1 引言

太赫兹波辐射具有光子能量低、穿透力强、高频和超短脉冲(皮秒量级)等特性,在材料科学、安全检查、环境监测、通信等诸多领域得到广泛应用^[1-8]。太赫兹探测技术是太赫兹波应用的核心技术之一,基于不同材料和不同探测原理的太赫兹波探测器应运而生。现有的探测器主要有超导隧道结探测器^[9]、硅测辐射热计^[10]、肖特基二极管^[11]、碳纳米管测辐射热计^[12]以及量子点探测器^[13]。这些探测器普遍存在灵敏度低、响应速度慢、需要在低温下工作等诸多缺点。因此,室温、高速和高灵敏度太赫兹探测器成为当前研究热点之一。近年来,有关室温太赫兹探测器方面的报道越来越多,探测器朝着频率可调、噪声低、价格低廉和可在室温下工作的方向发展^[14-16],且出现大量具有耦合天线结构的太赫兹探测器,这些天线主要有双极子耦合天线^[17]、矩形平板天线^[18]、对数天线^[19]等。2009年,Öjefors等^[20]在室温下借助尺寸为390 μm×440 μm的平板对称天线,利用GaAs二极管对频率为200 GHz的太赫兹波进行了探测,其室温下的响应度可以达到150 V/W。2010年,日本松下公司利用80 nm 的T型栅 GaN/AlGaN-高电子迁移率晶体管(HEMT) 器件,对频率为1 THz的电磁波进行了探测,其室温下的响应度达到了1100 V/W^[21]。2011年,本课题组提出了一种基于三极子碟形天线的自混频GaN/AlGaN HEMT太赫兹探测器,室温下器件的响应度达到了250 V/W^[22]。为了进一步提高探测器的响应度,本课题组将该太赫兹探测器单元与硅透镜集成,制备出了响应度为4.5 kV/W的太赫兹探测器模组^[23],相对于太赫兹探测器单元,器件的响应度提高了约18倍,这主要是由硅透镜对太赫兹波的聚集增强效应所引起的。因此要进一步提高探测器模组的响应度,就必须提高探测器单元的响应度,而太赫兹天线的耦合效率是影响探测器单元响应度的主要因素之一。针对太赫兹天线耦合效率较低的问题,本文设计并制备了一种带有太赫兹低通滤波器的高灵敏度GaN/AlGaN HEMT太赫兹探测器单元(未集成硅透镜),室温下该器件的响应度达到了1.05×10³ V/W,测试带宽为1 Hz时,器件的噪声等效功率达到了4.7×10^-11 W。同时,利用该探测器单元对不同材料的物体进行了透射和反射扫描成像演,结果表明,探测器的成像分辨率达到了亚毫米量级,且器件的灵敏度和响应速度均优于商用的气动探测器(高莱管)的和热释电探测器的。

2 自混频探测机理及仿真计算

图1所示为自混频太赫兹探测器的工作原理图^[24],其中V_ds为源漏电压,I_ds为源漏电流,I_pc为光电流。根据自混频探测机理可知,在频率为ω=2πf(f为入射太赫兹波的频率),能流密度为P₀的太赫兹光照射下,太赫兹天线会在栅下二维电子气处分别感应出平行和垂直于沟道的横向电场E_x=ξ·xE₀cosωt和纵向电场E_z=ξ·zE₀cos(ωt+ϕ),其中E₀为自由空间太赫兹电场, ξ·x=dξ_x/dx和 ξ·z=dξ_z/dz分别为横向电场和纵向电场的增强因子,ϕ为横向电场和纵向电场的相位差,t为时间。入射太赫兹波能流密度P₀和自由空间阻抗Z₀的关系可表示为P₀=E02/(2Z₀)。因此,太赫兹光电流^[22]可表示为

Io=Z0P0dG0dVgeffA0=Z0P0WLμdCgdVgeffA0,(1)

式中W为器件的沟道宽度;L为探测器的栅长;μ为材料中电子的迁移率;G₀=μWLC_g为零偏压下器件的电导,C_g=ε/z-为单位面电容(其中ε为材料的平均介电常数, z-为栅极与沟道内二维电子气之间的有效距离);V_geff=V_g-V_th-V_x为沿沟道距离栅极左侧x处的有效栅压(定义栅极左侧x=0,右侧x=L),V_x为沿沟道方向、距离栅极左侧x处的太赫兹感应电压,V_g和V_th分别为外加栅极电压和阈值电压;A₀= z-∫0Lξ·xξ·zcosϕdx- ∫0Lξ·xξ·zdx为探测器的结构因子,用以表征天线对太赫兹电场的增强能力。

