可调节电偏置悬挂式石墨烯场效应管

摘要

本发明公开了通讯技术领域一种可调节电偏置悬挂式石墨烯场效应管，包括栅极、SiO

说明书

技术领域

本发明涉及信息通讯技术领域，特别涉及一种石墨烯场效应管。

背景技术

太赫兹（THz）波是指频率在0.1 THz到10 THz 范围的电磁波，在太赫兹成像、太赫兹雷达、医疗诊断、物质检测以及6G无线通讯等领域显现出广阔的应用前景。在太赫兹技术发展过程中，应用在太赫兹波段下的相关功能器件的匮乏是制约太赫兹技术进一步发展的主要因素之一。因此，寻找和开发在太赫兹波段工作的高性能的材料和相关器件是当前太赫兹技术领域内研究人员所追求的且迫切需要解决的问题。

石墨烯材料是一种碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的新材料，自2004年被首次机械剥离得到以来，由于其具有特殊的能带结构，宽广的光谱响应范围、极高的载流子迁移率以及可调的费米能级等特有的物理性质，得到了广泛的应用。由于高迁移率和高导热性的特殊性质，石墨烯即使在微小的偏置电场作用下都极易产生热电子，石墨烯在直流偏置电场作用下，呈现出类黑体辐射的热辐射形式，向外界辐射能量。当前石墨烯及其器件在远红外（Far-Infrared）、近红外（Near-Infrared）以及可见光（Visible Light）波段的辐射具有丰富的研究报告和广阔的应用前景，但是，电偏置石墨烯在具有更低频率的太赫兹波段的辐射现象却鲜有报道。原因是电偏置石墨烯辐射的频率以及效率不仅受到石墨烯中热电子的空间分布、温度以及浓度等参数的影响，而且石墨烯中载流子的电学输运机制（散射机制）以及电子-光学声子间的耦合效应也会对辐射机制产生作用，这些复杂的因素导致了石墨烯在太赫兹波段，特别是太赫兹低频率波段的辐射效率较低。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种可调节电偏置悬挂式石墨烯场效应管，解决了石墨烯中热电子的空间分布、温度不均以及浓度不均的问题，提高辐射效率从而使得在直流偏置电场作用下该场效应管可产生太赫兹辐射信号、并且通过调节沟道宽度来调节信号辐射频率。

本发明的目的是这样实现的：一种可调节电偏置悬挂式石墨烯场效应管，包括栅极、SiO

所述SiO

作为本发明的进一步限定，所述梯形沟道的中部还设置有一单层石墨烯，对应位置设置有栅极、源极以及栅极。

作为本发明的进一步限定，设置在单层石墨烯下方的沟道宽度为100±5nm，深度为200nm。

作为本发明的进一步限定，所述宽沟道位置的宽度为150±5nm，深度为200nm。

作为本发明的进一步限定，所述窄沟道位置的宽度为50±5nm，深度为200nm。

作为本发明的进一步限定，所述金电极通过磁控溅射方法在SiO2衬底正面生长，厚度为100±10 nm。

作为本发明的进一步限定，所述单层石墨烯的厚度为5±1nm。

本发明通过在衬底上刻蚀沟道来将石墨烯“悬挂”于衬底之上，使得沟道上方的石墨烯处于悬挂弧形状态；

其一，由于石墨烯与衬底不在接触，从而可以避免石墨烯辐射的能量向衬底中传导，从而能有效提高石墨烯中的热电子温度，解决现有热电子温度分布不均的问题，有利于提高辐射效率，为辐射出太赫兹波提供了效率基础；

其二，由于石墨烯层平面处于悬挂弧形状态，使得石墨烯层的表面各处具有不同的表面曲率，在电偏置的作用下有利于热电子局域化分布，形成相应的热点，解决了现有热电子浓度分布不均的问题，进一步提高辐射效率，进一步增强了效率基础；

其三，由于设计出的沟道结构，使得石墨烯层可以利用石墨烯辐射光和来自沟道的反射光形成干涉效应，从而提高辐射效率；

其四，由于设计出的梯形沟道结构，实现了通过调节不同沟道宽度来调控石墨烯太赫兹辐射的频率，最终获得辐射在340 GHz ~ 1 THz范围内的悬挂式石墨烯原型器件。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明通过设计梯形沟道，通过电压偏置的作用下在石墨烯上直接探测到太赫兹波辐射，为电偏置石墨烯太赫兹商业器件提供了实践基础实现不仅可以产生太赫兹波；同时通过梯形结构宽度的渐变特性，实现对频率的调节，为后期应用提高了基础。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明俯视结构示意图。

