基于激子绝缘体相特性的太赫兹探测器及其制备方法

摘要

本发明揭示了一种基于激子绝缘体相特性的太赫兹探测器及其制备方法，所述太赫兹探测器基于钽镍硒在室温下具有激子绝缘体相特性实现对太赫兹波的有效探测，所述制备方法包括：S1、提供衬底；S2、在衬底上通过热氧化法制备氧化层；S3、在氧化层上制备钽镍硒沟道层；S4、在部分氧化层及部分钽镍硒沟道层上制备电极层。本发明基于钽镍硒的优异物理特性，其窄的直接带隙和室温下激子绝缘体相用于室温太赫兹探测器，实现了室温下的高速、宽谱和高灵敏探测，为室温太赫兹探测器的应用奠定了基础。

说明书

技术领域

本发明属于太赫兹探测器技术领域，具体涉及一种基于激子绝缘体相特性的太赫兹探测器及其制备方法。

背景技术

太赫兹（Terahertz，THz）辐射通常指的是波长在30µm∼3mm(0.1 THz ∼10 THz)、介于毫米波与红外波之间的电磁波，处于微波电子学和红外光子学的交叉、过渡区域。太赫兹波具有低能量（1 THz~4 meV，不会对生物体细胞结构造成破坏）、高透射（能穿透许多非金属以及非极性材料）、安全性、指纹谱性以及高带宽特性等特性，使其在无损检测、安全检查、空间通信、生物医学等领域有着广泛的应用。

太赫兹应用中的核心器件是太赫兹辐射源和太赫兹探测器，而室温、高速、高灵敏的固态太赫兹探测器在其中具有举足轻重的作用。一般来说，太赫兹探测技术可分为相干探测（同时获取幅值和相位信号）和非相干探测（仅获取幅值信号）两种。非相干探测是利用探测器将太赫兹信号转换为电流/电压信号，从而实现太赫兹波的探测，相较于相干探测，其结构更简单，便于小型化。非相干探测，目前市面上已有一些商用的太赫兹探测器，第一类是基于热效应的热释电探测器、辐射热探测器和高莱探测器，此类探测器有灵敏度或响应速度的限制；而另一类基于超导的探测器，其灵敏度是目前最高的，但需要在极低温下工作。

因此，亟需开发新的材料和探索新的原理来实现室温高灵敏太赫兹探测技术。三元层状材料钽镍硒（Ta

现有太赫兹探测器基于热效应或超导型都面临着各自的问题，包括响应速度慢、灵敏度低以及需要低温等，无法满足现有太赫兹技术应用的需求；同时，针对新型低维半导体材料中出现的新奇物理特性，未能很好的应用于太赫兹探测中，没有进一步探索探测机制。

因此，针对上述技术问题，有必要提供一种基于激子绝缘体相特性的太赫兹探测器及其制备方法。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于激子绝缘体相特性的太赫兹探测器及其制备方法。