图 1. 自混频探测器的工作原理图[24]

Fig. 1. Working principle of detector based on self-mixing mechanism[24]

下载图片 查看所有图片

探测器正常工作时,无需施加源漏电流,探测器噪声以热噪声为主。热噪声电流谱密度^[22]为

Ni=4κTG,(2)

式中κ为玻尔兹曼常数,T为HEMT探测器的温度,G为沟道电导。由热噪声电流密度限制的噪声等效功率可表示为

PNEP=NiRi,(3)

式中R_i为器件的光电流响应度。

从(1)式可以得出,在太赫兹光强一定的情况下,光电流的大小主要取决于器件的电导G₀和探测器的结构因子A₀,因此,在相同功率的太赫兹光源,且器件的天线特征参数(天线结构、栅长和源漏天线间距)确定的情况下,天线的耦合效率越高,探测器的响应度就越高。

图2(a)中插图为针对场效应自混频特点所开发的高效非对称碟形耦合太赫兹天线,该天线结构由源极天线S(尺寸为45 μm×10 μm,材料为金),漏极天线D和栅极天线G三部分构成^[22-25]。图2(b)中插图为碟形耦合太赫兹天线,其通过直导线跟引线电极相连。图2(c)中插图为通过太赫兹低通滤波器跟引线电极相连的天线。太赫兹天线的谐振性能越好,意味着探测器的响应度越高,但是在与外部测试电路连接并测试时,外部引线电极和太赫兹天线之间的连接方式必然会影响到天线的谐振性能,因此,利用有限时域差分法(FDTD)通过CST MicroWave Studio仿真软件对上述三种连接方式下太赫兹天线的结构因子分别进行了仿真计算。如图2(a)所示,当太赫兹天线没有跟外部引线电极相连时,太赫兹天线在栅下二维电子气处的结构因子约为2×10⁴,而且共振峰在1 THz左右。如图2(b)所示,当太赫兹天线通过直导线跟引线电极相连时,太赫兹天线的谐振性能受到较大的影响,频率为1 THz处的结构因子受到较强的削弱,从原来的2×10⁴减小到4.5×10³左右,同时在频率约为0.2 THz处出现一个低频响应峰。说明外部引线电极发挥了低频耦合天线的作用,在太赫兹波的照射下通过直导线把低频耦合信号引入到栅极附近,而频率为1 THz的高频耦合信号则通过直导线泄露到外部引线电极上,造成了高频耦合信号的耗散,极大地降低了探测器的响应度。因此,在三极子蝶形耦合天线的每瓣天线跟外部引线电极之间均插入了一个类似于二维弹簧的太赫兹低通滤波器。制备的太赫兹低通滤波器的扫描式电子显微镜(SEM)图如图2(d)所示,滤波器通过电子束曝光技术、电子束蒸发和剥离工艺制备,线条的宽度为150 nm,每两个线圈的间距为500 nm。通过仿真计算,发现高频信号的结构因子又恢复到原来的强度,而且低频信号也基本消失。因此,只要滤波器的尺寸设计合理,就能较好地保证器件的响应度和灵敏度。

图 2. (a)~(c)不同器件的结构因子;(d)滤波器的SEM图

Fig. 2. (a)-(c) Structure factors of different devices; (d) SEM image of filter

下载图片 查看所有图片

滤波器不仅能保证太赫兹天线和引线电极之间的物理连接,而且能够较好地隔离天线和外部引线电极之间的信号干扰,从而保证器件的探测效率。但是,由于滤波器是由纳米级的金属线圈构成,线圈匝数越多,器件的加工成本越高,且器件的合格率越小。通过FDTD仿真计算,发现天线的结构因子随着滤波器线圈匝数n的增加而增大,如图3所示,当线圈匝数增加到50时,基本可以保证天线具有良好的谐振性能。因此,本文所使用的滤波器的线圈匝数为50。

3 实验结果和讨论

3.1 探测器的制备

为了分析滤波器对探测器探测效率的影响,在GaN/Al_0.27Ga_0.73N材料上制备了两个具有相同三极子蝶形天线结构的探测器,其材料的室温迁移率为1400 cm²/(V·s),二维电子气的浓度(单位面积内的粒子数)为1.3×10¹³ cm^-2,欧姆接触电阻率为3×10^-5 Ω/cm²。整个器件的制备过程主要包括有源区隔离、欧姆接触制备、滤波器制备和耦合天线及

