的太赫兹探测器都需要使用复杂的制造工艺，本发明用到的机械剥离、干法转移、紫外光刻等工艺设备比较方便获得和操作的。因此相对来说，我们的异质结构探测器具有结构简单、制造成本低廉和便于集成等优点。

12、4)噪声等效功率低，太赫兹波段一般达到17.56pw/hz0.5；以成功实现室温太赫兹成像应用，我们使用了一个铜制“sitp”字样置于肉眼不可见信封中，通过0.28thz辐射下得到清晰的高对比成像图。

13、5)响应速度快，在太赫兹波段，一个脉冲周期内的上升和下降沿时间均在十几微秒量级，相比于普通的太赫兹探测器，响应时间一般在毫秒量级，我们的异质结构探测器在响应速度上提高了2-3个数量级。

14、6)可用于室温下探测，我们的测试都是在室温下完成的，并不需要借助于任何低温措施。

15、7)稳定性好，由于石墨烯和碲化镍在室温下不易氧化，本发明的异质结构太赫兹探测器也可以在室温下长时间存放而性能不受到很大影响。

技术特征：

1.一种室温碲化镍-石墨烯异质结太赫兹探测器，其特征在于：

2.一种制备如权利要求1所述室温碲化镍-石墨烯异质结太赫兹探测器的方法，其特征在于方法如下：

技术总结
本发明公开了一种碲化镍‑石墨烯异质结构太赫兹探测器及制备方法。器件制备步骤是将机械剥离的碲化镍和石墨烯分别转移到本征高阻硅衬底上形成异质结，利用紫外光刻技术制作源、漏电极，并利用电子束蒸发和超声引线等工艺，制备成具有周期对数天线结构的碲化镍‑石墨烯异质结构探测器。通过构造具有周期对数的金属结构天线，诱导表面等离子体共振，将太赫兹入射光子耦合到异质结表面，增强入射电磁波与材料的相互作用，实现室温高灵敏的太赫兹宽谱吸收，同时利用二维材料异质结抑制器件暗电流，从而显著增强了探测器的源漏电流，大幅提高了器件的响应率和降低了等效噪声功率。本发明的优点是高响应率，快速响应，低噪声和方便集成化。

技术研发人员：王林,沈家忠,姚晨禹,姜梦杰,陈效双
受保护的技术使用者：中国科学院上海技术物理研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12