高靈敏度太赫茲探測器研究獲進展

近日，中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所、中科院納米器件與應用重點實驗室秦華團隊公布了能夠在液氮溫度下靈敏探測太赫茲波黑體輻射的氮化鎵基高電子遷移率晶體管探測器研究結果，首次直接驗證了天線耦合的場效應晶體管可用于非相干太赫茲波的靈敏探測。結果發表于《應用物理快報》[]，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，國際上利用場效應晶體管探測器僅實現了相干單色太赫茲波或準相干的太赫茲波脈沖的探測，因此場效應晶體管只能應用于主動的太赫茲波探測與傳感等。對非相干太赫茲波的靈敏探測的實現表明場效應晶體管太赫茲探測器將能夠在太赫茲波人體安檢、無損檢測和大氣環境檢測等主、被動成像與探測等應用中發揮作用。

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基于場效應晶體管的太赫茲波探測器是一種基于電子學的新型太赫茲波探測器。它通過太赫茲波電場同時調制場效應溝道中電子的漂移速度和電子濃度實現太赫茲波的自混頻或外差混頻，從而在溝道中產生相應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太赫茲波聚焦在亞波長尺度的場效應溝道內，探測頻率因此不受晶體管的整體電學參數的限制，遠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所示為場效應晶體管太赫茲探測器的剖面示意圖，被測太赫茲波被聚焦在場效應柵極控制的溝道內，形成調節漂移速度的水平電場和調節電子濃度的垂直電場分量，并且其空間分布呈不對稱分布。圖1的動畫簡單描述了溝道內電子在水平太赫茲電場和垂直太赫茲電場作用下的定向運動。

在該論文中，該團隊公布了3個頻段的高靈敏度太赫茲探測器。探測器采用 AlGaN/GaN 異質結二維電子氣材料和偶極天線設計，中心響應頻率分別在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成為可能。秦華團隊的副研究員孫建東首先驗證了天線耦合的 AlGaN/GaN 高電子遷移率晶體管能夠對非相干太赫茲波進行靈敏響應，進一步分別采用頻率連續可調的相干太赫茲波光源和結合太赫茲黑體輻射與太赫茲傅立葉變換光譜儀對探測器的響應頻譜進行了測試分析對比。如圖2所示，研究結果表明場效應晶體管對非相干太赫茲波的響應特性與該團隊前期建立的強局域化太赫茲波混頻模型[]吻合良好，對探測器模型進行修正后能夠對非相干太赫茲波的探測帶寬和靈敏度進行定量描述。場效應晶體管對非相干太赫茲波的響應能力表明其探測機制屬于一種電子學的輪棘效應（Ratchet effect），揭示了在場效應結構中由無規熱漲落產生定向太赫茲光電流響應的豐富物理內涵，為建立更加準確的探測模型和高靈敏度探測器的開發指明了方向。

得益于該團隊在氮化鎵基場效應晶體管探測器機理研究和實用化器件研制方面的持續攻關，2015年12月該團隊完成了對非相干太赫茲波的探測能力驗證和成像試驗。圖3所示的是使用通電發熱的電阻產生的非相干太赫茲波輻射作為被測物或被測物的輻照光源進行的成像試驗結果。同樣，在該成像試驗中，為獲得較高的信噪比，900 GHz 探測器被降低至液氮溫度，熱電阻黑體的溫度升高至約630 ℃。近期，蘇州納米所團隊進一步提高了探測靈敏度，使室溫噪聲等效功率小于10-11 W/Hz1/2 ，實現了室溫探測器對熱電阻黑體太赫茲波輻射的靈敏探測，達到可替代透鏡耦合的商業化肖特基二極管太赫茲探測器的性能指標，該新結果正在分析整理中。圖3所示的清晰成像結果表明，進一步提高場效應晶體管探測器的靈敏度將推動相干和非相干光源輻照下的太赫茲波無損檢測技術和低成本太赫茲波譜技術的應用開發。

太赫茲探測器的研制工作得到了國家自然科學基金項目（61271157，61401456，61401297，61611530708）、國家重點研發計劃（2016YFF0100501）、江蘇省科技項目（BK20140283）和中科院青年促進會（2017372）的資助，探測器的加工和相關測試分別得到了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超導電子學研究所的大力支持。

圖1：天線和柵極耦合的場效應晶體管剖面示意圖。不對稱的太赫茲電場在溝道內產生定向的電荷輸運。

圖2：三個頻段（340、650和900 GHz）的 AlGaN/GaN 高電子遷移率晶體管太赫茲探測器對相干太赫茲波和非相干黑體輻射的響應譜。數據點為實測結果，實線為基于強局域化太赫茲混頻模型的理論計算結果。（摘自 Appl. Phys. Lett. 110, 171109 (2017)）

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