图 3. 滤波器的频率响应曲线

Fig. 3. Frequency response curves of filters

下载图片 查看所有图片

引线电极制备4步工艺。经第一步紫外(UV)光刻和离子束刻蚀(IBE)等工艺对二维电子气进行台面隔离,形成有源区;通过第二步UV光刻、电子束蒸发、金属剥离和快速退火(N₂环境下900 ℃退火)等工艺形成源、漏欧姆接触;通过第三步电子束曝光、电子束蒸发和金属剥离制备滤波器;通过第四步UV光刻、电子束蒸发和金属剥离制备三极子耦合天线和引线电极;最后进行裂片和封装。

图4(a)所示为采用相似的制备工艺(去除上述第三步工艺)所制备的对比探测器,其中S-pad、D-pad、G-pad分别表示源极引线电极、漏极引线电极和栅极引线电极。探测器A中的三瓣天线(源极天线、漏极天线和栅极天线)都是通过直导线直接跟引线电极相连,而图4(b)所示探测器B中的三瓣天线与引线电极之间则是通过太赫兹低通滤波器相连。为了真实地测试太赫兹低通滤波器对探测器响应度的影响,除了天线跟电极的连接方式不同之外,这两个探测器所有的特征尺寸都是相同的:栅长L_g=700 nm,源漏间距L_w=3 μm,栅宽W=4 μm,引线电极的尺寸150 μm×150 μm,蝶形耦合天线的尺寸10 μm×45 μm,且所有的工艺参数和所用的材料均相同。分别对这两个器件的电学性质和光学响应进行了测试和对比,器件的详细测试方法见参考文献[ 22]。

图 4. (a)探测器A和(b)探测器B的SEM图

Fig. 4. SEM images of (a) detector A and (b) detector B

下载图片 查看所有图片

3.2 探测器的光电性能测试

探测器的性能测试设备主要包括返波管太赫兹光源、锁相放大器、电压源表、电流前置放大器和多功能测试万用表等。单色、频率可调的太赫兹光由返波管产生,输出频率在840~930 GHz之间连续可调。太赫兹光经斩波器调制后,再经一组离轴抛物面反射镜(OAP)进行校准,最后经分束器分束后会聚到一个铁电探测器和HEMT探测器(放置于液氮杜瓦瓶中)上。其中,铁电探测器作为标准探测器用于对辐射太赫兹波的功率进行定标,探测器的光电流经电流前置放大器放大,最后通过锁相放大器输出。其光电性能测试装置示意图如图5所示。

图 5. 太赫兹探测器测试装置示意图

Fig. 5. Schematic of THz detector test device

下载图片 查看所有图片

首先,在室温下对上述两个器件的微分电导和微分电导的一阶导数进行了测试,图6(a)所示为探测器的微分电导以及微分电导的一阶导数随栅压(V_g)变化的曲线。当栅压为零且无太赫兹波辐射时,由于探测器A、探测器 B的栅长和沟道宽度都是相同的,故探测器A和探测器 B的电导及电导的一阶导数在室温下随栅压的变化都是相同的。如图6(b)所示,在入射功率为78 nW,频率为903 GHz的太赫兹光照射下,直流光电流信号受栅压强烈调控,并正比于栅压对微分电导的一阶导数(实验结果与由自混频模型推导出的(1)式吻合较好)。器件B的光电流在室温下约为1.6 nA,而器件A的光电流在室温下仅为0.4 nA左右。实验表明,通过使用太赫兹低通滤波器,器件的光电流增加了约4倍,跟仿真结果(4.5倍)吻合较好,从实验上证明了滤波器对太赫兹天线谐振性能的增强作用。当液氮加入到液氮杜瓦瓶中且器件的温度稳定后,对器件B的光电流也进行了测试,77 K下器件B的最大光电流达到了3 nA。

图 6. 探测器的光电响应曲线。(a)G和dG/dVg随栅压的变化曲线;(b)探测器的光电流随栅压的变化曲线;(c)探测器的功率响应曲线

Fig. 6. Photoelectric response of detector. (a) G and dG/dVg versus gate voltage; (b) photo current versus gate voltage; (c) power response of detector

