近日，中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所、中科院納米器件與應(yīng)用重點實驗室秦華團隊公布了能夠在液氮溫度下靈敏探測太赫茲波黑體輻射的氮化鎵基高電子遷移率晶體管探測器研究結(jié)果，首次直接驗證了天線耦合的場效應(yīng)晶體管可用于非相干太赫茲波的靈敏探測。結(jié)果發(fā)表于《應(yīng)用物理快報》[Appl. Phys. Lett. 110, 171109 (2017)]，并被APL編輯選為2017年4月份17期推薦論文之一。在此工作之前，國際上利用場效應(yīng)晶體管探測器僅實現(xiàn)了相干單色太赫茲波或準相干的太赫茲波脈沖的探測，因此場效應(yīng)晶體管只能應(yīng)用于主動的太赫茲波探測與傳感等。對非相干太赫茲波的靈敏探測的實現(xiàn)表明場效應(yīng)晶體管太赫茲探測器將能夠在太赫茲波人體安檢、無損檢測和大氣環(huán)境檢測等主、被動成像與探測等應(yīng)用中發(fā)揮作用。

基于場效應(yīng)晶體管的太赫茲波探測器是一種基于電子學(xué)的新型太赫茲波探測器。它通過太赫茲波電場同時調(diào)制場效應(yīng)溝道中電子的漂移速度和電子濃度實現(xiàn)太赫茲波的自混頻或外差混頻，從而在溝道中產(chǎn)生相應(yīng)的直流電流或差頻振蕩電流。利用高效的太赫茲波天線將被檢測太赫茲波聚焦在亞波長尺度的場效應(yīng)溝道內(nèi)，探測頻率因此不受晶體管的整體電學(xué)參數(shù)的限制，遠高于晶體管的電流單位增益或功率單位增益的截止頻率。圖1所示為場效應(yīng)晶體管太赫茲探測器的剖面示意圖，被測太赫茲波被聚焦在場效應(yīng)柵極控制的溝道內(nèi)，形成調(diào)節(jié)漂移速度的水平電場和調(diào)節(jié)電子濃度的垂直電場分量，并且其空間分布呈不對稱分布。圖1的動畫簡單描述了溝道內(nèi)電子在水平太赫茲電場和垂直太赫茲電場作用下的定向運動。

在該論文中，該團隊公布了3個頻段的高靈敏度太赫茲探測器。探測器采用AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)二維電子氣材料和偶極天線設(shè)計，中心響應(yīng)頻率分別在0.34、0.65和0.90 THz，室溫下的噪聲等效功率約為30×10^-12 W/Hz^1/2。在液氮溫度下（-196 ℃）的噪聲等效功率下降至1×10^-12 W/Hz^1/2，使黑體太赫茲波的探測成為可能。秦華團隊的副研究員孫建東首先驗證了天線耦合的AlGaN/GaN高電子遷移率晶體管能夠?qū)Ψ窍喔商掌澆ㄟM行靈敏響應(yīng)，進一步分別采用頻率連續(xù)可調(diào)的相干太赫茲波光源和結(jié)合太赫茲黑體輻射與太赫茲傅立葉變換光譜儀對探測器的響應(yīng)頻譜進行了測試分析對比。如圖2所示，研究結(jié)果表明場效應(yīng)晶體管對非相干太赫茲波的響應(yīng)特性與該團隊前期建立的強局域化太赫茲波混頻模型[Appl. Phys. Lett. 100, 173513 (2012)]吻合良好，對探測器模型進行修正后能夠?qū)Ψ窍喔商掌澆ǖ奶綔y帶寬和靈敏度進行定量描述。場效應(yīng)晶體管對非相干太赫茲波的響應(yīng)能力表明其探測機制屬于一種電子學(xué)的輪棘效應(yīng)（Ratchet effect），揭示了在場效應(yīng)結(jié)構(gòu)中由無規(guī)熱漲落產(chǎn)生定向太赫茲光電流響應(yīng)的豐富物理內(nèi)涵，為建立更加準確的探測模型和高靈敏度探測器的開發(fā)指明了方向。

得益于該團隊在氮化鎵基場效應(yīng)晶體管探測器機理研究和實用化器件研制方面的持續(xù)攻關(guān)，2015年12月該團隊完成了對非相干太赫茲波的探測能力驗證和成像試驗。圖3所示的是使用通電發(fā)熱的電阻產(chǎn)生的非相干太赫茲波輻射作為被測物或被測物的輻照光源進行的成像試驗結(jié)果。同樣，在該成像試驗中，為獲得較高的信噪比，900 GHz探測器被降低至液氮溫度，熱電阻黑體的溫度升高至約630 ℃。近期，蘇州納米所團隊進一步提高了探測靈敏度，使室溫噪聲等效功率小于10^-11 W/Hz^1/2，實現(xiàn)了室溫探測器對熱電阻黑體太赫茲波輻射的靈敏探測，達到可替代透鏡耦合的商業(yè)化肖特基二極管太赫茲探測器的性能指標，該新結(jié)果正在分析整理中。圖3所示的清晰成像結(jié)果表明，進一步提高場效應(yīng)晶體管探測器的靈敏度將推動相干和非相干光源輻照下的太赫茲波無損檢測技術(shù)和低成本太赫茲波譜技術(shù)的應(yīng)用開發(fā)。

太赫茲探測器的研制工作得到了國家自然科學(xué)基金項目（61271157，61401456，61401297，61611530708）、國家重點研發(fā)計劃（2016YFF0100501）、江蘇省科技項目（BK20140283）和中科院青年促進會（2017372）的資助，探測器的加工和相關(guān)測試分別得到了中科院蘇州納米所納米加工平臺、測試分析平臺和南京大學(xué)超導(dǎo)電子學(xué)研究所的大力支持。

圖1：天線和柵極耦合的場效應(yīng)晶體管剖面示意圖。不對稱的太赫茲電場在溝道內(nèi)產(chǎn)生定向的電荷輸運。

圖2：三個頻段（340、650和900 GHz）的AlGaN/GaN高電子遷移率晶體管太赫茲探測器對相干太赫茲波和非相干黑體輻射的響應(yīng)譜。數(shù)據(jù)點為實測結(jié)果，實線為基于強局域化太赫茲混頻模型的理論計算結(jié)果。（摘自Appl. Phys. Lett. 110, 171109 (2017)）

圖3：中心響應(yīng)頻率為900 GHz的AlGaN/GaN高電子遷移率晶體管太赫茲探測器的成像演示效果。（a）為對發(fā)熱電阻的直接掃描成像。（b-d）分別為在發(fā)熱電阻產(chǎn)生的非相干太赫茲波輻照下對手術(shù)刀片、門禁卡和樹葉的掃描透視成像。（摘自Appl. Phys. Lett. 110, 171109 (2017)）