一种太赫兹探测器的制作方法

1.本发明涉及光电探测器技术领域，特别涉及一种太赫兹探测器。


背景技术：

2.拓扑狄拉克半金属的出现为发现新的准粒子提供了一个理想的实验体系，而这些准粒子在高能物理中往往是难以捉摸的，例如，狄拉克费米子、外尔费米子以及其他奇异的新量子态。拓扑绝缘体以及拓扑半金属的发现，引起了人们对固态晶体中的基本激发和非平凡拓扑特征的关注，特别是外尔半金属和狄拉克半金属，由于它们在反转对称破缺方面可以具有广泛的应用。
3.研究表明属于第二类拓扑狄拉克半金属材料将会产生一些新的量子现象，例如场选择性异常和手性模式反转以及熵输运的新机制。材料中单个weyl点具有明确的手性，在由贝利曲率的奇点(单极子和反单极子)引起的现象中，先决的条件往往或者是反转对称性破缺或者是时间反演对称性破缺。因此，基于第二类狄拉克半金属pdte2材料，它具有第二类的狄拉克费米子和高迁移率载流子。第二类tsms无带隙性质，它的光子吸收在太赫兹波长下会得到增强，同时由于各向异性色散和输运的增强，光子的吸收能够得到广泛的增强，这一现象与它们的布洛赫波函数有关。太赫兹辐射探测由于它在电磁波谱的特殊位置，由于其所具备的光子能量小、高穿透性等特点，并且还是多种生物、化学分子振动谱的特征频率带，从而使它在材料无损检测、生物样品检测等方面具有重要的应用前景；另外，由于太赫兹波段的辐射与微波雷达相比具有较短的波长和较好的定向性，当它应用在雷达及目标识别方面，可以实现更加精确的定位等。
4.第二类狄拉克半金属pdte2材料因为非线性光响应中的1/ω项在低频率极限是发散的，光电流在太赫兹范围会由于费米子态密度变得强烈增强，从而会因此的是第二类tsms在太赫兹范围会有优异的光敏特性。在太赫兹探测应用方面，除了强度和波长，偏振是与光场相关的另一个主要物理量。偏振检测为特征识别提供了一个新的维度，揭示了许多独特而重要的对象信息，偏振检测是增强目标信息识别的强大工具。基于狄拉克半金属pdte2材料的光电探测器因其优异的特性，如太赫兹的宽频带光响应、快速响应时间以及优异的机械弹性和强度，引起了广泛的兴趣。然而，原始狄拉克半金属pdte2材料与大多数光探测材料一样，无法分辨偏振状态。
5.为了得到高性能的应用，有必要寻找一种合适的方法使狄拉克半金属pdte2材料基光电探测器对偏振状态敏感。目前的偏振探测方法，主要基于与探测器分离的偏振器和光学器件。偏振鉴别可以通过旋转偏振器来实现，也可以通过将光路分割成不同状态的偏振器来实现。然而，这些方法都存在一些缺点，如偏振片旋转方法速度慢、灵敏度低，光路分割方法结构复杂、对准精度差，且两者体积都较大。而且复杂光路与多种光学器件的使用影响了光通量，降低了探测器的灵敏度。因此，如何在实现高偏振消光比的同时提高响应率与集成度是新型偏振探测器件需要解决的问题。
6.因此，现有技术还有待于改进和发展。


技术实现要素：

7.本发明提供一种太赫兹探测器，旨在解决现有技术的光电探测器集成度低、响应率低、功耗高，探测灵敏度不足的技术问题。
8.本发明的技术方案如下：
9.一种太赫兹探测器，包括：
10.衬底层；
11.金属反射层，设置在所述衬底层之上；
12.介电间隔层，设置在所述金属反射层之上；
13.第一狄拉克半金属层和第二狄拉克半金属层，对称设置在所述介电间隔层之上；
14.金属光栅层，设置在所述介电间隔层之上且位于所述第一狄拉克半金属层和所述第二狄拉克半金属层之间。
15.在本发明一种可选的实施方式中，所述第一狄拉克半金属层和所述第二狄拉克半金属层均为第二类狄拉克半金属碲化钯层。
16.在本发明一种可选的实施方式中，所述介电间隔层的厚度h2由下列公式计算得到：
[0017][0018]
其中，β为等离激元波导模式的传播常数，ε
i
为所述介电间隔层的相对介电常数，ε
m
为所述金属光栅层的相对介电常数，k0为光的自由空间波矢量。
[0019]
在本发明一种可选的实施方式中，所述介电间隔层的长度和所述介电间隔层的宽度均等于光波波长的1/3倍～1/2倍。
[0020]
在本发明一种可选的实施方式中，所述金属光栅层包括若干平行设置的金属栅条，所述金属栅条的两端分别与所述第一狄拉克半金属层和所述第二狄拉克半金属层垂直。
[0021]
在本发明一种可选的实施方式中，所述金属栅条的长度等于所述介电间隔层的长度的1/2倍～3/5倍，所述金属栅条的宽度等于所述介电间隔层的宽度的1/10倍～2/10倍，所述金属栅条的周期等于所述太赫兹探测器的探测波长的1/10倍～3倍。
[0022]
在本发明一种可选的实施方式中，所述金属反射层的厚度大于等于电磁波在所述金属反射层中趋肤深度的2倍.
