基于频率选择表面的太赫兹调制器

 

         本研究旨在设计和实现通过电调控方式对太赫兹波(THz)幅值直接调制的高速太赫兹调制器。调制器的设计将高电子迁移率晶体管(HEMT)和频率选择表面(FSS)结构有机结合,通过脉冲栅压信号调控HEMT沟道电导的导通和断开,进行FSS滤波结构的动态切换,达到对THz波的高速电调制。调制器采用基于AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管,具有高跨导和高截至频率的优良特点,调制器的制备以半导体微纳加工技术为基础,采用图形化二维电子气单元阵列和优化的频率选择表面结构相集成,

         解决调制器微结构设计和器件封装测试等核心技术问题,探讨太赫兹波在调制器微结构中传输特性,实现对太赫兹波的高速调制。该方向的研究为目前迫切所需的高速太赫兹调制器开拓新的途径,具有重要的学术研究意义和广泛的应用前景。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

图 (a) 太赫兹时域光谱测试示意图。(b) FSS单元实验照片和微结构示意图,主要参数为:c=2 μm, g1=2 μm, g2=5 μm. (c) 具有表面结构FSS A和FSS B蓝宝石基片的太赫兹时域光谱数据。(d) 不同尺寸FSS表面结构样品的太赫兹透射谱,空心点表示实验数据,线表示基于有限时域差分的计算结果。插图表示单元结构FSS A在频率为f=1.3 THz 时太赫兹电场强度分布。

1. “Terahertz filter based on frequency selective surfaces” Xiaoyu Zhang, ZhongXin Zheng, Xinxing Li, Renbing Tan, Zhipeng Zhang,Yu Zhou, Jiandong Sun, Baoshun Zhang, Hua Qin, Advanced Materials Research Vol. 571 (2012) pp 362-366.

2. 张晓渝;秦华;吴东岷;李欣幸;张宝顺, ”高速电调控太赫兹调制器”, 中国专利申请, 201110198257.9。

 

 

 

 

 

 

 

 

石墨烯太赫兹自混频检测器

 

 

       石墨烯具有与常规半导体异质结中二维电子气不同的奇特电学输运特性,主要表现为相对论电子特性、非线性输运特性和双极型电荷输运特性,并且在室温下具有高迁移率和高电子浓度。非线性的电荷输运可用于微波、毫米波的倍频和混频。同时,石墨烯中高浓度二维电子气与太赫兹波的作用可产生等离子体波激发,用于太赫兹波的灵敏检测或发射。因此,研究石墨烯中非线性电荷输运和二维电子气等离子体波的太赫兹响应对发展新型室温太赫兹器件具有重要的探索价值。石墨烯特殊的能带结构和态密度使电子和空穴有可能协同产生太赫兹光电响应。同时,栅压对费米能级的大幅度调制使检测器可以工作在很宽的电压范围内。

         我们已经建立起了石墨烯场效应晶体管直流特性的理论模型并编写了模拟程序,拟研究石墨烯中电子和空穴在太赫兹自混频中的协同作用,研究太赫兹近场电场分布调控太赫兹自混频及其相应太赫兹天线的实现方法。形成石墨烯自混频检测器的物理模型,发展集成有太赫兹天线的石墨烯场效应检测器制备工艺技术,实现比常规2DEG场效应自混频检测器更高电流响应度和具有更宽栅压工作点的检测器原型器件。

                                                   

 

                                                      图1:石墨烯场效应晶体管等效电路。

 

                                图2:Vds=0时石墨烯场效应晶体管沟道载流子浓度与栅压的关系。

                                                                              

                       图3:VS=2V时,在不同的栅压下石墨烯场效应晶体管沟道载流子浓度沿沟道的分布。

                                                                          

                                                               图4:石墨烯场效应晶体管I-V 特性。

 

 

 

 

 

 

 

 

二维电子气的输运性质理论计算

 

 

       半导体中的声子模式对电子输运性质的影响是半导体物理研究中的一个重要课题,也是构思、设计和制作新型半导体器件的物理依据。半经典的玻尔兹曼输运方程是解决输运问题非常成熟有效的工具,在输运领域已经得到了广泛的应用。然而玻尔兹曼平衡方程属于微分积分方程,一般直接求解得到分布函数非常困难,尤其右边的散射项十分复杂时。

         我们基于波尔兹曼方程发展了一个易于处理,同时物理意义明确的平衡方程方法并编写了计算程序。考虑了所有常见的散射机制,通过自洽求解动量和能量平衡方程,计算了AlGaN/GaN 异质结中二维电子气漂移速度、电子温度、迁移率等物理量。

           

 

 

                                             图1:在不同晶格温度下电子漂移速度随外加电场的变化。

     

 

 

 

 

 

                                              图2:在不同晶格温度下电子迁移率随外加电场的变化。

      

 

 

                                             图3:在不同晶格温度下电子温度随外加电场的变化。

              

                                                               图4:电子低场迁移率随晶格温度的变化。

_____________________________________________________________________

[1] Ren-Bing Tan, Wen Xu, Yu Zhou, Xiao-Yu Zhang, Hua Qin*, Two-dimensional electron transport in AlGaN/GaN heterostructures,Physica B (2012), http://dx.doi.org/10.1016/j.physb.2012.07.017.

