蘇州納米所高靈敏度太赫茲探測(cè)器研究獲進(jìn)展

　　近日，中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所、中科院納米器件與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室秦華團(tuán)隊(duì)公布了能夠在液氮溫度下靈敏探測(cè)太赫茲波黑體輻射的氮化鎵基高電子遷移率晶體管探測(cè)器研究結(jié)果，首次直接驗(yàn)證了天線耦合的場(chǎng)效應(yīng)晶體管可用于非相干太赫茲波的靈敏探測(cè)。結(jié)果發(fā)表于《應(yīng)用物理快報(bào)》[Appl. Phys. Lett. 110, 171109 (2017)]，并被APL編輯選為2017年4月份17期推薦論文之一。在此工作之前，國(guó)際上利用場(chǎng)效應(yīng)晶體管探測(cè)器僅實(shí)現(xiàn)了相干單色太赫茲波或準(zhǔn)相干的太赫茲波脈沖的探測(cè)，因此場(chǎng)效應(yīng)晶體管只能應(yīng)用于主動(dòng)的太赫茲波探測(cè)與傳感等。對(duì)非相干太赫茲波的靈敏探測(cè)的實(shí)現(xiàn)表明場(chǎng)效應(yīng)晶體管太赫茲探測(cè)器將能夠在太赫茲波人體安檢、無(wú)損檢測(cè)和大氣環(huán)境檢測(cè)等主、被動(dòng)成像與探測(cè)等應(yīng)用中發(fā)揮作用。

　　基于場(chǎng)效應(yīng)晶體管的太赫茲波探測(cè)器是一種基于電子學(xué)的新型太赫茲波探測(cè)器。它通過(guò)太赫茲波電場(chǎng)同時(shí)調(diào)制場(chǎng)效應(yīng)溝道中電子的漂移速度和電子濃度實(shí)現(xiàn)太赫茲波的自混頻或外差混頻，從而在溝道中產(chǎn)生相應(yīng)的直流電流或差頻振蕩電流。利用高效的太赫茲波天線將被檢測(cè)太赫茲波聚焦在亞波長(zhǎng)尺度的場(chǎng)效應(yīng)溝道內(nèi)，探測(cè)頻率因此不受晶體管的整體電學(xué)參數(shù)的限制，遠(yuǎn)高于晶體管的電流單位增益或功率單位增益的截止頻率。圖1所示為場(chǎng)效應(yīng)晶體管太赫茲探測(cè)器的剖面示意圖，被測(cè)太赫茲波被聚焦在場(chǎng)效應(yīng)柵極控制的溝道內(nèi)，形成調(diào)節(jié)漂移速度的水平電場(chǎng)和調(diào)節(jié)電子濃度的垂直電場(chǎng)分量，并且其空間分布呈不對(duì)稱分布。圖1的動(dòng)畫簡(jiǎn)單描述了溝道內(nèi)電子在水平太赫茲電場(chǎng)和垂直太赫茲電場(chǎng)作用下的定向運(yùn)動(dòng)。

　　在該論文中，該團(tuán)隊(duì)公布了3個(gè)頻段的高靈敏度太赫茲探測(cè)器。探測(cè)器采用AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)二維電子氣材料和偶極天線設(shè)計(jì)，中心響應(yīng)頻率分別在0.34、0.65和0.90 THz，室溫下的噪聲等效功率約為30×10-12 W/Hz1/2。在液氮溫度下（-196 ℃）的噪聲等效功率下降至1×10-12 W/Hz1/2，使黑體太赫茲波的探測(cè)成為可能。秦華團(tuán)隊(duì)的副研究員孫建東首先驗(yàn)證了天線耦合的AlGaN/GaN高電子遷移率晶體管能夠?qū)Ψ窍喔商掌澆ㄟM(jìn)行靈敏響應(yīng)，進(jìn)一步分別采用頻率連續(xù)可調(diào)的相干太赫茲波光源和結(jié)合太赫茲黑體輻射與太赫茲傅立葉變換光譜儀對(duì)探測(cè)器的響應(yīng)頻譜進(jìn)行了測(cè)試分析對(duì)比。如圖2所示，研究結(jié)果表明場(chǎng)效應(yīng)晶體管對(duì)非相干太赫茲波的響應(yīng)特性與該團(tuán)隊(duì)前期建立的強(qiáng)局域化太赫茲波混頻模型[Appl. Phys. Lett. 100, 173513 (2012)]吻合良好，對(duì)探測(cè)器模型進(jìn)行修正后能夠?qū)Ψ窍喔商掌澆ǖ奶綔y(cè)帶寬和靈敏度進(jìn)行定量描述。場(chǎng)效應(yīng)晶體管對(duì)非相干太赫茲波的響應(yīng)能力表明其探測(cè)機(jī)制屬于一種電子學(xué)的輪棘效應(yīng)（Ratchet effect），揭示了在場(chǎng)效應(yīng)結(jié)構(gòu)中由無(wú)規(guī)熱漲落產(chǎn)生定向太赫茲光電流響應(yīng)的豐富物理內(nèi)涵，為建立更加準(zhǔn)確的探測(cè)模型和高靈敏度探測(cè)器的開(kāi)發(fā)指明了方向。

