CN219163414U - 太赫兹光电探测器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种太赫兹光电探测器，包括有源区，源极，漏极以及栅极天线；所述有源区包括单层WTe₂层；所述源极电耦合至所述有源区一侧；所述漏极电耦合至所述有源区另一侧；所述栅极天线设置于所述有源区上，用于接收电信号以控制所述有源区内单层WTe₂层的电特性。本实用新型的太赫兹光电探测器，其能够利用圆偏振太赫兹激光激发单层WTe₂中的QSH态，并通过圆偏振光伏效应(CPGE)产生与入射光偏振对应的手性相关的光电流。该太赫兹光电探测器可以应用于控制、探测和处理谷电子以及片上太赫兹成像和量子信息处理。

Description

太赫兹光电探测器

技术领域

本实用新型是关于一种探测器件技术领域，特别是关于一种太赫兹光电探测器。

背景技术

太赫兹波段处于电子学和光子学之间的过渡区，是电磁波谱中最不发达的频段之一，与其他电磁辐射频段相比，开发能够在太赫兹频段工作的探测器是特别有吸引力的。

然而，在实际的研究中，从红外光子或微波电子向这种特殊的光谱扩展时面临着明显的矛盾：它要求光敏元件增大到毫米尺寸的大小来扩大红外光探测的波长，又要求将器件降低到纳米尺度来增加微波器件的探测频率。这些关键性的问题引发了交叉学科研究的热潮，包括光学、微波电子学、纳米技术和材料科学的交叉研究。

在此背景下，探索具有强太赫兹吸收能力的材料以及具有室温工作能力、响应速度快、灵敏度高的光电探测器，对开发灵敏实用的太赫兹探测***至关重要。

以前报道的带TMDCs的手性光电探测器主要集中在可见/近红外光谱区，通过长波长光激发(如长红外和THz范围)来研究谷特性仍然是一个巨大的挑战。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本实用新型的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种太赫兹光电探测器，其能够利用圆偏振太赫兹激光激发单层WTe₂中的QSH态，并通过圆偏振光伏效应(CPGE)产生与入射光偏振对应的手性相关的光电流。该太赫兹光电探测器可以应用于控制、探测和处理谷电子以及片上太赫兹成像和量子信息处理。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种太赫兹光电探测器，包括有源区，源极，漏极以及栅极天线；所述有源区包括单层WTe₂层，用于接收太赫兹光信号；所述源极电耦合至所述有源区一侧；所述漏极电耦合至所述有源区另一侧；所述栅极天线设置于所述有源区上，用于接收电信号以控制所述有源区内单层WTe₂层的电特性。

在一个或多个实施方式中，所述栅极天线包括第一栅极天线和第二栅极天线，所述第一栅极天线设置于所述有源区的顶部，所述第二栅极天线设置于所述有源区的底部。

在一个或多个实施方式中，所述第一栅极天线和/或所述第二栅极天线包括栅极主体以及自所述栅极主体延伸的一个或多个臂，一个或多个臂弯曲设置，以部分限定一个或多个同心圆。

在一个或多个实施方式中，所述第一栅极天线和/或所述第二栅极天线包括相对设置的两个栅极主体，两个所述栅极主体的相对侧交替延伸有一个或多个臂，两个所述栅极主体上的多个臂弯曲设置，以部分限定一个或多个同心圆。

在一个或多个实施方式中，所述第一栅极天线和/或所述第二栅极天线包括多个栅极主体，多个所述栅极主体呈环状设置，每个所述栅极主体的两侧交替延伸有多个臂，多个所述栅极主体上的多个臂弯曲设置，以部分限定一个或多个同心圆。

在一个或多个实施方式中，所述太赫兹光电探测器还包括太赫兹天线，所述太赫兹天线连接所述栅极天线，用于将太赫兹光集中至所述有源区内单层WTe₂上。

在一个或多个实施方式中，所述栅极天线与所述有源区之间还设置有介电层。

在一个或多个实施方式中，所述介电层包括氮化硼层，所述氮化硼层包括氮化硼薄片或六方氮化硼。

在一个或多个实施方式中，所述太赫兹光电探测器还包括衬底，所述衬底设置于所述栅极天线和所述介电层之间。

在一个或多个实施方式中，所述衬底包括氧化硅衬底。

与现有技术相比，本实用新型的太赫兹光电探测器，通过设置单层WTe₂层为有源区，能够利用圆偏振太赫兹激光激发单层WTe₂中的QSH态，并通过圆偏振光电效应(CPGE)产生与入射光偏振对应的手性相关的光电流，以在太赫兹频段工作。

本实用新型的太赫兹光电探测器，通过设置带臂的栅极天线或者设置太赫兹天线，能够将圆偏振太赫兹光集中到单层WTe2上或者将圆偏振太赫兹光朝向单层WTe2，以增强太赫兹光电探测器中的光强度。

本实用新型的太赫兹光电探测器，可以应用于控制、探测和处理谷电子以及片上太赫兹成像和量子信息处理。

附图说明

图1是本实用新型一实施方式的太赫兹光电探测器的立体结构示意图。

图2是本实用新型一实施方式的太赫兹光电探测器的俯视图。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本实用新型的保护范围并不受具体实施方式的限制。

