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高性能的非制冷“毫米波与太赫兹波”探测技术

2021-03-24 11:20:45  来源: 中国光学

毫米波(名词解释⏬)与太赫兹波(名词解释⏬)探测技术在通信、安全、生物检测、频谱分析等领域有着广泛的应用。它们是将承载着毫米波与太赫兹波的光信息转变为电信号的核心技术。

  高灵敏度、宽波段、快速响应及面阵可延展性的非制冷探测技术一直是目前所急需发展的方向。它们是一系列毫米波与太赫兹波相关系统,如高速宽带通讯网络、深空探测、安全检测、物质成分分析等的基石。

  然而,传统的毫米波与太赫兹波探测技术或受制于:

  低灵敏度,

  不具备快速响应,

  不具备宽波段响应,

  不是基于芯片级半导体而无法延展至面阵列,

  无法满足非制冷和热电制冷工作需求。

  传统毫米波与太赫兹探测技术目前市场上主要的非制冷毫米波与太赫兹波探测器件是基于高来(Golay cell)、热释电(pyroelectrics)和测辐射热计(bolometer)的热探测元件,以及基于肖特基的光子探测元件。然而它们受制于低灵敏度、慢响应速度,窄波段探测,无法扩展至面阵等缺陷,不能满足当前发展需求。

  太赫兹光电导天线探测技术已广泛应用在太赫兹时域光谱系统之中,然而这种探测要求额外的激光束去激发半导体中的载流子(名词解释⏬)。

  另一方面,其对半导体材料本身也有很高的生长要求。1990年代,一种新型的基于等离子体的场效应管探测结构得以提出,并得到了迅速发展,这种结构基于三电极结构,其共振探测频谱范围对沟道尺寸有很大的依赖。

  当前,一些基于新兴材料,如黑磷、石墨烯、钙钛矿、狄拉克半金属,拓扑绝缘体等材料的出现,推动了毫米波与太赫兹波探测也得到了快速发展,然而材料稳定性、均匀性及面阵可扩展性对于这些新兴材料仍是很大的挑战。

  表面等离子体诱导的非平衡载流子

  传统的基于金属结构的表面等离子体技术主要应用在可见及紫外波段。在长波的毫米波与太赫兹波段,这些金属将会变成理想导体,很难激发与作用光的相强互作用。

  基于金属孔洞结构的人工表面等离子体激元(Spoof SPPs)技术是解决这一问题的一个途径。另一方面,受益于一些窄禁带半导体的低等离子体频率,低电子有效质量和高迁移率,它们可以作为毫米波与太赫兹波段表面等离子体激发的载体。与此同时,表面等离子激元的弛豫能诱导出非平衡载流子。

  2017 年,基于半导体表面等离子诱导的非平衡载流子的毫米波与太赫兹波探测技术得以提出,并利用这一波段的等离子体半导体InSb(名词解释⏬)实现了非制冷的毫米波与太赫兹波探测。这一技术在实现高性能的长波探测上具有很大潜力。

  近日,新加坡南洋理工大学张道华(Dao Hua Zhang)教授,校长博士后学者童劲超

  (Jinchao Tong)等提出了基于分子束外延半导体InSb和表面等离子体增强的高灵敏度、宽波段、非制冷毫米波与太赫兹波探测技术。

  该成果以“Plasmonic semiconductor nanogroove array enhanced broad spectral band millimetre and terahertz wave detection”为题发表在Light: Science& Applications。

  该技术基于毫米波与太赫兹波段的表面等离子体所诱导的非平衡载流子,通过集成半导体纳米沟槽结构以及耦合天线设计,实现了单一器件的高灵敏度及宽波段高性能探测。

  研究人员利用分子束外延生长技术,得到了高质量的基于InSb半导体的探测器件 (图1)。

  该种方法生长的InSb具备很高的迁移率,能够实现快速及高灵敏度探测。

  该种方法可以扩展至线列乃至面阵列,实现毫米波与太赫兹波段的焦平面成像。

  为了实现宽波段的毫米波与太赫兹波探测,一方面,InSb的负性介电常数可以一直保持到约3THz,

  另一方面,本文采用了一种宽波段耦合的平面螺旋天线,通过参数设计,该天线可以实现宽波段的毫米波与太赫兹波耦合。

  为了进一步增强毫米波与太赫兹波段的表面等离子激发,本文引入了基于探测半导体自身的纳米沟槽结构。该结构直接嵌入在探测敏感元InSb之中,能够更加有效的激发表面等离子体(图2),从而诱导产生更多的非平衡载流子,实现高灵敏度探测。

  这种基于外延生长的半导体InSb,通过耦合天线设计及集成半导体纳米沟槽结构,实现了高灵敏度及宽波段的毫米波与太赫兹波探测。该器件应用潜力巨大,比如6G通信网络,无损安全检测和深空探测等。

  论文信息

  Tong, J., Suo, F., Zhang, T. et al. Plasmonic semiconductor nanogroove array enhanced broad spectral band millimetre and terahertz wave detection. Light Sci Appl 10, 58 (2021).

  本文第一作者为新加坡南洋理工大学校长博士后学者童劲超(Jinchao Tong),新加坡南洋理工大学张道华(Dao Hua Zhang)教授与童劲超博士为本文共同通讯作者。合作者包括新加坡南洋理工大学博士生所霏(Fei Suo),博士后张天宁(Tianning Zhang)以及中国科学院上海技术物理研究所黄志明研究员和褚君浩院士。


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