 

 

 

 

低维等离子体波的调控与检测

 

 

(1)室温可调谐Fabry-Perot谐振腔与单色太赫兹波方案

        建设如图1所示的实验装置。其核心设计是由一个高精度步进电极控制反射镜与场效应沟道之间的间距,太赫兹光由器件的背面垂直入射,反射波由同一个离轴抛物面镜(OAP)收集后经分束器反射后由另一个OAP汇聚到热释电探测器。通过步进电极精确调节FP谐振腔的长度,使场效应沟道处的太赫兹电场达到发生强弱交替变化。在谐振时,反射太赫兹光强最弱,二维电子气处的电场最强。腔内太赫兹电场与二维电子气的相互作用包括二维电子气产生的自有载流子吸收和光栅耦合的二维等离子体波共振吸收。其中,二维等离子体波的共振吸收仅在特定的电子浓度(也即特定的栅极电压)条件下发生。

                       

  

 

(2)低温固定Fabry-Perot谐振腔与宽谱太赫兹波方案

        太赫兹谐振腔与有源器件的集成是一项难度极高的器件加工制备技术。主要是利用微加工制备基于高纯硅的高反镜面和在GaN/AlGaN-Sapphire的背面蒸镀高反镜面,通过两者的平行整合(倒装焊技术)形成固定腔长的太赫兹谐振腔,如图2所示。其太赫兹透射及其等离子体波共振吸收的测试将采用宽光谱的太赫兹时域光谱技术,并且器件温度降低至液氦温度,利用太赫兹时域光谱技术(Terahertz Time-Domain Spectrometry: THz-TDS)进行宽光谱的太赫兹波谱技术研究谐振腔内太赫兹光与场效应栅控的二维电子气相互作用。由于谐振腔尺寸一定,只有特殊的电磁波模式在2DEG处有很强的电场分布,通过调节沟道电子浓度使沟道中等离子体波与太赫兹电磁波形成强耦合和共振。

                    


 

 

 

 

纳米光栅耦合二维电子气的太赫兹发射

 

 

 

        在固体器件中通过加速电子实现太赫兹发射是一种常用的有效手段。然而不同于真空电子器件中电子不受散射而可以获得接近相对论速度,在固体器件中由于受晶格、杂质等散射电子在电场中的漂移速度受到饱和漂移速度的限制,因此极大地限制了在固体器件中实现太赫兹波的高效激发与发射。

        随着基于高质量III-V化合物半导体材料技术的不断提升,GaAs/AlGaAs和GaN/AlGaN等异质结构中的二维电子气室温迁移率可达到2000 cm2/Vs以上,近期出现的石墨烯等新型二维电子材料也可以提供更高的电子迁移率,为在固体器件中实现高效的太赫兹波发射提供了重要的材料基础。目前,面临的主要问题是(1)如何在微纳尺度下构筑高品质的等离子体波系统;(2)构筑高品质的太赫兹谐振系统;和(3)两者间的高效耦合。同时,建立起能够有效检测等离子体波激发和太赫兹发射的测试技术。

        在二维电子气中,利用肖特基栅极耗尽局部的二维电子气体可形成分立的等离子体波谐振腔,通过在源漏极注入高能量电子激发出特定模式的等离子体波,然后通过太赫兹天线实现从等离子体波到太赫兹电磁波的转换,产生太赫兹波辐射。目前,国际上报道的太赫兹辐射还很弱,效率低。太赫兹辐射通常是淹没在很强的背景黑体辐射中。 如何准确有效地探测到太赫兹辐射信号是开展进一步深入的机理研究和器件优化需要首先解决的关键技术问题。为此,我们利用不同辐射机制相对于源漏电压具有截然不同的频率响应特性的特点,发展了一种基于频率调制的探测技术,实现了太赫兹波与黑体背景辐射的有效分离。进一步结合傅立叶光谱系统,精确测得太赫兹辐射频率、效率与源漏电压和栅极电压的关系。

                         

                         a) 光源器件原理图。b) 光源器件光学照片和SEM(电子显微将)照片. c) 测试原理图。 d) 光源I-V特性曲线。                 

 