图2为本发明宽沟道处剖面图。

图3为本发明中沟道处剖面图。

图4为本发明窄沟道处剖面图。

图5为本发明测试太赫兹辐射的测试平台示意图。

图6为本发明测试太赫兹辐射的测试电路示意图。

图7为340 GHz太赫兹探测器的工作特征曲线。

图8为340 GHz太赫探测器中的信号电流。

图9为600 GHz太赫兹探测器的工作特征曲线。

图10为600 GHz太赫探测器中的信号电流。

图11为900 GHz太赫兹探测器的工作特征曲线。

图12为900 GHz太赫探测器中的信号电流。

其中，1栅极，2SiO

具体实施方式

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，都属于本发明保护的范围。

如图1所示的一种可调节电偏置悬挂式石墨烯场效应管，包括栅极、SiO

SiO

如图2所示，其中一个单层石墨烯设置在SiO

如图3所示，另一个单层石墨烯设置在SiO

如图4所示，最后一个单层石墨烯设置在SiO

下面对上述场效应管进行测试，选用三款天线耦合氮化镓/氮化铝镓高电子迁移率晶体管芯片（GaN/AlGaNhigh-electron-mobilitytransistor）作为探测器，分别对应340GHz、600GHz以及900GHz；芯片组在4K低温下的开启电压（VT）分别为-3.48V、-3.18V和-3.08V，噪声等效功率在室温下为3pW/

采用如图5所示的测试平台，在测试支架上，场效应管样品和太赫兹探测器面对面放置，距离在0.5cm ~ 3cm之间可以进行机械式调节。测试支架通过低温管与相关测试设备进行电学连接，并放置在 Oxford 低温测试系统中进行变温测试，温度范围可在300 K—10K 之间进行调节。

采用如图6所示的测试电路，当给定太赫兹探测器一定的工作电压（栅极电压），如果有相应频率的太赫兹辐射从石墨烯中产生，通过硅透镜聚集到太赫兹探测器处，会在太赫兹探测器源漏间形成额外的光诱导电流，通过光诱导电流的大小与栅极电压之间的关系，可以获得太赫兹辐射的频率及其强度；外接测试平台的源表设备有用于施加并扫描太赫兹探测器栅电压的 yokogawa 电压源表, 输出电流信号的电流电压转换放大器，测试电压信号的 keysight 电压表以及交流信号测试的锁定放大器（Lock-In Amplifier）；锁定放大器的交流输出，通过直流-交流加法器共同作用到太赫兹器件的栅极上，可以进行输出信号一阶导数的检测，提高信号的精度；此外，该测试平台采用的锁定放大器是目前为止信号提取能力最好的设备，dynamic reserve 达到100 dB，同时拥有多通道的信号采集与多阶信号处理的能力。

图7为340 GHz太赫兹探测器的工作特征曲线，图8为沟道宽度为50 nm、沟道深度为200 nm的场效应管局部在不同的偏置电流作用下，探测器中的信号电流，说明随着石墨烯中偏置电流越大，辐射在340 GHz附近的太赫兹信号越强烈。

图9为600 GHz太赫兹探测器的工作特征曲线，图10为沟道宽度为100nm、沟道深度为200 nm的场效应管局部在不同的偏置电流作用下，探测器中的信号电流，说明随着石墨烯中偏置电流越大，辐射在600 GHz附近的太赫兹信号越强烈，同时还能说明了随着石墨烯沟道宽度的变化，可有效调节石墨烯太赫兹辐射的辐射频率，随着沟道的变宽，太赫兹辐射频率向高频段转移。

图11为900GHz太赫兹探测器的工作特征曲线，图12为沟道宽度为石墨烯沟道宽度为150 nm、沟道深度为200 nm的场效应管局部在不同的偏置电流作用下，探测器中的信号电流，说明随着石墨烯中偏置电流越大，辐射在900 GHz附近的太赫兹信号越强烈，同时还能说明了随着石墨烯沟道宽度的变化，可有效调节石墨烯太赫兹辐射的辐射频率，随着沟道的变宽，太赫兹辐射频率向高频段转移。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。