面向极限灵敏度的自混频太赫兹检测器及其模型研究

Field-effect self-mixing terahertz detectors based on two-dimensional electron gas have been proved to be of paramount importance for terahertz applications such as imaging, communication, radar and etc. The sensitivity offered by self-mixing detectors is already comparable to and much better than the commercial Schottky diode detectors in the sub-THz band (< 0.7 THz) and the THz band ( > 0.9 THz), respectively. There is plenty of room to boost the sensitivity in the aspects of both device model and fabrication techniques. Aiming to break the sensitivity limit, this project is to solve the existing problems in device model. A more accurate device model will be developed by using the dynamic transport approach considering the spatial distributions of both the terahertz electric field and the field-effect electron density. The model will be examined through the corresponding device optimization and characterizations. A world-record of sensitivity in field-effect self-mixing terahertz detection is expected in the end of this project.

基于二维电子气的场效应自混频太赫兹探测器由于具有室温工作、高灵敏度和高速度等的优点，有望在太赫兹成像、通信和雷达等系统中得到广泛应用。经过十余年的发展，该类探测器在0.7 THz以 下的性能指标已基本接近商业化的肖特基二极管探测器，而在0.9 THz以上已具有显著的优势。尽管如此，无论是器件模型还是工艺技术，自混频探测器还有巨大的优化空间。本项目以突破极限灵敏度为目标，针对现有混频模型还很不完整的核心问题，在前期的模型和器件研究基础上，结合器件优化和关键工艺技术的研究，重点开展基于动态输运、综合考虑太赫兹电磁场和场效应特性空间分布的器件模型建设和验证工作。通过本项目的实施，得到更先进的器件模型、更优的制备技术和系统的探测器优化设计方法，研制成具有国际领先水平的场效应自混频探测器。

本项目以突破极限灵敏度为目标，在前期的模型和器件研究基础上，结合器件优化和关键工艺技术的研究，重点开展基于动态输运、综合考虑太赫兹电磁场和场效应特性空间分布的器件模型建设和验证工作。通过本项目的实施，得到了更先进的器件模型、更优的制备技术和系统的探测器优化设计方法，研制成了具有国际领先水平的场效应自混频探测器。主要结果如下：.1. 完善并验证了优化的场效应太赫兹检测模型，首次将场效应自混频模型和等离子体共振模型相结合。在天线耦合的三栅场效应器件中，同时观察到了自混频响应和等离子体波共振响应，验证了模型的正确性，为进一步优化探测器设计奠定了理论基础。.2. 首次将场效应自混频模型从单色相干光探测模式扩展到宽谱非相干光探测模式。利用所研制的场效应探测器，在国际上首次实现了黑体非相干光的太赫兹成像和光谱检测。 .3. 完成基于纳米栅的场效应自混频太赫兹探测器芯片研制。室温和77 K的光学噪声等效功率分别达到3 pW/Hz^0.5和0.3 pW/Hz^0.5，优于项目研究目标，达到国际领先水平，实测响应速度3 ns，。.4. 研制成室温、高速、高灵敏太赫兹单像元差分探测器模组。实现了探测器芯片与硅透镜以及放大电路的集成。模组的频率探测范围达到0.1-1.1 THz，响应频宽大于40 %，光学响应度大于10 MV/W，等效噪声功率小于10 pW/Hz^0.5，响应带宽达到500 MHz。.5. 研制成基于场效应的外差混频太赫兹探测器。实现了基频为216 GHz的216 GHz、432 GHz、648 GHz和864 GHz场效应外差混频和谐波混频探测，混频阶数达到4阶，噪声等效功率优于5 fW/Hz，中频带宽达到2 GHz，达到国际领先水平。 .6. 国际首例异质集成的场效应太赫兹焦平面（32 × 32）成像模组。演示了太赫兹光斑、干涉环和旋转塑料片等的视频成像，帧频达到29 Hz。.7. 搭建了基于场效应探测器的应用演示系统。分别实现了太赫兹透射和反射式成像、太赫兹高速通信和音频传输演示。.8. 在本项目资助下，出版专著1本，发表学术论文10篇（包括3篇Appl. Phys. Lett.和2篇Carbon），申请中国发明专利3项。