物理化学学报 | 北京大学尹建波团队：耦合蝶形天线的石墨烯室温太赫兹探测器

第一作者：杨嘉炜

通讯作者：尹建波，关宝璐，胡清梅

通讯单位：1. 北京工业大学信息学部；2. 北京石墨烯研究院；3.北京大学电子学院

此研究论文是北大纳米化学研究中心30周年专刊邀请稿，客座编辑：彭海琳教授、唐智勇研究员、林立研究员。

主要亮点

本文报道了一种天线/栅极一体化的石墨烯太赫兹探测器，该探测器的核心设计是：利用蝶形天线将入射太赫兹光场缩减至< 1 μm的天线间隙区域，以增强太赫兹波的吸收；同时将天线的两极作为器件的两个栅极，在石墨烯中调控出pn结，使天线间隙区同时成为光生载流子的分离区。通过同步增加光生载流子的产生及分离效率，在室温下实现了对太赫兹的高效探测，在2.7 THz处探测的噪声等效功率达到1 nW·Hz^−1/2量级，且该设计具有进一步的优化空间及可集成潜力，有望成为室温太赫兹探测的解决方案。

研究背景

太赫兹光谱区是指频率在0.1–10 THz之间的光谱范围，该频段处于电子学向光子学过渡的区域，使太赫兹辐射同时具备微波和光波的特性。相较于微波和毫米波，太赫兹波的波长较短，因此在探测和成像方面具有更高的分辨率；而与可见光和红外光相比，太赫兹波的波长较长，具有更强的穿透力。太赫兹相关的研究极具吸引力，其在半导体、生物医学、通信和成像等多个领域有广泛的潜在应用。然而，截至目前，太赫兹探测技术仍未成熟，目前市场上还没有一种太赫兹探测器能够同时满足快速响应、高灵敏度、高工作频率和室温工作的要求。本文报道了一种石墨烯太赫兹探测器设计方法，该探测器通过将蝶形天线与石墨烯pn结构建至一个器件中，利用蝶形金属天线将波长为110 mm (2.7 THz)的太赫兹远场光汇聚至约800 nm的石墨烯THz吸收层，同时将这蝶形天线的两极设计为两个独立栅极，将800 nm的吸收层转变为可分离光电子的pn结区，通过增强局域光场增加太赫兹吸收，并同时增强光电子分离效率，将正交极化方向的消光比提升了1到2个数量级，在室温下实现了较低的噪声等效功率(NEP) ~1 nW·Hz^−1/2。这一设计为太赫兹探测提供了新的技术路径。

核心内容

1.  石墨烯室温太赫兹探测器的设计

石墨烯太赫兹探测器的设计及结构如图1a–c所示。在沟道区域，采用六方氮化硼(hBN)封装的单层石墨烯，并将沟道刻蚀为H形以降低接触电阻，之后在沟道上沉积20 nm的HfO2，其与hBN一同作为顶栅介电层。利用蝶形天线以增强光吸收，并将天线两端分别作为器件的左右顶栅，施加栅压分别为V_L和V_R，两个栅极间隙为800 nm。蝶形天线的作用是将太赫兹辐射波汇聚到石墨烯沟道中，引起带内吸收并随之产生热载流子；同时，在间隙两边提供栅极电压，通过电容耦合的方式在石墨烯沟道中形成pn结，实现光响应所需的塞贝克系数梯度。通过将天线与栅极结合，可以实现入射太赫兹波汇聚区域和石墨烯沟道光响应区域的有效重叠，最大限度地提升沟道区域的电子温度，进而提高探测效率。此外，采用hBN封装的石墨烯具有高迁移率和低掺杂(如图1d所示)的优点，可以在接近狄拉克点(最低载流子浓度点)的位置进行栅压调控，进而利用该点附近塞贝克系数梯度最大的特点实现强的光热电效应。最后，降低沟道核心部分的宽度可以提升热载流子的温度，增加光响应的强度。利用三维电动位移台扫描样品得到光电流(I_ph)在空间上的强度分布，如图1e–f所示。由于太赫兹光斑远大于沟道响应区域，所以I_ph的强度分布可以反映太赫兹光斑的特点。

图1  (a) 耦合天线的石墨烯太赫兹探测器示意图；(b) 器件侧视图；(c) 制备后器件的光学图像。比例尺为10 μm；(d) 石墨烯拉曼光谱中G峰与2D峰位置特征图，红色和蓝色虚线表示应力与掺杂的变化曲线。插图：单层石墨烯的典型拉曼光谱；(e) 探测器的太赫兹光电流图。白色虚线表示器件的轮廓。比例尺为500 μm；(f) 与图(e)相同的图，但以三维等高线的形式显示。插图：在X和Y方向上最大值点的线剖面(分别为蓝色和红色)。

