CN113049096A - 室温周期对数天线集成的碲化镍太赫兹探测器及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种室温周期对数天线集成的碲化镍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转移到本征高阻硅衬底上，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碲化镍表面，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，从而显著增强了探测器的源漏电流，大幅提高了器件的信噪比和探测能力。基于碲化镍的探测器在太赫兹波段体现了很高的灵敏度。本发明的优点是响应率高，响应快，功耗低和便于集成化。
Description
技术领域
本发明涉及周期对数天线结构的碲化镍太赫兹探测器件的天线结构设计，制备方法和性能研究，具体是指利用碲化镍的高迁移率的特性，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，从而显著增强了探测器的源漏电流，实现光电信号转换，大幅提高了器件在太赫兹波段的探测灵敏度和信噪比。
背景技术
太赫兹波是频率范围介于0.1THz到10THz内的电磁波，其波长对应于3mm到30μm，光子对应能量的特征值在毫电子伏特级别。该能量范围与分子的振动能和转动能相匹配，远小于一般半导体的能隙，在传播、散射和吸收等方面表现出与微波、红外和可见光不同的特征，为信息的传输、物质材料的表征和操控提供了很大的自由空间。太赫兹波段位于电子学科和光子学科的交叉领域，相关研究可以促进这两个学科融合和发展。目前，对太赫兹的研究和开发还不够成熟，缺少高效的太赫兹源、太赫兹探测器和太赫兹调制器，因此被称为“太赫兹空白”。
发展高速、高响应率、可室温工作的太赫兹探测技术是实现太赫兹技术发展应用的关键，提高光与器件耦合能力和光电转化效率是太赫兹探测的突破口。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。
拓扑狄拉克金属材料的出现为发现新的准粒子提供了一个理想的实验***，而这些准粒子在高能物理中往往是难以捉摸的，他们可能会有手性相关的输运特性和非线性光学现象，而且这些性质会依赖于时间或空间反转对称性的破缺。这类材料是否会在实际技术应用中表现出新颖的特性，甚至是增强的特性还没有被得到证实。迄今为止，对于第二类狄拉克半金属材料的非线性光学响应主要集中在可见光和红外波长波段。如今，太赫兹频率相关技术广泛应用于国土安全、质量检测、生物学、医学、光谱学、数据通信和成像等领域。因此，确定第二类的狄拉克半金属材料是否可以有效吸收太赫兹频率的电磁场能量，仍然是最重要的一个技术挑战，是新一代光电科技技术的一个关键的优先任务。
发明内容
本发明提供了一种室温周期对数天线集成碲化镍太赫兹探测器的天线结构设计，制备方法和性能研究。该探测器利用独特的周期对数天线结构，可诱导表面等离子体共振，将长波入射光子耦合到碲化镍的表面，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，从而显著增强了探测器的源漏电流，实现光电信号转换，实现了快速，高灵敏度室温太赫兹探测。
所述的探测器的结构为：所述探测器的结构为：在本征高阻硅衬底1上是二氧化硅层2，在二氧化硅层2上的有碲化镍3，在碲化镍3两端是源电极4和漏电极5，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。
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；
所述的碲化镍3为单晶碲化镍，厚度为70-100nm；
所述的源电极4和漏电极5为金属复合电极，下层金属为铬，作为粘附层，厚度是5nm，上层金属为金,厚度是70nm。
本发明的一种室温周期对数天线集成碲化镍太赫兹探测器的制备方法如下：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；采用紫外光刻技术或者电子束曝光技术，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底座上，引线，简单封装完成制备周期对数天线集成碲化镍太赫兹探测器。
本发明专利优点：
1)我们实验是基于第二类狄拉克半金属材料碲化镍，由于碲化镍狄拉克点相对于其他半金属非常接近费米能级，它在狄拉克费米学所允许的高频区域具有高迁移率和宽带快速响应的特点。
2)碲化镍器件在零偏压时，即使在高于渡越时间限制的频率下也可达到0.25A/W室温太赫兹光敏性,是优于很多同类二维材料，同时在100mV偏压模式下，器件响应率会增加到0.36A/W。
3)一般的太赫兹探测器材料需要复杂的纳米制造工艺，并要求对有源沟道区域进行适当的封装。相对来说，我们的碲化镍器件具有结构简单的优势，具有出色的低成本效益。
4)在小偏压下，器件的性噪比得到改善，但响应时间几乎没变化，显示了碲化镍器件在太赫兹技术中的潜力。
5)噪声等效功率低，太赫兹波段一般达到89.8pW/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THz字样置于肉眼不可见信封中，通过0.3THz辐射下得到清晰的高对比成像图。
附图说明
图1是周期对数天线集成碲化镍太赫兹探测器的截面结构示意图。
图2是源漏电极所用的周期对数天线结构示意图。
图3是探测器件响应率测试***框图。
图4是不同偏压下，不同波段辐射下的光响应率变化情况。
图5是评估器件在三个频段下的噪声等效功率(NEP)是使探测器输出的信号等于噪声电压或电流所需要的入射信号辐射功率。
图6是室温周期对数天线集成不同材料厚度(70nm,85nm和100nm)的太赫兹探测器光电流测试数据图。
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：
