蘇州納米所成功研制超高靈敏度石墨烯太赫茲探測器

2017-04-13

       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)用重點實驗室秦華團(tuán)隊與中國電子科技集團(tuán)有限公司第十三研究所專用集成電路國家級重點實驗室合作，成功獲得了高靈敏度石墨烯(Graphene)太赫茲探測器，靈敏度達(dá)到同類石墨烯探測器的最好水平，該結(jié)果近期發(fā)表在碳材料雜志Carbon(116, 760-765 (2017))上。

       太赫茲波(Terahertz wave)是頻率介于紅外和毫米波之間的電磁波，在信息、生物醫(yī)學(xué)和環(huán)境檢測等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用前景。然而太赫茲科技的發(fā)展一直受制于小型化高功率光源和室溫高靈敏度探測器技術(shù)匱乏的瓶頸問題。目前，光源與探測器技術(shù)得到了大幅提升，并且太赫茲成像技術(shù)正逐步進(jìn)入?；凡ㄗV探測、生物成像和人體安檢等應(yīng)用領(lǐng)域，但在0.3-3.0 THz核心“太赫茲空白區(qū)”的高功率發(fā)光和高靈敏度探測仍屬于技術(shù)難題。例如，室溫工作、發(fā)射頻率高于0.3 THz并且輸出功率達(dá)到1-100毫瓦量級的固態(tài)太赫茲光源還處于研發(fā)階段。又如，遠(yuǎn)距離實時被動式太赫茲人體安檢要求探測器的噪聲等效功率(NEP)在10 -15 W/Hz 1/2量級以下，而目前只有在極低溫工作的超導(dǎo)探測器能夠接近該靈敏度。因此，發(fā)展室溫工作的超高靈敏度太赫茲探測器對推進(jìn)太赫茲技術(shù)應(yīng)用具有重要意義。

        蘇州納米所團(tuán)隊一直致力于室溫超高靈敏度太赫茲探測器的研究，基于常規(guī)半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)(如AlGaN/GaN)和石墨烯等新型二維電子氣(Two-dimensional electron gas, 2DEG)研制太赫茲混頻(Mixing)探測器。石墨烯等狄拉克二維電子材料為高效混頻探測提供了高電子遷移率、寬頻帶光學(xué)吸收、高可調(diào)諧費米能級、雙極型載流子及其非線性輸運等優(yōu)異特性。

        此次進(jìn)展由兩個重點實驗室合作獲得，發(fā)揮了碳化硅(SiC)襯底外延生長的高質(zhì)量雙層石墨烯、高效偶極天線與探測器設(shè)計、自對準(zhǔn)天線柵極工藝等優(yōu)勢，使0.34 THz頻段的石墨烯太赫茲自混頻(Self-mixing/Homodyne mixing)探測器的電壓響應(yīng)度達(dá)到了30 V/W，使探測器阻抗降低到203 Ω以下(探測器熱噪聲電壓小于讀出電路電壓噪聲)，實測噪聲等效功率約163 pW/Hz1/2(熱噪聲限制的等效噪聲功率僅為51 pW/Hz1/2)。基于該探測器實現(xiàn)了對新鮮樹葉的清晰透視成像。目前，聯(lián)合團(tuán)隊已進(jìn)一步實現(xiàn)了石墨烯外差混頻(Heterodyne mixing)和分諧波混頻(Sub-harmonic mixing)，最高探測頻率達(dá)到0.65 THz。

        此次合作突破了蘇州納米所團(tuán)隊前期獲得的基于CVD生長石墨烯的探測器噪聲等效功率(～207,000 pW/Hz1/2)(Chin. Phys. B 24, 047206 (2015))，達(dá)到并驗證了2013年預(yù)測的探測靈敏度水平(Appl. Phys. Lett. 103, 173507 (2013))。研究結(jié)果表明：或可進(jìn)一步提高石墨烯探測器的靈敏度2-3個數(shù)量級，但其實用化技術(shù)的形成仍有待進(jìn)一步突破設(shè)計和制造等關(guān)鍵技術(shù)。

G-FET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(No. 61271157, 61401456, 61306006)、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。