为了实现上述目的，本发明一实施例提供的技术方案如下：

一种基于激子绝缘体相特性的太赫兹探测器的制备方法，所述太赫兹探测器基于钽镍硒在室温下具有激子绝缘体相特性实现对太赫兹波的有效探测，所述制备方法包括：

S1、提供衬底；

S2、在衬底上通过热氧化法制备氧化层；

S3、在氧化层上制备钽镍硒沟道层；

S4、在部分氧化层及部分钽镍硒沟道层上制备电极层。

一实施例中，所述步骤S1中的衬底为高阻本征硅衬底，电阻率大于或等于20000Ω·cm。

一实施例中，所述步骤S2具体为：

在高阻本征硅衬底上通过干氧-湿氧-干氧氧化法制备厚度为200~400nm的二氧化硅层。

一实施例中，所述步骤S3具体为：

对制备有氧化层的衬底进行超声清洗；

通过化学气相输运法生长钽镍硒块材；

通过机械剥离的方法将钽镍硒层从块材上转移到氧化层上，形成钽镍硒沟道层；

其中，所述钽镍硒沟道层的厚度为20~50nm，尺寸为50~1000μm

一实施例中，所述步骤S4具体为：

采用紫外光刻工艺或电子束光刻工艺在氧化层及钽镍硒沟道层上制备光刻胶掩膜，并通过电子束蒸发工艺蒸镀形成电极层，最后剥离光刻胶掩膜。

本发明另一实施例提供的技术方案如下：

一种基于激子绝缘体相特性的太赫兹探测器，所述太赫兹探测器从下向上依次包括衬底、氧化层、钽镍硒沟道层、及电极层，所述电极层分布于部分氧化层及部分钽镍硒沟道层上，所述太赫兹探测器基于钽镍硒在室温下具有激子绝缘体相特性实现对太赫兹波的有效探测。

一实施例中，所述电极层包括呈蝶形天线结构的第一电极和第二电极、第三电极和第四电极、及第一电极线和第二电极线，其中，第三电极和第四电极分别位于第一电极和第二电极旁侧、第一电极与第三电极通过第一电极线电性连接，第二电极与第四电极通过第二电极线电性连接。

一实施例中，所述第一电极和第二电极之间的间隙为200~500nm；和/或，所述电极层下层为铬层，上层为金层，铬层的厚度为5~20nm，金层的厚度为60~80nm。

一实施例中，所述衬底为高阻本征硅衬底，电阻率大于或等于20000Ω·cm。

一实施例中，所述氧化层为二氧化硅层，厚度为200~400nm；和/或，所述钽镍硒沟道层的厚度为20~50nm，尺寸为50~1000μm

本发明具有以下有益效果：

本发明基于钽镍硒的优异物理特性，其窄的直接带隙和室温下激子绝缘体相用于室温太赫兹探测器，实现了室温下的高速、宽谱和高灵敏探测，为室温太赫兹探测器的应用奠定了基础。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明中太赫兹探测器的结构示意图；

图2为本发明中太赫兹探测器制备方法的流程示意图；

图3为本发明一具体实施例中太赫兹探测器的平面结构示意图；

图4a、4b分别为本发明一具体实施例中太赫兹探测器的变温拉曼光谱图和变温电学性能图；

图5a、5b分别为本发明一具体实施例中太赫兹探测器在0.10 THz工作频率下的变温响应波形图和光电流随温度的变化曲线图；

图6为本发明一具体实施例中太赫兹探测器在室温下不同工作频率（0.03 THz、0.10 THz、0.12 THz和0.30 THz）的响应波形图；

图7为本发明一具体实施例中太赫兹探测器在偏压调控下的太赫兹响应性能图；

图8为本发明一具体实施例中太赫兹探测器在室温下0.1 THz波段的单一响应波形图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

参图1所示，本发明公开了一种基于激子绝缘体相特性的太赫兹探测器，其从下向上依次包括衬底10、氧化层20、钽镍硒沟道层30、及电极层40，电极层40分布于部分氧化层及部分钽镍硒沟道层30上，太赫兹探测器基于钽镍硒在室温下具有激子绝缘体相特性实现对太赫兹波的有效探测。

参图2所示，本发明还公开了一种基于激子绝缘体相特性的太赫兹探测器的制备方法，包括：

S1、提供衬底；

S2、在衬底上通过热氧化法制备氧化层；

S3、在氧化层上制备钽镍硒沟道层；

S4、在部分氧化层及部分钽镍硒沟道层上制备电极层。

以下结合具体实施例对本发明作进一步说明。

参图1所示，本实施例中的室温钽镍硒太赫兹探测器，从下向上依次包括衬底10、氧化层20、钽镍硒沟道层30、及电极层40，电极层40分布于部分氧化层及部分钽镍硒沟道层30上。其中：

衬底为高阻本征硅衬底，电阻率大于或等于20000Ω·cm；

氧化层为二氧化硅层，厚度为200~400nm；

钽镍硒沟道层的厚度为20~50nm，尺寸为50~1000μm

具体地，本实施例中衬底为电阻率等于20000Ω·cm的高阻本征硅衬底，二氧化硅层的厚度为285 nm，钽镍硒沟道层的厚度为35nm。

电极层为双层金属电极，下层为铬（Cr）层，上层为金（Au）层，铬层的厚度为5~20nm，金层的厚度为60~80nm。如本实施例中的铬层的厚度为10nm，金层的厚度为70nm。

