基于室温高电子迁移率晶体管的太赫兹外差混频探测器研究

At room temperature, high-sensitivity and high-speed terahertz detection is usually realized by using the specially designed Schottky diodes. However, the superior sensitivity of a Schottky diode degrades as the frequency of detection is above 0.65 THz. At this moment, it is challenging to further improve the sensitivity in the terahertz regime. Based on our previous research on high-sensitivity self-mixing detectors at room temperature, we are stepping further towards ultra-high sensitivity heterodyne detectors based on the field-effect mixing. The goal of this project is to obtain a systematic knowledge base for future development of field-effect terahertz mixers. Hence, we will elaborately design and conduct experiments to reveal the mixing mechanism in field-effect electron channel and construct a proper device model. Meanwhile, the techniques of device fabrication, integration and characterization will be developed.

室温下高速、高灵敏度的太赫兹检测通常由特殊的肖特基二极管检测器来实现。然而，随着探测频率提高至0.65 THz以上时，肖特基二极管探测器的灵敏度迅速降低。目前，我国还没有完全掌握该类特殊肖特基二极管的制备技术。本项目面向0.65 THz以上的太赫兹成像及通信应用，在前期已发展的1.0 THz室温、高灵敏度太赫兹自混频探测器的基础上，进一步研究室温下的超高灵敏度外差式混频探测器技术。以场效应调控的GaN/AlGaN二维电子气中外差混频的物理机制、混频探测的器件物理模型、混频器及其外差探测模块的加工集成技术和相应的测试、表征与定标技术为主要研究内容。通过本项目的实施，获得系统的场效应混频探测器的设计与制备技术，缩小我国在室温、高速和超高灵敏度太赫兹探测器及其应用技术领域与国外先进技术的差距。

本项目面向太赫兹主被动人体安检成像、太赫兹雷达和通信系统对室温超高灵敏度太赫兹探测器的迫切需求，针对目前该类探测器依赖进口和禁运等现实问题，研究开发基于场效应晶体管的新型太赫兹外差混频探测器，形成具有自主知识产权的超高灵敏度太赫兹探测器技术。.在本项目中，项目组建立了场效应外差混频探测器的物理模型、设计、制备和测试分析方法，研制成基于AlGaN/GaN二维电子气和双层石墨烯的自混频探测器和外差混频探测器。自混频直接探测器的性能达到美国VDI公司生产的GaAs基肖特基二极管探测器水平，噪声等效功率小于10 pW/Hz^1/2，已在多个应用单位替代肖特基二极管直接探测器进行试用。外差混频探测器的最高灵敏度达到了3 fW/Hz，并实现了2次分谐波混频探测，中频带宽达到1 GHz。但是，目前外差探测的噪声等效温度与预期指标还有较大距离。研究发现直接探测与外差探测的灵敏度分别有1个数量级和5个数量级的提升空间。前者主要需解决光学耦合效率、天线阻抗匹配和纳米栅结构的综合优化问题；后者在前者的基础上，进一步通过天线设计精确调控外差混频电场分布，通过天线与纳米栅的综合设计降低场效应沟道阻抗。.场效应外差混频探测器受器件的电学杂散参数影响小，可以实现1.5-4.5 THz波段的外差混频。场效应外差混频器与肖特基二极管混频器相比具有更高的工作频率和更可靠的制造工艺。本项目研究验证了准光耦合的场效应外差混频探测器的可行性，可应用于1.5 THz以上频段的相干探测应用。同时，波导耦合的场效应混频探测器可获得更高的耦合效率，是发展超高灵敏度直接和外差检测器的重要途径。.低维电子材料（如石墨烯、MoS2等）中的场效应外差混频反映了太赫兹频段的非线性电学输运特性。太赫兹场效应外差混频是微波、毫米波、太赫兹波和红外波段低维电子材料、器件效应与应用研究的重要方法，具有重要的科学意义。进一步开展系统深入的太赫兹外差混频机制和器件研究，对发展实用化的超高灵敏度外差混频探测器技术具有重要的应用价值。