　　得益于該團(tuán)隊(duì)在氮化鎵基場(chǎng)效應(yīng)晶體管探測(cè)器機(jī)理研究和實(shí)用化器件研制方面的持續(xù)攻關(guān)，2015年12月該團(tuán)隊(duì)完成了對(duì)非相干太赫茲波的探測(cè)能力驗(yàn)證和成像試驗(yàn)。圖3所示的是使用通電發(fā)熱的電阻產(chǎn)生的非相干太赫茲波輻射作為被測(cè)物或被測(cè)物的輻照光源進(jìn)行的成像試驗(yàn)結(jié)果。同樣，在該成像試驗(yàn)中，為獲得較高的信噪比，900 GHz探測(cè)器被降低至液氮溫度，熱電阻黑體的溫度升高至約630 ℃。近期，蘇州納米所團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步提高了探測(cè)靈敏度，使室溫噪聲等效功率小于10-11 W/Hz1/2，實(shí)現(xiàn)了室溫探測(cè)器對(duì)熱電阻黑體太赫茲波輻射的靈敏探測(cè)，達(dá)到可替代透鏡耦合的商業(yè)化肖特基二極管太赫茲探測(cè)器的性能指標(biāo)，該新結(jié)果正在分析整理中。圖3所示的清晰成像結(jié)果表明，進(jìn)一步提高場(chǎng)效應(yīng)晶體管探測(cè)器的靈敏度將推動(dòng)相干和非相干光源輻照下的太赫茲波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)和低成本太赫茲波譜技術(shù)的應(yīng)用開(kāi)發(fā)。

　　太赫茲探測(cè)器的研制工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（61271157，61401456，61401297，61611530708）、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2016YFF0100501）、江蘇省科技項(xiàng)目（BK20140283）和中科院青年促進(jìn)會(huì)（2017372）的資助，探測(cè)器的加工和相關(guān)測(cè)試分別得到了中科院蘇州納米所納米加工平臺(tái)、測(cè)試分析平臺(tái)和南京大學(xué)超導(dǎo)電子學(xué)研究所的大力支持。

圖1：天線和柵極耦合的場(chǎng)效應(yīng)晶體管剖面示意圖。不對(duì)稱的太赫茲電場(chǎng)在溝道內(nèi)產(chǎn)生定向的電荷輸運(yùn)。

　　圖2：三個(gè)頻段（340、650和900 GHz）的AlGaN/GaN高電子遷移率晶體管太赫茲探測(cè)器對(duì)相干太赫茲波和非相干黑體輻射的響應(yīng)譜。數(shù)據(jù)點(diǎn)為實(shí)測(cè)結(jié)果，實(shí)線為基于強(qiáng)局域化太赫茲混頻模型的理論計(jì)算結(jié)果。（摘自Appl. Phys. Lett. 110, 171109 (2017)）

　　圖3：中心響應(yīng)頻率為900 GHz的AlGaN/GaN高電子遷移率晶體管太赫茲探測(cè)器的成像演示效果。（a）為對(duì)發(fā)熱電阻的直接掃描成像。（b-d）分別為在發(fā)熱電阻產(chǎn)生的非相干太赫茲波輻照下對(duì)手術(shù)刀片、門禁卡和樹(shù)葉的掃描透視成像。（摘自Appl. Phys. Lett. 110, 171109 (2017)）