太赫茲波在電磁頻譜中介于毫米波和紅外之間，在材料科學(xué)、信息傳輸、環(huán)境監(jiān)測、生命健康等諸多領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。例如，利用太赫茲波可穿透非金屬和非極性材料(如紡織品、紙板、塑料和木料等)而不產(chǎn)生電離損傷的特點，太赫茲成像技術(shù)在無損檢測、人體安檢和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價值。由于處在基于宏觀經(jīng)典理論電子學(xué)與基于微觀量子理論的光子學(xué)之間的過渡區(qū)，太赫茲光源和探測器等核心關(guān)鍵器件的效率低下或需在低溫下工作，太赫茲科學(xué)技術(shù)的發(fā)展受到了核心器件缺乏的嚴重制約。

中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所、中國科學(xué)院納米器件與應(yīng)用重點實驗室秦華課題組在“十一五”末成功開發(fā)了基于氮化鎵高濃度二維電子氣的室溫、高速、高靈敏度太赫茲探測器。“十二五”期間，課題組圍繞探測器的優(yōu)化、可制造工藝和模塊化集成等關(guān)鍵技術(shù)，初步形成了材料-器件-工藝-電路-集成的技術(shù)能力，成功開發(fā)了室溫工作的高靈敏度單像元探測器模塊和太赫茲焦平面成像器件，為進一步發(fā)展面向太赫茲成像和通信等應(yīng)用的核心器件研制提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐。目前課題組已經(jīng)成功研制出單像元、線陣列和焦平面太赫茲成像模組。

圖1. 單像元太赫茲探測器模組及其掃描成像。

圖1所示的是針對220 GHz、340 GHz、650 GHz和850 GHz等大氣吸收窗口研制的單像元太赫茲探測器模塊。模塊的電壓響應(yīng)度大于1 MV/W，等效噪聲功率小于50 pW/Hz1/2，響應(yīng)時間小于1μs，其綜合指標優(yōu)于熱釋電和高萊等商業(yè)化太赫茲探測器。單像元模塊的高速和高靈敏度性能已在中國電子科技集團公司第五十研究所的快速太赫茲成像儀和成都電子科技大學(xué)的太赫茲通信演示系統(tǒng)中得到試驗驗證。

圖2. 32×32焦平面和1×64線陣列太赫茲成像芯片。

圖2所示的是規(guī)模為32×32的焦平面和1×64的線陣列太赫茲成像芯片，屬于我國首次實現(xiàn)的基于場效應(yīng)混頻探測技術(shù)的太赫茲成像器件。其中，面陣列成像芯片由基于氮化鎵的陣列探測器和基于CMOS的陣列讀出電路通過倒裝焊技術(shù)互連而成，線陣列成像芯片可由基于氮化鎵的線陣列探測器和CMOS線陣列讀出電路直接互連而成。

圖3. 焦平面和線陣列太赫茲成像。

圖4. 左圖為被成像旋轉(zhuǎn)塑料葉片，右圖為太赫茲實時成像視頻。

圖3(a)所示為0.9 THz太赫茲光斑和0.34 THz牛頓干涉環(huán)的視頻成像截圖。圖3(b)所示為1×64線陣列成像器件探測得到340 GHz的一維太赫茲光斑圖像。圖4（右）為對旋轉(zhuǎn)塑料葉片進行實時成像的視頻，幀頻達到29Hz。基于目前已掌握的核心器件設(shè)計與工藝技術(shù)，可進一步擴大像素規(guī)模，近日已試制成功規(guī)模為128×128的探測器陣列。

研制工作得到了蘇州納米所納米加工平臺、測試分析平臺和相關(guān)合作團隊的大力支持。在太赫茲焦平面成像芯片的研制中，中國電子科技集團公司第四十四所羅木昌博士領(lǐng)銜的合作團隊研制開發(fā)了基于CMOS的陣列讀出電路和成像信號處理系統(tǒng)，并承擔了芯片互連和封裝工藝的技術(shù)開發(fā)工作。

場效應(yīng)混頻探測器的研究工作得到了國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展“973”計劃、中科院“百人計劃”、中科院重要方向性項目和國家自然科學(xué)基金等項目的支持。

來源：中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所