[发明专利]基于柔性石墨烯场效应晶体管结构的多级太赫兹调制器

说明书

本发明属于太赫兹波应用技术领域，提供一种基于柔性石墨烯场效应晶体管结构的多级太赫兹调制器，用以克服现有石墨烯晶体管太赫兹调制器的调制深度低及只能实现开关两个状态的缺陷；本发明太赫兹调制器采用上下对称结构，包括衬底，衬底上、下表面对称设置的石墨烯薄膜、离子胶、源电极、漏电极、栅电极，其中，所述石墨烯薄膜设置于衬底表面，所述源电极、离子胶、漏电极设置于石墨烯薄膜表面，所述栅电极设置于离子胶表面。本发明两个柔性石墨烯场效应晶体管分别设置于同一柔性衬底的两侧，能够大幅提升器件调制深度至37％以上；同时，通过级联控制能够实现对太赫兹波幅度的4级调制。

技术领域

本发明属于太赫兹波应用技术领域，涉及太赫兹调制器件，具体为一种基于柔性石墨烯场效应晶体管结构的多级太赫兹调制器。

背景技术

太赫兹波(terahertz wave)是指频率为0.1～10THz、波长为30μm～3mm范围内的电磁波，其波段位于微波和红外波之间，具有独特的电磁特性，在电磁波谱中占据着重要位置。太赫兹波在生物医学诊断、无线通信、雷达成像、电子对抗、国土安全和环境监测等领域具有非常重要的应用，对国民经济以及国防建设具有重大意义。太赫兹调制器是太赫兹通信系统和雷达成像系统的一个关键核心部件，在过去十年中通过对新材料和新结构的研究已经取得了巨大的发展；这些新材料和结构包括二维电子气、人工超材料、超导材料、相变材料等。在这些研究中，基于石墨烯场效应晶体管的太赫兹波调制器受到了极大的关注；这主要是由于石墨烯晶体管具有高开关频率、极低的损耗和制备柔性器件的技术潜力。

石墨烯是一种由碳的同素异形体构成的的二维单原子层薄膜材料，具有独特的能带结构、良好的电学性能、光学性能、机械性能及热稳定性。基于石墨烯研制成功场效应晶体管器件，并成功应用为光学调制器和太赫兹波调制器。目前，石墨烯场效应晶体管太赫兹波调制器通常采用半导体硅作为衬底，以SiO₂或者Al₂O₃来作为栅介质层，由于硅衬底厚度通常为几百微米，导致器件的插入损耗大、插损通常达到5dB以上，而且其工作电压高、限制了其开关速度；此外，基于硅衬底的石墨烯场效应晶体管太赫兹调制器无法弯曲，因此无法应用于非平面的表面。针对该问题，文献《Liu J,Li P,Chen Y,et al.Flexible terahertzmodulator based on coplanar-gate graphene field-effect transistor structure，Optics Letters，2016,41(4)》中提出了一种基于石墨烯场效应晶体管结构的柔性太赫兹波调制器，以柔性PET薄膜为衬底、离子胶为栅介质层构建了石墨烯晶体管，器件插损只有1.2dB，具有非常好的可弯曲性，并有效降低了石墨烯达到狄拉克点时的栅压，因此工作电压只有1V；这种柔性器件可以应用在飞机、雷达、光纤等有复杂表面上，因而有望成为太赫兹调制器件发展的一个重要的方向。然后，以上提到的石墨烯晶体管太赫兹调制器的的调制深度仅有20％左右，且只能实现开关两个状态，这些因素限制了该调制器在太赫兹波通信、太赫兹波探测、太赫兹波成像领域的广泛应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于柔性石墨烯场效应晶体管结构的多级太赫兹调制器，用以克服现有石墨烯晶体管太赫兹调制器的调制深度低及只能实现开关两个状态的缺陷；本发明的核心是采用双层柔性石墨烯场效应晶体管结构，两个柔性石墨烯场效应晶体管分别设置于同一柔性衬底的两侧，能够大幅提升器件调制深度至37％以上；同时，通过合理控制两个柔性石墨烯场效应晶体管，能够获得多个调制状态，实现对太赫兹波幅度的多级调制，使得太赫兹调制器能够在单一信道内实现更高数据速率的传输，也可以广泛用在太赫兹成像和探测等系统中；另外，本发明调制器同样具有柔性、宽带、低插损等优点。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：