除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。

如背景技术所言，探索具有强太赫兹吸收能力的材料以及具有室温工作能力、响应速度快、灵敏度高的光电探测器，对开发灵敏实用的太赫兹探测***至关重要。

为此，本实用新型提供了一种太赫兹光电探测器，通过设置单层WTe₂作为探测器的有源区，能够利用圆偏振太赫兹激光激发单层WTe₂中的QSH态，并通过圆偏振光伏效应(CPGE)产生与入射光偏振对应的手性相关的光电流。该太赫兹光电探测器可以应用于控制、探测和处理谷电子以及片上太赫兹成像和量子信息处理。

如图1所示，本实用新型一实施方式提供了一种太赫兹光电探测器，包括源极10，漏极20，有源区30以及栅极天线40。源极10和漏极20之间间隔设置。有源区30电耦合到源极10和漏极20之间，有源区30为源极10和漏极20之间的电流提供了传导通道，有源区30内的电场可以通过施加源-漏偏压来调控；有源区30用于接收圆偏振太赫兹光信号。栅极天线40设置于有源区30上，用于接收电信号以控制有源区的电特性。

示例性的，有源区30包括单层WTe₂层。在一具体实施例中，有源区30可以直接由单层WTe₂层构成，或者可以直接由单层WTe₂层的部分构成。在其他实施例中，单层WTe₂层或者部分单层WTe₂层构成有源区30的一部分，或者限定出太赫兹光电探测器的有源区30。由于有源区30内的单层WTe₂具有用于太赫兹光吸收的合适带隙，所以当施加电压时，单层WTe₂的带隙改变，使得光电流改变。

在本实施例中，栅极天线40包括第一栅极天线41和第二栅极天线(图未示)，第一栅极天线41设置于有源区30的顶部，第二栅极天线(图未示)设置于述有源区30的底部。第一栅极天线41和第二栅极天线(图未示)均设置于单层WTe₂层或其一部分上。第一栅极天线41和第二栅极天线(图未示)为电导体，施加到栅极天线40的电信号可以影响单层WTe₂层内的电场，影响电流；施加到栅极天线40的电信号可以调节单层WTe₂层中的载流子密度；施加到栅极天线40的电信号也可以改变单层WTe₂层的贝里曲率。在操作期间，电流通过单层WTe₂层在源极10和漏极20之间流动。

在一实施例中，第一栅极天线和第二栅极天线中的一个或全部均包括一个栅极主体401以及自栅极主体401延伸的一个或多个臂402，一个或多个臂402弯曲设置，以部分限定一个或多个同心圆。具有一个或多个臂402的第一栅极天线和/或第二栅极天线可以形成太赫兹天线，该形状的太赫兹天线可以将圆偏振太赫兹光集中到单层WTe₂层上，如单层WTe₂层表面，或者将圆偏振太赫兹光朝向单层WTe₂层。

在又一实施例中，如图2所示，第一栅极天线和第二栅极天线中的一个或全部均包括两个相对设置的栅极主体401，两个栅极主体401的相对侧交替延伸有一个或多个臂402，两个栅极主体401上的多个臂402弯曲设置，以部分限定一个或多个同心圆。具有多个臂402的第一栅极天线和/或第二栅极天线可以形成太赫兹天线，该形状的太赫兹天线可以将圆偏振太赫兹光集中到单层WTe₂层上，如单层WTe₂层表面，或者将圆偏振太赫兹光朝向单层WTe₂层。

在又一实施例中，第一栅极天线和第二栅极天线中的一个或全部均包括至少三个栅极主体401，多个栅极主体401呈环状设置，每个栅极主体401的两侧交替延伸有多个臂402，多个栅极主体401上的多个臂402弯曲设置，以部分限定一个或多个同心圆。具有多个臂402的第一栅极天线和/或第二栅极天线可以形成太赫兹天线，该形状的太赫兹天线可以将圆偏振太赫兹光集中到单层WTe₂层上，如单层WTe₂层表面，或者将圆偏振太赫兹光朝向单层WTe₂层。

在其他实施例中，栅极天线40的数量仅为一个，单独设置于有源区30的顶部或者底部。此时，栅极天线40包括一个栅极主体401以及自栅极主体401延伸的一个或多个臂402，一个或多个臂402弯曲设置，以部分限定一个或多个同心圆。或者，栅极天线40包括两个相对设置的栅极主体401，两个栅极主体401的相对侧交替延伸有一个或多个臂402，两个栅极主体401上的多个臂402弯曲设置，以部分限定一个或多个同心圆。或者栅极天线40包括至少三个栅极主体401，多个栅极主体401呈环状设置，每个栅极主体401的两侧交替延伸有多个臂402，多个栅极主体401上的多个臂402弯曲设置，以部分限定一个或多个同心圆。

太赫兹光电探测器还包括设置于栅极天线40与有源区30之间的介电层50，介电层50包括氮化硼(BN)层，氮化硼(BN)层还可以充当有源区30，特别是单层WTe₂层的保护层，氮化硼(BN)层可以是BN薄片或六方氮化硼(h-BN)。

