基于新型半导体材料的太赫兹探测器研究

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作为人类尚未大规模使用的最后一段电磁频谱资源,太赫兹(THz)波不仅在波与物质相互作用等基础研究领域,还是在安检成像、雷达、通信、天文、大气观测和生物医学等技术领域,均有深刻的研究意义和广泛的应用前景。21世纪以来,随着半导体材料以及电子技术的飞速发展,太赫兹探测技术研究取得了重大的突破。但是目前由于灵敏度以及稳定性等问题,室温检测器技术尚未成熟,太赫兹探测器还没有被广泛应用。高灵敏度以及高稳定性的固态太赫兹检测器技术是太赫兹探测器件研究的重要方向之一。本文主要进行了基于1T-TaS2、1T-TiTe2以及GaAs/AlGaAs等二维半导体材料的高电子迁移率晶体管(HEMT)探测器制备。通过材料选择,对器件结构、尺寸等进行优化提升探测器性能。这类探测器制备工艺比较简单,与硅基半导体兼容,成本较低,探测性能与目前同类器件相比具有很强的竞争力。研究为新型太赫兹探测器开发注入了新的研究内容,提供了新的研究结果。论文具体内容和结果主要包括以下几个方面:1.对响应材料的选择是制备太赫兹器件的核心部分。我们基于典型的半金属材料1T-TiTe2进行了太赫兹探测器的制备。利用机械剥离的方法将1T-TiTe2转移到Si/SiO2衬底上,并采用紫外光刻和热蒸镀等微纳工艺制备了器件的蝶形天线结构和源漏电极。我们基于1T-TiTe2材料制备的太赫兹探测器件电阻约为500欧左右,在微波下能够达到1.8A/W的电流响应率,其响应速度也能达到μs量级,并且器件在太赫兹频率下也能达到12m A/W的响应。2.实现太赫兹波段的高响应率探测是本文研究工作的一个重要目标。为了实现这个目标,我们设计了对数天线结构和尺寸,制备了天线集成的电荷密度波(CDW)探测器件。在室温条件下,将由于电压驱动下1T-TaS2从NC-CDW相转变为IC-CDW相,电阻减小。基于1T-TaS2这种相变性质,我们进行了太赫兹探测器件制备,实现了基于1T-TaS2材料的太赫兹探测器响应率的增强。3.我们制备了基于GaAs/AlGaAs的太赫兹探测器。GaAs/AlGaAs组成的异质结结构具有非常高的电子迁移率,其二维电子气等离子体波可以与太赫兹波发生共振,因此GaAs/AlGaAs太赫兹探测器可以实现太赫兹波的探测。此外,由于GaAs材料相较于二维材料较稳定,因此GaAs/AlGaAs HEMT器件可长时间工作在空气中。我们利用制备的GaAs/AlGaAs器件实现了太赫兹连续波的成像。
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