具有全光调控放大响应的超宽带探测器件及其应用的制作方法

本发明属于太赫兹红外探测，具体涉及具有全光调控放大响应的超宽带探测器件及其应用。

背景技术：

1、随着信息技术、移动通信技术、人工智能技术与大数据技术的深度融合，5g在技术和业务两个层面正在被驱动着向6g演进，这就对tbps级通信速率和毫米级感知精度等网络性能提出需求；太赫兹波段是未来通感一体的重要技术手段，面对通感一体所面临的环境多样化、隐蔽目标特征复杂化问题，以通讯与成像为应用对象的太赫兹thz技术充分展现了在复杂环境下探测的优势。传统光电器件依赖于窄带隙半导体或能带工程的发展，在低能光子频带存在性能指数下降的趋势，需要深低温来抑制噪声以获得足够的灵敏度，面临着本征极限的问题。硅等传统半导体材料器件尺寸的进一步缩小仍然受到传统半导体固有的3d特性的限制，具有合适带隙和带结构的层状半导体材料迎来了巨大的机遇，但其在精细合成、器件性能等方面仍然存在挑战。

2、复杂环境下红外长波及太赫兹探测因其较低的光子能量受限于材料禁带，从而面临着耦合效率低、信噪比差、工作温度低及适用范围窄等关键科学问题，制约了复杂环境下微弱信号探测的发展，具备双重或多重复合成像特点的超宽带高灵敏探测是重要的发展方向。超宽带高灵敏探测是一种新型的探测技术，其特点是能够覆盖很宽的频率范围，同时具有很高的灵敏度。这种技术在许多领域都有广泛的应用，如通信、雷达、医疗和军事等。

3、实现超宽带光电探测器高灵敏度的关键策略是实现高增益和选择合适的沟道和电极材料进行能带匹配。传统的高增益光电探测器，包括雪崩光电二极管和光电倍增器，需要严格控制其复杂的制造过程。除此之外，还有基于新型低维材料的雪崩机制光电探测技术被提出，为提高光电探测器的灵敏度开辟了新的道路。例如，有研究发现了一种新型的高增益机制，通过选择合适沟道和电极材料进行能带匹配，使其在光照下晶体管源、漏端的势垒降低并形成正反馈，从而获得了超高灵敏度的二维材料。

4、红外长波及太赫兹较低的输出功率及其较低的光子能量使其在探测领域内始终饱受环境热噪声、偏压噪声以及材料带隙不匹配等因素的影响。例如，以能带调控为主的光电器件量子阱、杂质带等通过红外波段延伸到太赫兹频段其量子效率随波长急剧下降，不可避免面临深低温、暗电流的固有难题；以微波甚高频电子技术在太赫兹频段面临着短沟道效应极限，增加工艺难度与成本；基于热辐射作用原理（bolometer、热释电、超导探测）难以兼顾工作频段、速度、工作温度等综合特性问题。

5、因此，如何解决以窄带隙半导体能带探测模式带来的瓶颈，且提供一种实现室温工作、高灵敏度、全光调控放大的、低噪声、高集成度的超宽带探测器，以满足干扰、隐身、伪装等复杂环境下目标探测与成像的需求，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、本发明的第一个目的在于，针对现有技术中的问题，提供一种具有全光调控放大响应的室温超宽带探测器件。

2、为此，本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

3、具有全光调控放大响应的超宽带探测器件，包括覆盖氧化硅的硅衬底，硅衬底上依次转移黑磷层、石墨烯层和硒化铟层，所述黑磷层、石墨烯层和硒化铟层构成三明治结构；

4、还包括四叶草天线的四端电极及其相应的引线电极，四叶草天线的四端电极包括第一成对电极和第二成对电极，其中，第一成对电极中的一个电极仅与黑磷层接触，另一个电极仅与硒化铟层接触，构成的异质结构器件用于红外响应与全光调控；第二成对电极与石墨烯层接触，用于太赫兹宽频段响应探测。