太赫兹光电探测器还包括衬底60，衬底60设置于栅极天线40和介电层50之间。衬底60可以为氧化硅(SiO2)衬底。

本实用新型的太赫兹光电探测器的工作原理如下：

在操作中，圆偏振太赫兹光信号入射到太赫兹光电探测器上并被单层WTe₂层接收。电压被施加到栅极天线40。电流(如源极-漏极电流)可以通过单层WTe₂层在源极10和漏极20之间流动。由于单层WTe₂层具有用于太赫兹光吸收的合适带隙，所以当施加电压时，单层WTe₂层的带隙改变，使得光电流改变。单层WTe₂层的空间对称性破坏的贝里曲率偶极子，产生了谷相关光电流。光电流大小和方向可以由施加于栅极天线40的外部栅极电压有效调节，该外部栅极电压由面外位移场产生的面内极性引起。

本实用新型又一实施方式提供了一种太赫兹光电探测器，其与上述实施方式的区别在于，在本实施方式中，太赫兹光电探测器的栅极天线仅为普通形状的栅极，仅用于充当导电体。同时，在栅极天线上还设置有太赫兹天线，太赫兹天线连接栅极天线，用于将太赫兹光集中至有源区内单层WTe2上。太赫兹天线可以通过电子束光刻法制成，也可以选用现有技术中的太赫兹天线。

与现有技术相比，本实用新型的太赫兹光电探测器，通过设置单层WTe₂层为有源区，能够利用圆偏振太赫兹激光激发单层WTe₂中的QSH态，并通过圆偏振光电效应(CPGE)产生与入射光偏振对应的手性相关的光电流，以在太赫兹频段工作。

本实用新型的太赫兹光电探测器，通过设置带臂的栅极天线或者设置太赫兹天线，能够将圆偏振太赫兹光集中到单层WTe2上或者将圆偏振太赫兹光朝向单层WTe2，以增强太赫兹光电探测器中的光强度。

本实用新型的太赫兹光电探测器，可以应用于控制、探测和处理谷电子以及片上太赫兹成像和量子信息处理。

本实用新型中，太赫兹(THz)波是指频率在0.1～10THz(波长为3000～30μm)范围内的电磁波。量子自旋霍尔态(QSH)：在特定的量子阱中，在无外磁场的条件下(即保持时间反演对称性的条件下)，特定材料制成的绝缘体的表面会产生特殊的边缘态，使得该绝缘体的边缘可以导电，并且这种边缘态电流的方向与电子的自旋方向完全锁定，即量子自旋霍尔效应。圆偏振光伏效应(CPGE)：圆偏振光伏效应是一种二阶非线性光电响应，是指材料在圆偏振光的激发下产生随偏振角度变化的光电流。

前述对本实用新型的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本实用新型限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本实用新型的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本实用新型的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本实用新型的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (9)

1.一种太赫兹光电探测器，其特征在于，包括：

有源区，所述有源区包括单层WTe₂层，用于接收太赫兹光信号；

源极，所述源极电耦合至所述有源区一侧；

漏极，所述漏极电耦合至所述有源区另一侧；

栅极天线，所述栅极天线设置于所述有源区上，用于接收电信号以控制所述有源区内单层WTe₂层的电特性。

2.如权利要求1所述的太赫兹光电探测器，其特征在于，所述栅极天线包括第一栅极天线和第二栅极天线，所述第一栅极天线设置于所述有源区的顶部，所述第二栅极天线设置于所述有源区的底部。

3.如权利要求2所述的太赫兹光电探测器，其特征在于，所述第一栅极天线和/或所述第二栅极天线包括栅极主体以及自所述栅极主体延伸的一个或多个臂，一个或多个臂弯曲设置，以部分限定一个或多个同心圆。

4.如权利要求2所述的太赫兹光电探测器，其特征在于，所述第一栅极天线和/或所述第二栅极天线包括相对设置的两个栅极主体，两个所述栅极主体的相对侧交替延伸有一个或多个臂，两个所述栅极主体上的多个臂弯曲设置，以部分限定一个或多个同心圆。

5.如权利要求2所述的太赫兹光电探测器，其特征在于，所述第一栅极天线和/或所述第二栅极天线包括多个栅极主体，多个所述栅极主体呈环状设置，每个所述栅极主体的两侧交替延伸有多个臂，多个所述栅极主体上的多个臂弯曲设置，以部分限定一个或多个同心圆。

6.如权利要求1所述的太赫兹光电探测器，其特征在于，所述太赫兹光电探测器还包括太赫兹天线，所述太赫兹天线连接所述栅极天线，用于将太赫兹光集中至所述有源区内单层WTe₂上。

7.如权利要求1所述的太赫兹光电探测器，其特征在于，所述栅极天线与所述有源区之间还设置有介电层。

8.如权利要求7所述的太赫兹光电探测器，其特征在于，所述太赫兹光电探测器还包括衬底，所述衬底设置于所述栅极天线和所述介电层之间。

9.如权利要求8所述的太赫兹光电探测器，其特征在于，所述衬底包括氧化硅衬底。

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