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

       中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所、中國科學院納米器件與應用重點實驗室秦華團隊與中國電子科技集團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，靈敏度達到同類石墨烯探測器的最好水平，該結果近期發表在碳材料雜志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、生物醫學和環境檢測等領域具有重要應用前景。然而太赫茲科技的發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匱乏的瓶頸問題。目前，光源與探測器技術得到了大幅提升，并且太赫茲成像技術正逐步進入危化品波譜探測、生物成像和人體安檢等應用領域，但在0.3-3.0 THz核心“太赫茲空白區”的高功率發光和高靈敏度探測仍屬于技術難題。例如，室溫工作、發射頻率高于0.3 THz并且輸出功率達到1-100毫瓦量級的固態太赫茲光源還處于研發階段。又如，遠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探測器能夠接近該靈敏度。因此，發展室溫工作的超高靈敏度太赫茲探測器對推進太赫茲技術應用具有重要意義。

        蘇州納米所團隊一直致力于室溫超高靈敏度太赫茲探測器的研究，基于常規半導體異質結(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、寬頻帶光學吸收、高可調諧費米能級、雙極型載流子及其非線性輸運等優異特性。

        此次進展由兩個重點實驗室合作獲得，發揮了碳化硅(SiC)襯底外延生長的高質量雙層石墨烯、高效偶極天線與探測器設計、自對準天線柵極工藝等優勢，使0.34 THz頻段的石墨烯太赫茲自混頻(Self-mixing/Homodyne mixing)探測器的電壓響應度達到了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)。基于該探測器實現了對新鮮樹葉的清晰透視成像。目前，聯合團隊已進一步實現了石墨烯外差混頻(Heterodyne mixing)和分諧波混頻(Sub-harmonic mixing)，最高探測頻率達到0.65 THz。

        此次合作突破了蘇州納米所團隊前期獲得的基于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))，達到并驗證了2013年預測的探測靈敏度水平(Appl. Phys. Lett. 103, 173507 (2013))。研究結果表明：或可進一步提高石墨烯探測器的靈敏度2-3個數量級，但其實用化技術的形成仍有待進一步突破設計和制造等關鍵技術。

G-FET太赫茲探測器的研制工作得到了國家自然科學基金項目(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超導電子學研究所的大力支持。