本发明涉及基于碲化镍的光探测器件性能研究，具体是指一种室温周期对数天线集成碲化镍太赫兹探测器及其制备方法。通过构造具有周期对数天线的金属结构，诱导表面等离子体共振，将太赫兹入射光子耦合到碲化镍的表面，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，为实现室温下快速，高灵敏度探测提供了途径。
具体步骤如下：
1.衬底选择
选用本征高阻硅1和覆盖其上的二氧化硅2作为衬底。
2.碲化镍制备和转移
通过Te助熔剂法生长碲化镍单晶。将高纯度Ni粉(99.99％)和Te锭(99.9999％)的混合物真空密封在石英管中。将石英安瓿瓶加热到1050℃，持续10小时，放置10小时，然后以3℃/h的速度缓慢冷却至600℃，并在600℃退火100小时，以改善晶体质量。通过在550℃以上的温度离心分离除去剩余的Te助熔剂，最终获得典型尺寸为8×8×1mm3的数个发光板状单晶，晶体的平坦表面对应于(001)平面。再使用蓝胶带简单地机械解理，就可以得到纳米厚级别的单晶，剥落成为小的薄片。
3.制备所得碲化镍薄片样品，利用拉曼光谱和X射线衍射仪(XRD)对碲化镍的物性进行了表征。利用原子力显微镜(AFM)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)及对碲化镍样品的微观形貌进行表征。
4.直接转移将碲化镍薄片3转移到衬底表面2；
5.采用紫外光刻技术或者电子束曝光技术，结合电子束蒸发及传统剥离工艺在制备周期对数天线源电极4和漏电极5；
6.把器件贴到PCB底座上，引线，简单封装完成制备周期对数天线集成碲化镍太赫兹探测器。
7.将制备好的碲化镍太赫兹探测器进行光电响应测试。如图3所示光电响应测试***：以微波源(E8257D)(频段在0.02-0.04THz)为主，利用倍频器将频率提高到0.12THz和0.3THz；将太赫兹辐射光照射到整个探测器件表面，探测器将交流电磁波信号转化为直流电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)，其中微波源(E8257D)内置的调制频率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。具体步骤：a)按照图3连接测试***，进行***预置；b)调节测试***，给被测器件加上规定偏压，使器件处于正常工作状态；c)将器件放置于微波源垂直辐射位置，确保出射电磁波在功率计孔径范围内功率密度为常数，采用功率计AV2434型号测出入射到功率计窗口的总功率P0,功率计窗口面积S1；d)将探测器放置在功率计窗口位置，探测器像元面积为S2，通过锁相放大器测得响应电压信号为V，探测器接收功率为Pin＝P0*S2/S1；e)计算器件的响应率为R＝V/Pin。
8.图4周期对数天线结构的碲化镍探测器在不同波段下的变偏压的光响应电流。三角形图标是0.04THz光照下的响应率随偏压变化的值；正方形图标是0.12THz光照下的响应率随偏压变化的值；圆形图标是0.30THz光照下的响应率随偏压变化的光电流值。偏压为零，在0.04THz波段下响应率达到了12.6A/W；在0.12THz波段下响应率达到了5.7A/W；在0.30THz波段下响应率达到了0.25A/W。结果说明本发明提供的利用周期对数天线结构的碲化镍探测器来产生定向电场来增大响应电流，提高器件的探测能力的方法是合理的、有效的。
9.图5是周期对数天线结构的碲化镍探测器在不同波段下的变偏压的噪声等效功率值(NEP)。噪声等效功率指信噪比为1时所需的入射辐射功率。三角形图标是0.04THz光照下的NEP随偏压变化的值；正方形图标是0.12THz光照下的NEP随偏压变化的值；圆形图标是0.30THz光照下的NEP随偏压变化的光电流值。偏压为零，在0.04THz波段下NEP达到了4.9pW/HZ0.5；在0.12THz波段下响应率达到了19.6pW/HZ0.5；在0.30THz波段下响应率达到了89.8pW/HZ0.5。结果说明本发明提供的利用周期对数天线结构的碲化镍探测器提高器件的信噪比的方法是合理的、有效的。
10.图6是不同碲化镍厚度长度的周期对数天线结构的探测器在微波以及太赫兹频段下的光电流大小。碲化镍厚度为70nm时，在0.12THz的光照下响应电流达到了峰值0.26μA；碲化镍厚度为85nm时，在0.12THz的光照下响应电流达到了峰值0.36μA；碲化镍厚度为100nm时，在0.12THz的光照下响应电流达到了峰值0.48μA。结果说明本发明提供的利用周期对数天线结构的碲化镍光电探测器，碲化镍厚度在70-100nm间，厚度越厚，光电信号转换效率越高，越有利于提高器件在太赫兹波段的信噪比和探测能力。
Claims (2)
1.一种室温周期对数天线集成的碲化镍太赫兹探测器，其特征在于：
所述探测器的结构为：在本征高阻硅衬底(1)上是二氧化硅层(2)，在二氧化硅层(2)上的有碲化镍(3)，在碲化镍(3)两端是源电极(4)和漏电极(5)，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；
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；
所述的碲化镍(3)为单晶碲化镍，厚度为70-100nm；
所述的源电极(4)和漏电极(5)为金属复合电极，下层金属为铬，作为粘附层，厚度是5nm，上层金属为金,厚度是70nm。
2.一种制备如权利要求1所述室温周期对数天线集成的碲化镍太赫兹探测器的方法，其特征在于方法如下：
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；采用紫外光刻技术或者电子束曝光技术，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底座上，引线，简单封装完成制备周期对数天线集成碲化镍太赫兹探测器。
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