[实用新型]一种室温拓扑绝缘体太赫兹探测器

说明书

本专利公开了一种室温拓扑绝缘体太赫兹探测器。器件结构自下而上依次为是衬底、氧化物层、硒化铋薄膜、对数天线和金属源漏电极。器件制备步骤是将机械剥离的具有丰富表面态硒化铋薄膜转移到衬底上，运用紫外光刻或电子束光刻的方法结合传统剥离工艺制备对数天线和金属电极作为源极和漏极，形成硒化铋薄膜场效应晶体管结构。器件在太赫兹光的照射下硒化铋薄膜表面态电子与晶格发生不对称性散射，进而实现室温快速的太赫兹的探测。该太赫兹探测器具有高速、宽频、高响应、高集成度等特点并属于光伏型探测器件，为实现室温太赫兹探测器大规模应用奠定基础。

技术领域

本专利涉及一种拓扑绝缘体光电探测器件，具体指一种室温拓扑绝缘体太赫兹探测器。

背景技术

太赫兹波(Terahertz,THz)辐射是指频率在0.1～10THz(波长30微米～3毫米)之间的电磁波，其长波段方向与毫米波(亚毫米波)相重合，短波段方向与红外线相重合，属于远红外波段。由于其位于远红外和微波相互交叉的波段，长期以来缺乏相应的方法对其进行产生和探测，从而形成THz空白(terahertz gap)。

太赫兹光子特点与应用：(a)量子能量和黑体温度很低；由于太赫兹波的光子能量很低，它穿透物质时，不易发生电离，因而可用来进行安全的无损检测。

(b)许多物质的大分子，如生物大分子的振动和旋转频率都在太赫兹波段，所以太赫兹波段表现出很强的吸收和谐振，许多爆炸物有太赫兹指纹特性，这使得它们能够从衣服中及与其他材料混在一起时被鉴别出来，如毒品的检测。(c)太赫兹波的时域频谱信噪比比较高，这使得太赫兹非常适用于成像应用。其辐射强度测量的信噪比可以大于10¹⁰，远高于傅立叶变换红外光谱技术，而且其稳定性更好。(d)太赫兹波对于许多物质都具有高透性，所以它在皮肤癌的诊断和治疗、DNA探测、太赫兹成像以及药物的分析和检测等方面都显示了其强大的功能和成效。

实现太赫兹技术应用与突破，其中一个关键技术就是太赫兹波探测，需要发展具备可控半导体材料与入射光场相互作用以增强太赫兹波光电响应能力的探测器件。但是，传统的依靠量子阱子带间跃迁的方法很难实现辐射探测目的，因为太赫兹的光子能量小于热扰动的能量，很容易达到饱和。目前，应用较多的商用太赫兹波探测器包括热辐射计，但是它需要在低温条件下进行工作，肖特基二极管的工作频率小于1太赫兹，热释电探测器的响应速度很慢，因此，需要探索新的半导体材料和新功能性的器件实现太赫兹探测。而拓扑绝缘体具有丰富的表面态物理，为新型的太赫兹光电功能转换器件的研究提供了良好的平台。

发明内容

本专利提出一种室温拓扑绝缘体太赫兹探测器，实现了拓扑绝缘体场效应结构在室温太赫兹探测领域的应用。

上述专利将拓扑绝缘体引入太赫兹探测结构，该探测器结构基于场效应晶体管，在室温下利用拓扑绝缘体表面态的电子在太赫兹场的作用下与表面晶格发声不对称性散射，从而产生光伏信号，实现对太赫兹辐射的探测。

本专利指一种室温拓扑绝缘体太赫兹探测器及制备方法，其特征在于，器件结构自下而上依次为：衬底1、氧化物层2、拓扑绝缘体3、在拓扑绝缘体上层是对数周期天线4、金属源极5、金属漏极6。

其中衬底1为低掺杂的Si衬底；厚度为0.3-0.5毫米；

其中氧化物层2为SiO₂层，厚度300±10纳米；

其中拓扑绝缘体3为硒化铋薄膜层。沟道长度从2微米到6微米，厚度从10纳米到60纳米；

其中对数周期天线4外径4毫米，角度为50°，下层Cr的厚度为5-15纳米，上层Au的厚度为60-80纳米。

其中金属源极5和金属漏极6为Cr和Au电极，下层Cr的厚度为5-15纳米，上层Au的厚度为60-80纳米。