场效应自混频太赫兹探测器中等离子体波的边界调控研究

At present, the optical sensitivity of field-effect self-mixing terahertz detectors based on nanogates becomes competitive that of the best results of zero biased Schottky diode detectors. However, with the further shortening of the gate length, it becomes more difficult to confine the plasma wave and terahertz field within the field-effect channel under a single nanogate, resulting less efficient improvement in sensitivity by shortening the gate length. A fundamental problem to be solve would be to form the localized plasma modes and improve mixing efficiency by controlling the boundary condition of plasma wave. This project aims to develop new approaches to further improve the sensitivity by setting two additional nanogates on both sides of the mixing nanogate to make fine control of plasma waves. A sensitivity in the order of 10^-1 pW/Hz^0.5 is expected which could provide sensitive detectors for distance terahertz communication and passive/active terahertz imaging.

目前基于纳米栅的场效应自混频太赫兹探测器的光学灵敏度已经达到商用肖特基探测器水平。然而随着栅长的进一步缩小，单个纳米栅极对等离子体波和太赫兹电场的局域控制能力减弱，部分等离子体波扩展到场效应栅控区域以外，不能形成有效的混频，限制了太赫兹混频效率的提升。因此，如何通过调节等离子体波的边界条件，调控其有序、定向传播，在场效应沟道内形成受限的等离子体模式，加强太赫兹波与离子体波相互作用，从而提高太赫兹混频效率是继续提升灵敏度需要解决的关键科学问题。本项目拟在场效应混频纳米栅极两侧分别设置纳米栅调控电极，通过它们的栅压形成特定的电子浓度梯度分布，构建等离子体波的边界条件，探索将场效应沟道外的等离子体波重新传播到场效应混频沟道内，从而提高纳米栅场效应探测器灵敏度的方法。力争将探测器灵敏度提高到10^-1 pW/Hz^0.5量级，为太赫兹远程通信和主、被动太赫兹成像等应用提供灵敏探测器。

本项目以基于等离子体边界调控的纳米栅室温、高速、高灵敏度场效应太赫兹探测器研究目标，围绕AlGaN/GaN异质结二维电子气中等离子体波的边界调控和场效应混频探测模型，开展了基于等离子体波边界调控的场效应混频探测器模型、场效应探测器设计、加工和组件集成、探测器测试定标和应用验证等研究工作。获得了等离子体边界调控方法和场效应混频探测模型，研制成系列高灵敏度GaN HEMT自混频、外差混频和焦平面太赫兹探测器芯片和组件。主要进展和成果如下：.1. 实现了光栅耦合AlGaN/GaN异质结二维电子气中等离子体波的有序调控。构建了局域等离子体模式和等离极化激元模式，为提高混频效率奠定了试验基础。.2. 获得全参数化设计和仿真模型，指导场效应探测器灵敏度的持续提升。研制了高灵敏度GaN HEMT场效应自混频探测器，室温和77 K的光学噪声等效功率分别达到3 pW/Hz^1/2和0.3 pW/Hz^1/2，并首次实现了太赫兹被动成像演示。.3. 研制成高灵敏度GaN HEMT场效应外差混频探测器。全面解析了饱和特性、噪声功率、变频损耗和噪声等效功率同本振功率的内在关系，实测噪声等效功率达到-132 dBm/Hz（6.3×10^-17 W/Hz）。.4. 通过GaN HEMT阵列探测器芯片和CMOS读出电路倒装集成，实现了焦平面成像探测器芯片和相机，阵列规模和帧频分别达到64×64和50 fps，演示了太赫兹视频成像。.5. 利用氟离子注入阈值调控技术，首次实现了两端型场效应混频探测器结构，可在零栅压或栅极悬空的状态下工作，极大地简化了场效应探测器的布线结构。.6. 实现了基于组合式太赫兹天线的超宽频场效应混频太赫兹探测器，响应频谱范围达到0.1~4 THz，完整覆盖太赫兹频段。.7. 开展了探测器组件在国家重大科学基础设施中的应用。应用于EAST托卡马克等离子体诊断装置，促进了诊断装置的全国产化；应于我国首台太赫兹自由电子激光装置，解决了对超短脉冲和高峰值功率太赫兹波脉冲的实时监测的问题。.8. 发表学术论文9篇（包括3篇Appl. Phys. Lett.，2篇Optics Express和1篇入选Editor's Picks），申请中国发明专利6项，获得2021年度江苏省科学技术二等奖，入选2021年度中科院青促会优秀会员。