研究方向概述

      二维电子气太赫兹器件与组件 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。

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)的调控实现室温下对太赫兹波的灵敏探测。探测器以GaN/AlGaN高电子迁移率晶体管中的二维电子气为基础,利用高效的太赫兹波天线将被检测太赫兹波聚焦在亚波长尺度的场效应沟道内,通过太赫兹波电场同时调制电子的漂移速度和电子浓度实现太赫兹波的自混频或外差混频,从而在沟道中产生相应的直流电流或差频振荡电流。图1所示为场效应晶体管太赫兹探测器的剖面示意图,被测太赫兹波被聚焦在场效应栅极控制的沟道内,形成调节漂移速度的水平电场和调节电子浓度的垂直电场分量,并且其空间分布呈不对称分布。图1的动画简单描述了沟道内电子在水平太赫兹电场和垂直太赫兹电场作用下的定向运动。

 图1 原理图

        我们基于此太赫兹混频模型研制的太赫兹混频探测器室温下噪声等效功率(NEP)小于3 pW/Hz1/2,探测频谱可覆盖0.1-1.1THz,,并在国际上首次实现了场效应管对太赫兹波的宽谱非相干黑体辐射的检测(图2),同时进行了相应的成像实验(图3)。室温下灵敏度已超越高莱探测器和铁电等热敏探测器,可与国际领先的VDI公司生产的肖特基二极管探测器相媲美。在77 K,噪声等效功率(NEP)小于0.3 pW/Hz1/2,国际上首次实现了基于场效应探测器的被动成像演示实验。其次,太赫兹混频探测器实现了场效应外差混频探测及高次分谐波混频探测,并将此模型理论应用到石墨烯中,制成石墨烯混频探测器,实现了噪声等效功率为51 pW/Hz1/2的高灵敏度,是当前国际上石墨烯探测器可达到的最高灵敏度。同时实现了基频为216 GHz的分谐波高次混频探测,噪声等效功率优于5 fW/Hz,中频带宽达到2 GHz,有望超越基于肖特基二极管的外差混频探测器。

图2 场效应管对太赫兹波的宽谱非相干黑体辐射的检测

图 3 对应成像实验

    我们针对0.11 THz、0.22 THz、0.34 THz、0.65 THz和0.85 THz等大气窗口,实现了差分对管探测器及其硅透镜耦合的单像元探测器模组。并将此混频探测器制备成阵列芯片,成功制备了32×32的焦平面成像模组。

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。目前成功获得了高灵敏度石墨烯(Graphene)太赫兹探测器,灵敏度达到同类石墨烯探测器的最好水平,该结果近期发表在碳材料领域著名的Carbon杂志上---Carbon 116, 760-765 (2017)。


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。