高灵敏度太赫兹探测器研究获进展

近日，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所、中科院纳米器件与应用重点实验室秦华团队公布了能够在液氮温度下灵敏探测太赫兹波黑体辐射的氮化镓基高电子迁移率晶体管探测器研究结果，首次直接验证了天线耦合的场效应晶体管可用于非相干太赫兹波的灵敏探测。结果发表于《应用物理快报》[]，并被 APL 编辑选为2017年4月份17期推荐论文之一。在此工作之前，国际上利用场效应晶体管探测器仅实现了相干单色太赫兹波或准相干的太赫兹波脉冲的探测，因此场效应晶体管只能应用于主动的太赫兹波探测与传感等。对非相干太赫兹波的灵敏探测的实现表明场效应晶体管太赫兹探测器将能够在太赫兹波人体安检、无损检测和大气环境检测等主、被动成像与探测等应用中发挥作用。

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基于场效应晶体管的太赫兹波探测器是一种基于电子学的新型太赫兹波探测器。它通过太赫兹波电场同时调制场效应沟道中电子的漂移速度和电子浓度实现太赫兹波的自混频或外差混频，从而在沟道中产生相应的直流电流或差频振荡电流。利用高效的太赫兹波天线将被检测太赫兹波聚焦在亚波长尺度的场效应沟道内，探测频率因此不受晶体管的整体电学参数的限制，远高于晶体管的电流单位增益或功率单位增益的截止频率。图1所示为场效应晶体管太赫兹探测器的剖面示意图，被测太赫兹波被聚焦在场效应栅极控制的沟道内，形成调节漂移速度的水平电场和调节电子浓度的垂直电场分量，并且其空间分布呈不对称分布。图1的动画简单描述了沟道内电子在水平太赫兹电场和垂直太赫兹电场作用下的定向运动。

在该论文中，该团队公布了3个频段的高灵敏度太赫兹探测器。探测器采用 AlGaN/GaN 异质结二维电子气材料和偶极天线设计，中心响应频率分别在0.34、0.65和0.90 THz ，室温下的噪声等效功率约为30×10-12 W/Hz1/2 。在液氮温度下（-196 ℃）的噪声等效功率下降至1×10-12 W/Hz1/2 ，使黑体太赫兹波的探测成为可能。秦华团队的副研究员孙建东首先验证了天线耦合的 AlGaN/GaN 高电子迁移率晶体管能够对非相干太赫兹波进行灵敏响应，进一步分别采用频率连续可调的相干太赫兹波光源和结合太赫兹黑体辐射与太赫兹傅立叶变换光谱仪对探测器的响应频谱进行了测试分析对比。如图2所示，研究结果表明场效应晶体管对非相干太赫兹波的响应特性与该团队前期建立的强局域化太赫兹波混频模型[]吻合良好，对探测器模型进行修正后能够对非相干太赫兹波的探测带宽和灵敏度进行定量描述。场效应晶体管对非相干太赫兹波的响应能力表明其探测机制属于一种电子学的轮棘效应（Ratchet effect），揭示了在场效应结构中由无规热涨落产生定向太赫兹光电流响应的丰富物理内涵，为建立更加准确的探测模型和高灵敏度探测器的开发指明了方向。

得益于该团队在氮化镓基场效应晶体管探测器机理研究和实用化器件研制方面的持续攻关，2015年12月该团队完成了对非相干太赫兹波的探测能力验证和成像试验。图3所示的是使用通电发热的电阻产生的非相干太赫兹波辐射作为被测物或被测物的辐照光源进行的成像试验结果。同样，在该成像试验中，为获得较高的信噪比，900 GHz 探测器被降低至液氮温度，热电阻黑体的温度升高至约630 ℃。近期，苏州纳米所团队进一步提高了探测灵敏度，使室温噪声等效功率小于10-11 W/Hz1/2 ，实现了室温探测器对热电阻黑体太赫兹波辐射的灵敏探测，达到可替代透镜耦合的商业化肖特基二极管太赫兹探测器的性能指标，该新结果正在分析整理中。图3所示的清晰成像结果表明，进一步提高场效应晶体管探测器的灵敏度将推动相干和非相干光源辐照下的太赫兹波无损检测技术和低成本太赫兹波谱技术的应用开发。

太赫兹探测器的研制工作得到了国家自然科学基金项目（61271157，61401456，61401297，61611530708）、国家重点研发计划（2016YFF0100501）、江苏省科技项目（BK20140283）和中科院青年促进会（2017372）的资助，探测器的加工和相关测试分别得到了中科院苏州纳米所纳米加工平台、测试分析平台和南京大学超导电子学研究所的大力支持。

图1：天线和栅极耦合的场效应晶体管剖面示意图。不对称的太赫兹电场在沟道内产生定向的电荷输运。

图2：三个频段（340、650和900 GHz）的 AlGaN/GaN 高电子迁移率晶体管太赫兹探测器对相干太赫兹波和非相干黑体辐射的响应谱。数据点为实测结果，实线为基于强局域化太赫兹混频模型的理论计算结果。（摘自 Appl. Phys. Lett. 110, 171109 (2017)）

图3：中心响应频率为900 GHz 的 AlGaN/GaN 高电子迁移率晶体管太赫兹探测器的成像演示效果。（a）为对发热电阻的直接扫描成像。（b-d）分别为在发热电阻产生的非相干太赫兹波辐照下对手术刀片、门禁卡和树叶的扫描透视成像。（摘自 Appl. Phys. Lett. 110, 171109 (2017)）