[0023]
在本发明一种可选的实施方式中，所述的介电间隔层为sio2、al2o3或hfo2薄膜层。
[0024]
在本发明一种可选的实施方式中，所述金属光栅层和所述金属反射层均为金层、银层、铝层；或者所述金属光栅层和所述金属反射层均为金、银、铝任意两种或三种的合金层。
[0025]
在本发明一种可选的实施方式中，所述的衬底层为表面有sio2膜层的硅片。
[0026]
有益效果为：本发明提供了一种太赫兹探测器，包括：衬底层；设置在所述衬底层之上的金属反射层；设置在所述金属反射层之上的介电间隔层；对称设置在所述介电间隔层之上的第一狄拉克半金属层和第二狄拉克半金属层；以及设置在所述介电间隔层之上且位于所述第一狄拉克半金属层和所述第二狄拉克半金属层之间的金属光栅层。本发明的太
赫兹探测器通过设计各向异性的光学天线与狄拉克半金属层的复合结构，基于等离激元谐振腔的高偏振辨别激发、阻抗匹配耦合，把偏振方向垂直于金属光栅的入射光高效地转化成为与狄拉克半金属层充分交叠的亚波长强光场，大幅提高狄拉克半金属层的光吸收和光响应，器件具有更高偏振消光比、更高集成度、更高响应率和更低的功耗。
附图说明
[0027]
图1为本发明一种太赫兹探测器的结构示意图。
[0028]
图2为太赫兹场驱动下，无偏置电压的本发明的太赫兹探测器的狄拉克半金属pdte2材料光电流大小。
[0029]
图3为采用时域有限差分算法模拟得到的狄拉克半金属pdte2材料在不同偏振方向入射光下的吸收光谱图。
[0030]
图4为本发明一种太赫兹探测器的截面示意图。
[0031]
附图标号如下：
[0032]
10
‑
衬底层；20
‑
金属反射层；30
‑
介电间隔层；40
‑
第一狄拉克半金属层；50
‑
第二狄拉克半金属层；60
‑
金属光栅层。
具体实施方式
[0033]
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。
[0034]
参见图1，本发明提供了一种太赫兹探测器，包括：
[0035]
衬底层10；在一种可选的实施方式中，所述的衬底层10为表面有sio2膜层的硅片，sio2膜层的厚度可以为100
‑
300nm，比如250nm；
[0036]
金属反射层20，设置在所述衬底层10之上；在一种可选的实施方式中，所述金属反射层20为金层、银层、铝层；或者所述金属反射层20均为金、银、铝任意两种或三种的合金层；所述金属反射层20的厚度h1大于等于电磁波在所述金属反射层20中趋肤深度的2倍；金属反射层同时可以作为静电栅控石墨烯的栅极；
[0037]
介电间隔层30，设置在所述金属反射层20之上；在一种可选的实施方式中，所述的介电间隔层30为sio2、al2o3或hfo2薄膜层，该电间隔层30能够承载等离激元波导模式并同时可作为静电栅控二维材料的绝缘层，所述介电间隔层30的厚度h2由下列公式计算得到：
[0038][0039]
其中，β为等离激元波导模式的传播常数，ε
i
为所述介电间隔层30的相对介电常数，ε
m
为所述金属光栅层60的相对介电常数，k0为光的自由空间波矢量；而所述介电间隔层30的长度和所述介电间隔层30的宽度均等于光波波长的1/3倍～1/2倍；
[0040]
第一狄拉克半金属层40和第二狄拉克半金属层50，对称设置在所述介电间隔层30之上；在一种可选的实施方式中，所述第一狄拉克半金属层40和所述第二狄拉克半金属层
50均为第二类狄拉克半金属碲化钯层(pdte2)；可以通过机械剥离或者通过化学气相沉积方法(cvd)生长的狄拉克半金属(pdte2)材料层，第二类狄拉克半金属pdte2材料，它具有第二类的狄拉克费米子和高迁移率载流子；
[0041]
金属光栅层60，设置在所述介电间隔层30之上且位于所述第一狄拉克半金属层40和所述第二狄拉克半金属层50之间；
[0042]