5、在采用上述技术方案的同时，本发明还可以采用或者组合采用如下技术方案：

6、作为本发明的优选技术方案：所述覆盖氧化硅的硅衬底厚度约为0.5~1 mm。

7、所述硒化铟层形成的导电沟道长度为4~6 μm，硒化铟层的厚度为10 nm；

8、所述石墨烯层形成的导电沟道长度为4~6 μm，石墨烯层的厚度为10 nm，迁移率为1000~10000 cm2 v-1 s-1，载流子浓度为1011~1014 cm-2；

9、所述黑磷层形成的导电沟道长度为4~6 μm，黑磷层的厚度为10 nm；

10、所述四叶草天线的四端电极厚度为50 ~100 nm，其相应的引线电极厚度为200~400 nm。

11、作为本发明的优选技术方案：所述三明治结构与所述四叶草天线的四端电极以及相应的引线电极之上覆盖氮化硼绝缘层，所述防止器件导电沟道氧化。

12、作为本发明的优选技术方案：所述氮化硼绝缘层的长度为6~8 μm，厚度为10 nm。

13、本发明的第二个目的在于，针对现有技术中的问题，提供一种具有全光调控放大响应的室温超宽带探测器件的应用。

14、为此，本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

15、采用具有全光调控放大响应的超宽带探测器件的应用，用于实现全光调控，入射光分为待探测光与调控光，调控光是可见光，待探测光包括可见光、红外乃至太赫兹，调节调控光的入射光强弱，即可调控所述具有全光调控放大响应的超宽带探测器件对于带待探测光的光电响应幅度大小，从而实现本器件的全光调控功能。

16、本发明的第二个目的在于，针对现有技术中的问题，提供一种具有全光调控放大响应的室温超宽带探测器件的应用。

17、为此，本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

18、采用具有全光调控放大响应的超宽带探测器件的应用，用于实现光放大响应，入射光分为待探测光与调控光，调控光是可见光，待探测光包括从可见光到太赫兹的全波段光，在普通探测环境下，给具有全光调控放大响应的超宽带探测器件施加额外的调控光，即可放大本器件对于待探测光的响应幅度，从而实现本器件的光放大响应功能。

19、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明的具有全光调控放大响应的室温超宽带探测器件及其制备方法，提出一种基于石墨烯、硒化铟和黑磷等新型半导体材料，并利用这些材料的高迁移率和可调载流子浓度，实现对太赫兹、红外波段的多波段、高响应和光调控放大探测。

20、本发明的具有全光调控放大响应的室温超宽带探测器件，利用黑磷层、石墨烯层和硒化铟层接触构成异质结构器件，利用黑磷材料的宽谱响应特性实现可见光和红外光的探测，利用硒化铟材料的铁电特性实现全光调控放大响应，结合石墨烯材料的高迁移率与可调载流子浓度，实现对太赫兹红外波段的多波段、高响应和全光调控放大探测，同时利用石墨烯材料作为光敏导电沟道时具有高且可调的载流子迁移率，通过石墨烯太赫兹等离子体波整流或热电效应，实现对太赫兹信号的宽频响应探测。

21、本发明中，集成四叶草天线的四端电极，利用一组太赫兹波耦合天线的四叶草天线的四端电极，通过操纵光场耦合与分布，达到不同通道光耦合增强的效果，有利于器件多波段探测以及全光调控放大响应，为实现复杂环境下微弱信号高灵敏度、自适应探测奠定了器件设计基础。

22、本发明的具有全光调控放大响应的室温超宽带探测器件及其应用，提供了一种在室温条件下黑磷材料、石墨烯材料、硒化铟材料、氮化硼绝缘层、四叶草天线和覆盖氧化硅的硅衬底结构的全光调控放大响应的探测器件，对太赫兹、红外波段可实现多波段、高响应及全光调控放大探测。