结合图3、图4a、图4b所示，本实施例中的电极层包括呈蝶形天线结构的第一电极41和第二电极42、第三电极43和第四电极44、及第一电极线45和第二电极线46，其中，第三电极和第四电极分别位于第一电极和第二电极旁侧、第一电极与第三电极通过第一电极线电性连接，第二电极与第四电极通过第二电极线电性连接，第一电极41和第二电极42之间的间隙为200~500nm。本实施例中，第一电极和第二电极的尺寸约为80μm*60μm，第三电极和第四电极的尺寸约为150μm*150μm。

本实施例中蝶形天线结构总长为80μm，宽为60μm，第一电极41和第二电极42之间的间隙为350nm，可以有效的将太赫兹辐射汇聚到沟道中，实现太赫兹电场的局域增强。

参图2并结合图3所示，本实施例中室温钽镍硒太赫兹探测器的制备方法，具体包括以下步骤：

1、提供衬底10。

本实施例的衬底为2cm*2cm的高阻本征硅衬底，电阻率等于20000Ω·cm。

2、在衬底10上通过热氧化法制备氧化层20。

在高阻本征硅衬底上通过干氧-湿氧-干氧氧化法制备厚度为285nm的二氧化硅层，干氧-湿氧-干氧氧化法为现有技术中的热氧化法，此处不再详细说明。

3、在氧化层20上制备钽镍硒沟道层30。

首先对制备有氧化层的衬底使用丙酮、异丙醇和去离子水依次进行超声清洗；

通过化学气相输运法生长钽镍硒块材；

通过机械剥离的方法将钽镍硒层从块材上转移到氧化层上，形成钽镍硒沟道层；

本实施例中钽镍硒沟道层的厚度为35nm，尺寸为200μm

4、在部分氧化层及部分钽镍硒沟道层上制备电极层。

采用紫外光刻工艺或电子束光刻工艺在氧化层及钽镍硒沟道层上制备光刻胶掩膜，并通过电子束蒸发工艺蒸镀形成电极层，最后剥离光刻胶掩膜。

本实施例中的电极层结构如图3所示，此处不再进行赘述。

通过上述步骤即可制备得到室温钽镍硒太赫兹探测器。

本发明中钽镍硒的激子绝缘体相相较于常规相可有效实现太赫兹探测。首先，利用拉曼光谱和变温电学测试验证了钽镍硒存在相变，在室温下具有稳定的激子绝缘体相，其结果如图4a、4b所示。测试结果显示，在高温下其相结构不同于室温条件，恢复室温后结构相可以恢复；同时，变温电学显示其结构相变点发生在328 K左右，其电阻有一个较明显的跳变。

对钽镍硒太赫兹探测器进行变温光电响应的测试，其结果如图5a、5b所示。测试结果显示，0.1 THz频率下的太赫兹响应光电流随温度的增加而减小。其结果表明，室温下的激子绝缘体相更适合于太赫兹探测，可以实现更优异的探测性能。

随后，对钽镍硒太赫兹探测器进行室温光电响应的测试，其结果如图6~图8所示。测试结果表明，在室温下钽镍硒太赫兹探测器对不同频段的太赫兹波（0.03、0.1、0.12和0.3 THz）均有较强的响应。其中，在0.1 THz频率下，有较好的偏压调控特性，室温太赫兹响应度可以达到754 V/W，噪声等效功率达到43 pW/Hz

综上可见，本发明中三元层状材料钽镍硒（Ta

由以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：

本发明基于钽镍硒的优异物理特性，其窄的直接带隙和室温下激子绝缘体相用于室温太赫兹探测器，实现了室温下的高速、宽谱和高灵敏探测，为室温太赫兹探测器的应用奠定了基础。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。