在一种可选的实施方式中，所述金属光栅层60为金层、银层、铝层；或者所述金属光栅层60为金、银、铝任意两种或三种的合金层；具体的，所述金属光栅层60包括若干平行设置的金属栅条，所述金属栅条的两端分别与所述第一狄拉克半金属层40和所述第二狄拉克半金属层50垂直；所述金属栅条的长度l等于所述介电间隔层的长度x的1/2倍～3/5倍，所述金属栅条的宽度w等于所述介电间隔层的宽度y的1/10倍～2/10倍，所述金属栅条的周期p等于所述太赫兹探测器的探测波长的1/10倍～3倍，所述金属栅条的厚度为h3大于等于太赫兹波在所述金属栅条中趋肤深度的2倍。本发明通过调整金属栅条的几何形状和介电间隔层的厚度h2，可以将该系统推至临界耦合状态，并且共振时的入射太赫兹光可以被完全捕获和吸收。
[0043]
具体来说，本发明的目的在于实现具有高偏振消光比、高集成度、高响应率、低功耗的太赫兹狄拉克半金属pdte2材料偏振探测器，pdte2体材料具有c3v对称点群，这其中包括了一个反转中心。在这种点群中，各向异性的载流子弹性散射可等效于两个三角锥的散射。这种结构的散射效应应该是对称的，但在实际的环境中，这种对称性在pdte2‑
金属界面上是不守恒的，因为界面的电子转移和强烈的化学相互作用使电子态沿c轴方向在多个原子层上不对称分布。在考虑photogalvanic效应(pge)时，根据界面电荷和电场不对称的分析，在太赫兹场的来回驱动下，原本c3v结构所等效的双金字塔结构的载流子散射在金字塔上部和下部的散射概率会不相同，即不会完全发生抵消。在自由载流子平面运动产生光电流的框架中，这种散射体可以看作是沿沟道方向相同的随机分布的楔形。在没有太赫兹辐射的情况下，各向异性散射电子的流动会被完全抵消，因此没有光电流产生。pge效应即为在太赫兹辐射的条件下，太赫兹场驱动的载流子会在一个方向产生过剩的情况，从而打破电流平衡，在零偏压下产生净的位移电流，具有低功耗的工作特征。进一步为了考虑偏振探测，具体采用各向异性的等离激元谐振腔与狄拉克半金属pdte2材料光电晶体管的复合结构来实现该器件。等离激元谐振腔增强了偏振方向垂直于金属条的入射光的响应，抑制了偏振方向平行于金属条的入射光的光响应，使偏振消光比达到显著的40倍。是以往报道的所有基于单种二维(2d)材料的太赫兹偏振敏感光电探测器的3
‑
10倍。
[0044]
本发明通过设计各向异性的光学天线与狄拉克半金属pdte2材料的复合结构，基于等离激元谐振腔模式的高偏振辨别激发、局域场增强、阻抗匹配耦合，把偏振方向垂直于顶层金属条的入射光高效地转化成为与狄拉克半金属pdte2材料充分交叠的亚波长强光场，大幅提高狄拉克半金属pdte2材料的光吸收和光响应，而对偏振方向平行于顶层金属条的入射光产生高反射，限制狄拉克半金属pdte2材料的光吸收和光响应，实现同时具备太赫兹高偏振消光比、高集成度、高响应率的狄拉克半金属pdte2材料偏振探测器件，指明了新型太赫兹偏振探测器件的发展方向。
[0045]
本发明的优点：
[0046]
1、在考虑photogalvanic效应(pge)时，根据狄拉克半金属pdte2材料界面电荷和
电场不对称的分析，在太赫兹场的来回驱动下，原本c3v结构所等效的双金字塔结构的载流子散射在金字塔上部和下部的散射概率会不相同，即不会完全发生抵消，太赫兹场驱动的载流子会在一个方向产生过剩的情况，从而打破电流平衡，在零偏压下产生净的位移电流，具有低功耗的工作特征。
[0047]
2、对于偏振方向垂直于金属条的入射光，等离激元谐振腔模式能够被有效激发，狄拉克半金属pdte2材料附近局部场得到大幅增强，狄拉克半金属pdte2材料的光吸收和光响应显著提升。对于偏振方向平行于金属条的入射光，大部分光被反射，从而限制了狄拉克半金属pdte2材料的吸收和响应。由此该复合结构表现出高偏振消光比和对所选偏振状态的增强响应。
[0048]
