金属微腔耦合太赫兹量子阱光子探测器研究

在金属微腔中，共振激发局域表面等离激元（LSP）能够形成很强的极化偏转局域光场。利用这一特点，本项目拟开展金属微腔耦合太赫兹量子阱探测器（THz QWP）的器件与相关物理研究。与传统器件结构不同，我们将采用二维金属周期图样-THz QWP-金属薄层三明治结构，通过刻蚀、质子注入等，在金属微腔中仅保留强光场区器件。该设计将大幅度提高子带吸收量子效率，有效抑制暗电流，将THz QWP的探测灵敏度提高1-2个数量级。我们还将开展与LSP相关的器件物理研究，计划采用可突破衍射极限的光电流谱方法，研究金属微腔耦合THz QWP中亚波长尺度内LSP与微腔传导模相干相互作用、LSP与子带跃迁强相互作用形成的子带电磁激元现象。总之，本项目将系统研究LSP与半导体微纳结构子带跃迁的相互作用规律，改进传统THz QWP的器件设计及工艺，实现高灵敏度THz光子探测器，并为发展新型THz光电子器件进行有益探索。

太赫兹量子阱探测器（THz QWP）是一种重要的光子型太赫兹探测器，具有响应灵敏度高、速度快、响应频率可按需设计和工艺成熟等优点。本项目采用高效光栅-金属反射镜微腔耦合器，提高THz QWP吸收量子效率，进而实现高灵敏度THz QWP探测器。项目主要研究内容包括：（1）系统研究了各种光栅结构、金属微腔和表面等离子体激元耦合结构，提出多种THz QWP高效耦合器，发现光学声子辅助太赫兹响应峰；（2）研究了THz QWP电子输运特性，采用电子热化模型，解释了THz QWP的负微分电阻特性，实验与理论符合良好，在负微分电阻区，观察到电流聚束现象；（3）实现光读出THz QWP成像阵列原理器件，集成THz QWP和发光二极管（LED），利用太赫兹辐射引起的光电流调制LED发光强度，成功对太赫兹量子级联激光器发射光斑进行成像，分辨率接近衍射极限，有效像元数大于100×100。本项目取得的重要结果包括：（1）在理论上分析了金属微腔耦合器特性，发现0级和1级衍射模能够有效提高太赫兹辐射耦合效率，提出表面等离激元耦合器，设计耦合效率能提高10-100倍；（2）制备了多种高性能光栅耦合THz QWP单元器件，探测频率覆盖2.5-10 THz，探测率D*优于1.0×1010 cm Hz1/2/W，实现金属微腔制备工艺；（3）实现THz QWP-LED成像阵列演示器件。本项目发表论文19篇，其中SCI论文16篇，申请发明专利5项，培养和协助培养博士毕业生4名，硕士毕业生1名，全面完成项目计划目标。本项目研究的高性能THz QWP单元器件以及THz QWP-LED无像素成像阵列对太赫兹成像和太赫兹通信等应用有重要应用价值。