2.  太赫兹天线的设计

天线的设计和实现是整个工作的重点。为了提高器件对太赫兹辐射的吸收效率，需要设计具有高电场增益的天线。通过调整天线的半臂长度(L)、工作频率(f)、天线间隙宽度(L_gap)和偏振特性等关键参数，逐步找到最优质设计值。图2a绘制了以固定频率f = 2.7 THz照射器件时，天线中心的面内电场分量随L变化的增强效果图，其中峰值最强处位于L = 25 μm处。调节L_gap也可以改变其对太赫兹电磁场的约束能力，从图2b可以看出，局域电场强度与L_gap负相关，考虑到器件工艺难度和微纳加工设备的限制，我们设计的天线L_gap = 800 nm。确定天线半臂长和间隙尺寸后，我们进一步仿真得到器件的光谱响应特性，如图2c所示，该天线在2.7 THz时电场增强效果最佳，且在2–3.2 THz范围内都具有一定的增强效果，这一结果证明我们设计的天线具有一定的光谱适用范围。

我们还对天线的偏振响应特性进行了实验和仿真研究，结果如图2e,f所示。当入射光偏振方向平行于天线主轴方向时，光电流达到最大值，当入射光偏振方向垂直于天线主轴方向时，光响应降至最低，正交极化方向的消光比提升了1到2个数量级。我们在图2f中用红线标明了仿真结果，发现其与实验结果吻合得很好，这也确认了我们天线设计的合理性。

 图2  (a) 模拟的电场增强与天线半臂长L的关系；(b) 模拟的电场增强与辐射频率的关系，偏振方向如黑色箭头所示；(c) 模拟的电场增强与天线间隙的关系；(d) 天线处电场增强的空间分布图。比例尺为10 μm；(e) 光电流与偏振方向的实验关系；(f) 图(e)中数据的极坐标图，红色为模拟曲线。

3.  太赫兹探测器的光电特性

器件的电学和光电测量是在常温、大气环境下进行的。蝶形天线还可作为器件的两个独立的顶栅，用来调控石墨烯沟道区域载流子分布，进而构造pn结，增加结两侧的塞贝克系数梯度，以增强载流子分离效率，提升太赫兹探测的灵敏度。我们首先在两个顶栅上施加相同的栅压V_L = V_R得出沟道电阻R随石墨烯载流子浓度n的变化情况，如图3a，d所示，经计算和拟合得到常温下电子和空穴的迁移率分别是23000和20000 cm²∙V⁻¹∙s⁻¹。调控栅极电压V_L和V_R获得的光电响应如图3e所示，光电流方向发生了多次变化，响应图案呈现出六个不同区域，且在V_L = −2 V和V_R = 0.4 V时光电流达到了最大值2.31 mA∙W⁻¹。器件在最佳工作点(V_L = −2 V，V_R = 0.4 V)时，NEP(噪声等效功率)达到1 nW∙Hz^−1/2。

图3  (a) 电阻R与载流子密度的关系；(b) 光响应率(ℜ_ph)和塞贝克系数的关系；(c) 器件光电流响应度ℜ_ph (红色实线)和塞贝克系数S_R (黑色实线)的变化曲线；(d) 电阻R与两个顶栅电压的关系。虚线表示图(a)中的数据；(e) 光响应率ℜ_ph与两个顶栅电压的关系。实线和虚线分别表示图(b)和(c)中的数据；(f) 噪声等效功率(NEP)。

结论与展望

通过设计太赫兹蝶形天线，并将其应用于左右分离栅极，不仅成功提高了石墨烯对太赫兹波的吸收率，进而增加了石墨烯器件中的热电子温度，而且通过调控pn结中的塞贝克系数梯度，提高了热载流子转化至光电流的效率，最终实现了可在室温工作的高灵敏度太赫兹探测器(NEP ~ 1 nW∙Hz^-1/2)。通过进一步减小天线间隙并降低石墨烯沟道宽度，可以进一步提升探测器效率。

参考文献及原文链接

杨嘉炜, 郑春阳, 庞亚会, 纪仲阳, 李雨芮, 胡嘉仪, 朱江瑞, 陆琪, 林立, 刘忠范, 胡清梅, 关宝璐, 尹建波. 耦合蝶形天线的石墨烯室温太赫兹探测器。物理化学学报, 2023, 39 (10), 2307012. DOI: 10.3866/PKU.WHXB202307012

Yang, J.; Zheng, C.; Pang, Y.; Ji, Z.; Li, Y.; Hu, J.; Zhu, J.; Lu, Q.; Lin, L.; Liu, Z.; Hu, Q.; Guan, B.; Yin, J. Graphene Based Room-Temperature Terahertz Detector with Integrated Bow-Tie Antenna. Acta Phys.-Chim. Sin. 2023, 39 (10), 2307012. DOI: 10.3866/PKU.WHXB202307012

https://www.whxb.pku.edu.cn/CN/10.3866/PKU.WHXB202307012

通讯作者

尹建波  研究员

1986年出生。2013年获北京大学理学博士学位。现为北京大学电子学院研究员，博士生导师。主要研究方向为二维材料光电子动力学和高带宽光电子器件构筑。

关宝璐 教授

1980年出生。2008年获北京工业大学博士学位。现为北京工业大学微电子学院院长，博士生导师。主要研究方向为高性能半导体激光发光器件和微纳光电子集成芯片技术。

胡清梅  博士

1989年出生。2021年获北京理工大学和澳大利亚斯威本科技大学博士学位。现为北京石墨烯研究院博士后。主要研究方向为石墨烯基高带宽光电子器件的设计与测量。