高性能的非制冷“毫米波與太赫茲波”探測技術

　　毫米波(名詞解釋?)與太赫茲波(名詞解釋?)探測技術在通信、安全、生物檢測、頻譜分析等領域有著廣泛的應用。它們是將承載著毫米波與太赫茲波的光信息轉變為電信號的核心技術。

　　高靈敏度、寬波段、快速響應及面陣可延展性的非制冷探測技術一直是目前所急需發展的方向。它們是一系列毫米波與太赫茲波相關系統，如高速寬帶通訊網絡、深空探測、安全檢測、物質成分分析等的基石。

　　然而，傳統的毫米波與太赫茲波探測技術或受制于：

　　?低靈敏度，

　　?不具備快速響應，

　　?不具備寬波段響應，

　　?不是基于芯片級半導體而無法延展至面陣列，

　　?無法滿足非制冷和熱電制冷工作需求。

　　?傳統毫米波與太赫茲探測技術目前市場上主要的非制冷毫米波與太赫茲波探測器件是基于高來（Golay cell）、熱釋電（pyroelectrics）和測輻射熱計（bolometer）的熱探測元件，以及基于肖特基的光子探測元件。然而它們受制于低靈敏度、慢響應速度，窄波段探測，無法擴展至面陣等缺陷，不能滿足當前發展需求。

　　太赫茲光電導天線探測技術已廣泛應用在太赫茲時域光譜系統之中，然而這種探測要求額外的激光束去激發半導體中的載流子(名詞解釋?)。

　　另一方面，其對半導體材料本身也有很高的生長要求。1990年代，一種新型的基于等離子體的場效應管探測結構得以提出，并得到了迅速發展，這種結構基于三電極結構，其共振探測頻譜范圍對溝道尺寸有很大的依賴。

　　當前，一些基于新興材料，如黑磷、石墨烯、鈣鈦礦、狄拉克半金屬，拓撲絕緣體等材料的出現，推動了毫米波與太赫茲波探測也得到了快速發展，然而材料穩定性、均勻性及面陣可擴展性對于這些新興材料仍是很大的挑戰。

　　表面等離子體誘導的非平衡載流子

　　傳統的基于金屬結構的表面等離子體技術主要應用在可見及紫外波段。在長波的毫米波與太赫茲波段，這些金屬將會變成理想導體，很難激發與作用光的相強互作用。

　　基于金屬孔洞結構的人工表面等離子體激元(Spoof SPPs)技術是解決這一問題的一個途徑。另一方面，受益于一些窄禁帶半導體的低等離子體頻率，低電子有效質量和高遷移率，它們可以作為毫米波與太赫茲波段表面等離子體激發的載體。與此同時，表面等離子激元的弛豫能誘導出非平衡載流子。

　　2017 年，基于半導體表面等離子誘導的非平衡載流子的毫米波與太赫茲波探測技術得以提出，并利用這一波段的等離子體半導體InSb(名詞解釋?)實現了非制冷的毫米波與太赫茲波探測。這一技術在實現高性能的長波探測上具有很大潛力。

　　近日，新加坡南洋理工大學張道華（Dao Hua Zhang）教授，校長博士后學者童勁超

　　(Jinchao Tong)等提出了基于分子束外延半導體InSb和表面等離子體增強的高靈敏度、寬波段、非制冷毫米波與太赫茲波探測技術。

　　該成果以“Plasmonic semiconductor nanogroove array enhanced broad spectral band millimetre and terahertz wave detection”為題發表在Light: Science& Applications。

　　該技術基于毫米波與太赫茲波段的表面等離子體所誘導的非平衡載流子，通過集成半導體納米溝槽結構以及耦合天線設計，實現了單一器件的高靈敏度及寬波段高性能探測。

　　研究人員利用分子束外延生長技術，得到了高質量的基于InSb半導體的探測器件 (圖1)。

　　?該種方法生長的InSb具備很高的遷移率，能夠實現快速及高靈敏度探測。

　　?該種方法可以擴展至線列乃至面陣列，實現毫米波與太赫茲波段的焦平面成像。

　　?為了實現寬波段的毫米波與太赫茲波探測，一方面，InSb的負性介電常數可以一直保持到約3THz,

　　另一方面，本文采用了一種寬波段耦合的平面螺旋天線，通過參數設計，該天線可以實現寬波段的毫米波與太赫茲波耦合。

　　為了進一步增強毫米波與太赫茲波段的表面等離子激發，本文引入了基于探測半導體自身的納米溝槽結構。該結構直接嵌入在探測敏感元InSb之中，能夠更加有效的激發表面等離子體（圖2），從而誘導產生更多的非平衡載流子，實現高靈敏度探測。

　　這種基于外延生長的半導體InSb，通過耦合天線設計及集成半導體納米溝槽結構，實現了高靈敏度及寬波段的毫米波與太赫茲波探測。該器件應用潛力巨大，比如6G通信網絡，無損安全檢測和深空探測等。

　　論文信息

　　Tong, J., Suo, F., Zhang, T. et al. Plasmonic semiconductor nanogroove array enhanced broad spectral band millimetre and terahertz wave detection. Light Sci Appl 10, 58 (2021).

　　本文第一作者為新加坡南洋理工大學校長博士后學者童勁超（Jinchao Tong），新加坡南洋理工大學張道華（Dao Hua Zhang）教授與童勁超博士為本文共同通訊作者。合作者包括新加坡南洋理工大學博士生所霏（Fei Suo），博士后張天寧（Tianning Zhang）以及中國科學院上海技術物理研究所黃志明研究員和褚君浩院士。