 

 

 

               

 

 

 

 

 

太赫兹场效应混频检测机制与室温高灵敏度太赫兹检测器

 

      1、 太赫兹场效应混频检测机制与室温高灵敏度太赫兹检测器

        室温、高速、高灵敏度的固态太赫兹检测器技术是太赫兹核心器件研究的重要方向之一。面向该前沿技术需求,我们展开基于高电子迁移率晶体管的太赫兹检测器研究。采用有别于基于单粒子态输运的电子学和基于量子能级间电子跃迁的光子学的传统方法,通过二维电子气中等离子体波(电子的集体激发)的调控进行太赫兹波的灵敏探测。该方法有望克服传统方法要求电子迁移率高、电子沟道长度短、器件杂散电学参数小或工作温度低的缺点,实现室温下的高灵敏度太赫兹检测。该型检测器以GaN/AlGaN异质结中的高迁移率二维电子气为基础,以太赫兹天线和肖特基栅极为太赫兹电场和二维电子气沟道的调控手段,探索并揭示太赫兹波激发二维电子气产生等离子体波和太赫兹光电响应的物理机制,建立并优化检测器的物理模型,实现了室温高灵敏度太赫兹检测器,探测频率达到0.8-1.1 THz,电流响应度大于70 mA/W,等效噪声功率小于40 pW/Hz0.5。如图所示,基于缓变沟道近似的准静态自混频理论,可以很好的描述包括线性区(LR)、饱和区(SR)、转换区(SR)和夹断区(PR)等所有区域的太赫兹响应。

                                                             

 

      (a) 测试电路图;太赫兹光电流实测(b)和模拟(c)随源漏电压(VDS)和栅压(VG)的二维图。

[1]. J. D. Sun, Y. F. Sun, D. M. Wu, Y. Cai, H. Qin* and B. S. Zhang, Appl. Phys. Lett. 100, 013506 (2012).

[2]. J. D. Sun, H. Qin*, R. A. Lewis, Y. F. Sun, X. Y. Zhang, Y. Cai, D. M. Wu, and B. S. Zhang, Appl. Phys. Lett. 100, 173513 (2012).

[3]. Y. F. Sun, J. D. Sun, Y. Zhou, R. B. Tan, C. H. Zeng, W. Xue, H. Qin, B. S. Zhang, and D. M. Wu*, Appl. Phys. Lett. 98, 252103 (2011).

[4]. J. D. Sun, Y. F. Sun, Y. Zhou, Z. P. Zhang, W. K. Lin, C. H. Zen, D. M. Wu, B. S. Zhang, H.Qin*, AIP Conf. Proc. 1399, 893 (2011).

[5]. J. D. Sun, D. M. Wu, B. S. Zhang, and H. Qin*, Progress In Electromagnetics Research Symposium. 30, 1227 (2011).

[6]. Y. F. Sun, J. D. Sun, X. Y. Zhang, H. Qin, B. S. Zhang and D. M. Wu*, Chinese Physics B. 21,10 (2012).

[7]. Y. Zhou, J. D. Sun, Y. F. Sun, Z. P. Zhang,W. K. Lin , H. X. Liu, C. H. Zeng, M. Lu, Y. Cai, D. M. Wu, S. T. Lou, H. Qin* and B. S. Zhang, Journal of Semiconductors. 32, 064005 (2011).

[8]. 孙建东,孙云飞,周宇,张志鹏,林文魁,曾春红,吴东岷,张宝,秦华*, “碟形天线增HEMT室温太赫兹探测器”,微纳电子技术,48卷,4期,215-219(2011)

[9]. 孙建东, 孙云飞, 曾春红, 秦华*, 张宝顺,室温太赫兹波探测器,公开号:102054891A,2011.

[10]. 孙云飞, 孙建东, 曾春红, 周宇, 吴东岷, 秦华*, 张宝顺, 一种高度集成的太赫兹波探测器,申请号: 201010297633.5,2011.

 

 

 

 

 

 

 

 

                 

太赫兹检测器、光源和调制器研究

       以基于化合物半导体和石墨烯的高迁移率二维电子气为基础,研究太赫兹电场、二维电子气场效应、二维电子气等离子波的调控方法,研究实现室温高灵敏度太赫兹波探测、高效太赫兹波发射和高速高调制深度调制器的器件构筑方法,形成高端的核心器件技术。主要的研究内容为:太赫兹场效应自混频、外差混频和谐波混频检测机制;高灵敏度检测器单元与焦平面阵列;低维等离子体波系统的构筑及其太赫兹波的耦合与调控;新型太赫兹固态光源;高速太赫兹调制器。