高靈敏度石墨烯太赫茲外差混頻探測器研究獲進(jìn)展

  中國電子科技集團(tuán)有限公司第十三研究所專用集成電路國家級重點實驗室與中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所、中國科學(xué)院納米器件與應(yīng)用重點實驗室再次合作，在高靈敏度石墨烯場效應(yīng)晶體管(G-FET)太赫茲自混頻(Homodyne mixing)探測器的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了外差混頻(Heterodyne mixing)和分諧波混頻(Sub-harmonic mixing)探測，最高探測頻率達(dá)到650 GHz，利用自混頻探測的響應(yīng)度對外差混頻和分諧波混頻的效率進(jìn)行了校準(zhǔn)，該結(jié)果近期發(fā)表在碳材料雜志Carbon上(Carbon 121， 235-241 (2017))。

  650 GHz天線耦合的G-FET太赫茲外差混頻探測器

  頻率介于紅外和毫米波之間的太赫茲波(Terahertz wave)在成像、雷達(dá)和通信等技術(shù)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，太赫茲波與物質(zhì)的相互作用研究具有重要的科學(xué)意義。高靈敏度太赫茲波探測器是發(fā)展太赫茲應(yīng)用技術(shù)的核心器件，是開展太赫茲科學(xué)研究的重要手段與主要內(nèi)容之一。太赫茲波探測可分為直接探測和外差探測兩種方式：直接探測僅獲得太赫茲波的強度或功率信息；而外差探測可同時獲得太赫茲波的幅度、相位和頻率信息，是太赫茲雷達(dá)、通信和波譜成像應(yīng)用必需的核心器件。外差探測器通過被測太赫茲信號與低噪聲本地相干太赫茲信號的混頻，將被測信號下轉(zhuǎn)換為微波射頻波段的中頻信號后進(jìn)行檢測。與直接探測相比，外差探測通常具備更高的響應(yīng)速度和靈敏度，但是探測器結(jié)構(gòu)與電路更加復(fù)雜，對混頻的機(jī)制、效率和材料提出了更高的要求。

  天線耦合的場效應(yīng)晶體管支持在頻率遠(yuǎn)高于其截止頻率的太赫茲波段進(jìn)行自混頻探測和外差混頻探測。前者是直接探測的一種有效方法，可形成規(guī)?；年嚵刑綔y器，也是實現(xiàn)基于場效應(yīng)晶體管的外差混頻探測的基礎(chǔ)。目前，國際上基于CMOS晶體管實現(xiàn)了本振頻率為213 GHz的2次(426 GHz)和3次(639 GHz)分諧波混頻探測，但其高阻特性限制了工作頻率和中頻帶寬的提升。

  石墨烯場效應(yīng)晶體管因其高電子遷移率、高可調(diào)諧的費米能、雙極型載流子及其非線性輸運等特性為實現(xiàn)高靈敏度的太赫茲波自混頻和外差混頻探測提供了新途徑。前期，雙方重點實驗室秦華團(tuán)隊和馮志紅團(tuán)隊合作成功獲得了室溫工作的低阻抗高靈敏度石墨烯太赫茲探測器，其工作頻率(340 GHz)和靈敏度(～50 pW/Hz1/2)達(dá)到了同類探測器中的最高水平(Carbon 116， 760-765 (2017))。此次合作進(jìn)一步使工作頻率提高至650 GHz，并實現(xiàn)了外差混頻探測。

 工作在650 GHz的G-FET太赫茲探測器通過集成超半球硅透鏡，首先通過216、432和650 GHz的自混頻探測，驗證了探測器響應(yīng)特性與設(shè)計預(yù)期一致，并對自混頻探測的響應(yīng)度和太赫茲波功率進(jìn)行了測試定標(biāo)。在此基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了本振為216 GHz和648 GHz的外差混頻探測，實現(xiàn)了本振為216 GHz的2次分諧波(432 GHz)和3次分諧波(648 GHz)混頻探測?；祛l損耗分別在38.4 dB和57.9 dB，對應(yīng)的噪聲等效功率分別為13 fW/Hz和2 pW/Hz。2次分諧波混頻損耗比216 GHz外差混頻損耗高約8 dB。

 （a）準(zhǔn)光耦合的外差混頻探測系統(tǒng)示意圖；（b）216 GHz外差混頻探測的中頻頻譜

此次獲得混頻頻率已遠(yuǎn)高于國際上已報道的石墨烯外差探測的最高工作頻率(～200 GHz)，但中頻信號帶寬小于2 GHz，低于國際上報道最高中頻帶寬(15 GHz)。總體上，目前G-FET外差混頻探測器性能尚不及肖特基二極管混頻器。但是，無論在材料質(zhì)量還是在器件設(shè)計與工藝技術(shù)上，都有很大的優(yōu)化提升空間。根據(jù)Andersson等人預(yù)測，G-FET的混頻轉(zhuǎn)換效率可降低至23.5 dB，如何達(dá)到并超越肖特基二極管混頻探測器的性能指標(biāo)是未來需要重點攻關(guān)的關(guān)鍵問題。

（a）分別采用432 GHz直接探測和本振為216 GHz的2次分諧波探測對樹葉進(jìn)行的透射成像效果對比；（b）采用本振為216 GHz的2次分諧波探測對檸檬片的透視成像

上圖所示為基于432 GHz的直接探測以及二次諧波探測的透射成像圖對比，分諧波探測時的透射成像顯現(xiàn)出比直接探測更高的動態(tài)范圍，可達(dá)40 dB。

 該研制工作得到了國家自然科學(xué)基金項目(No. 61271157， 61401456， 61401297等)、國家重點研發(fā)計劃(2016YFF0100501， 2014CB339800)、中科院青促會(2017372)、中科院蘇州納米所納米加工平臺、測試分析平臺和南京大學(xué)超導(dǎo)電子學(xué)研究所的大力支持。