3、该结构中狄拉克半金属pdte2材料层、介电间隔材料层、金属反射层以及金属条栅层形成等离激元谐振腔，该谐振腔共振模式具有亚波长局域以及场增强特性，可大幅增强狄拉克半金属pdte2材料的光吸收和光响应。
[0049]
4、通过调整金属条栅的几何形状和介电间隔层的厚度，可以将系统推到临界耦合状态，使共振处的入射光被完全捕获和吸收。
[0050]
5、该单片等离激元谐振腔具有较高的集成度，指明了低功耗的新型太赫兹偏振探测器的发展方向。
[0051]
此外，本发明还提供了一种太赫兹探测器的制备方法。为便于说明，下面将以工作在0.3thz处的复合结构为例，结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明：
[0052]
首先将100nm厚的au沉积在500nm厚的sio2膜和si衬底上，形成底部金属反射层。
[0053]
然后利用原子层沉积形成50nm的al2o3层在au(100nm)的金属反射层上。
[0054]
通过溶体生长法密封在真空的安瓿中生长制备pdte2，然后将溶体缓慢冷却至500℃，让其自然冷却至室温，通过简单的机械解理，就可以得到厘米级的单晶，剥落成为小的薄片，被转移到al2o3上。
[0055]
利用光刻的方法定义金属栅条和金属电极，光刻胶被显影的区域将被刻蚀，而光刻胶未被显影的区域将被保护。通过电子束光刻和金属蒸发镀膜[cr(10nm)/au(50nm)]制作顶部金属条栅和电极，通过剥离获得金属栅条以及电极。通过快速退火工艺消除cr/au同半导体材料之间的肖特基势垒形成欧姆接触。
[0056]
本实施例制备的等离激元谐振腔集成的狄拉克半金属pdte2材料光电晶体管的共振频率为0.3thz，金属反射层和金属栅条采用材料金，介电间隔层采用al2o3薄膜，并在上面覆盖狄拉克半金属pdte2材料，最后在狄拉克半金属pdte2材料上覆盖金属条栅。通过电磁仿真优化得到该结构尺寸为：x＝7.50m,y＝7.50m,w＝2.42m,p＝5.88m,l＝4.50m,h1＝1.00m，介电间隔层经过仿真优化得到厚度为h2＝300nm的al2o3。金属光栅层的材料也为金，厚度为h3＝50nm，其中包括10nm厚的cr和40nm厚的au。
[0057]
为了说明本发明太赫兹探测器的性能，可以参见图2、图3和图4，其中，图2为太赫兹场驱动下，无偏置电压的本发明的太赫兹探测器的狄拉克半金属pdte2材料光电流大小；图3为狄拉克半金属pdte2材料在偏振方向垂直于金属条栅的入射光(tm波)和偏振方向平行于金属条栅的入射光(te波)照射下的吸收光谱，其中最大偏振消光比(per)在共振波长处为159；图4为一种太赫兹探测器的截面示意图，证明了腔共振是基于等离激元波导模式的构造干涉，其在y方向上传播，并在金属
‑
绝缘体
‑
金属(mim)结构的中断处得到反射。
[0058]
综上所述，本发明公开了一种等离激元微腔集成的低功耗第二类狄拉克半金属碲化钯(pdte2)材料太赫兹探测器及设计方法，其结构包括衬底材料层、金属反射层、介质间隔层、狄拉克半金属碲化钯层及金属亚波长光栅层。该太赫兹探测器基于金属微结构构成的横向谐振微腔，在顶部和底部金属表面之间形成等离激元波导模式，谐振腔的边界由顶层金属微结构的边界定义，当波长与腔长满足干涉相长条件时，形成横向的驻波，模式达到共振状态，实现深亚波长尺度的光场局域于微腔之间，从而实现光响应增强。由于碲化钯的反演对称的晶格结构下形成高频电磁场的直流光电转换，在一个方向产生过剩的载流子，导致净位移电流，光响应增强两个数量级。结合集成的金属微结构光栅，可以实现无偏压低功耗太赫兹光子灵敏的探测器。
[0059]
虽然本发明已以优选实施例揭露如上，但上述优选实施例并非用以限制本发明，本领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与润饰，因此本发明的保护范围以权利要求界定的范围为准。