下载图片 查看所有图片

图6(c)所示为903 GHz 下探测器B的响应度曲线,实验中HEMT探测器真实接收到的功率P_THz= VPERPE·n可由铁电探测器校准得到,其中,V_PE为铁电探测器的输出电压,R_PE为铁电探测器的电压响应度,n为铁电探测器和HEMT探测器接收到的有效太赫兹波能量之比(实验中铁电探测器的有效接收面积为2 mm×2 mm,HEMT探测器的有效接收面积为0.2 mm×0.2 mm)。通过测试分析可知,器件B在室温下的光电流响应度为35 mA/W,光电压响应度为1.05×10³ V/W,温度为77 K时,光电流响应度为600 mA/W。由于整个测试电路的测试带宽为5 Hz,探测器的本底噪声电流为0.03 nA,计算可得,测试带宽为1 Hz时,探测器的噪声等效功率为4.7×10^-11 W。由于室温和低温下探测器的光电流响应度差别较大,为了在同一坐标系下准确和有效地显示所有测试数据,对图6(b)和图6(c)中室温(300 K)下的测试值分别乘了10倍和5倍的系数。

图7所示为所测得的GaN基HEMT、热辐射计和热释电探测器的调制频率曲线,其中f_M为斩波器的调制频率。从图7可以看出,基于电子学的GaN基HEMT 探测器响应速度远大于基于热效应的热辐射计、热释电探测器等探测器的。对于GaN基HEMT 探测器,在有限的调制频率范围内(目前实验室的斩波器最高调制频率能达到4 kHz)并没有看到信号有所减弱,说明最高调制频率f_max明显大于4 kHz。如图7所示,热辐射计和热释电探测器的-3 dB响应带宽分别为23 Hz和1.2 kHz。由于f_max与1/L²成正比,最高调制频率f_max随栅长的减小而迅速增大。对于50 nm栅长的GaN基HEMT,在阈值电压附近的最高调制频率理论上可以达到80 GHz^[26]。

图 7. 响应速度随调制频率的变化曲线

Fig. 7. Response speed versus modulation frequency

下载图片 查看所有图片

图8(a)和图8(b)所示分别为太赫兹扫描透射成像示意图和反射成像示意图。在透射成像系统中,返波管(频率为903 GHz)发出的太赫兹波由两个离轴抛物面反射镜收集并会聚到被测样品上,透过样品的太赫兹波再经由另外两个离轴抛物面反射镜会聚到太赫兹探测器上;在反射成像中,被样品反射的太赫兹波经由另外两个离轴抛物面反射镜会聚到太赫兹探测器上。在两种成像中,样品均被放置在XY二维电动位移平台上,并沿着焦平面作二维扫描,最终实现对被测物品的透射和反射扫描成像。

图9所示为0.9 THz光照下不同材料和结构物体的透射成像图。图9(a)中红框为钥匙、火柴、回形针的光学照片,黑框为太赫兹透视成像图,可以看出清晰的轮廓,具有很高的空间分辨率。图9(b)所示为干树叶及其太赫兹波成像图片,由于叶片和叶脉所含水分不同,厚度也不同,故太赫兹波透过树叶的透射率也就不同,因此可以比较清晰地看到叶脉。太赫兹扫描成像的一个重要的用途就是对生物体组织成像的同时不破坏其结构,是一种非接触处式的成像技术,太赫兹射线光子的能量很低,成像时不会对样品造成损害。

图 8. 太赫兹扫描成像示意图。(a)透射成像;(b)反射成像

Fig. 8. Schematic of THz scanning imaging. (a) Transmission imaging; (b) reflection imaging

下载图片 查看所有图片

图 9. 透射扫描成像。(a)钥匙、火柴和别针;(b)干树叶

Fig. 9. Transmission scanning imaging. (a) Key, match and pin; (b) dry leaf

下载图片 查看所有图片

图10所示为手术刀片的反射成像图。将手术刀置于粗糙的牛皮上,利用图8(b)所示的成像系统进行成像实验,结果显示手术刀清晰可见,牛皮反射的微弱信号也能被清晰分辨。

图 10. 置于牛皮上的手术刀的太赫兹扫描反射成像图

Fig. 10. THz reflection scanning imaging of operating knife placed on cowhide

下载图片 查看所有图片

从以上不同材料与结构物品的扫描反射和透射成像质量来看,所设计的高速、高灵敏度的室温太赫兹探测器单元完全适用于实际太赫兹成像应用。因此,太赫兹成像将会在不同的场合发挥巨大作用。

4 结论

制备了一种基于太赫兹低通滤波器和三极子耦

合天线的高速、高灵敏度GaN/AlGaN HEMT 室温太赫兹波探测器。实验研究表明,当用太赫兹低通滤波器代替太赫兹天线和引线电极之间的直导线时,器件的光电流从0.4 nA增大到了1.6 nA,室温下器件的响应度达到了1.05×10³ V/W,测试带宽为1 Hz时,器件的噪声等效功率为4.7×10^-11 W。同时,利用该探测器单元对不同材料的物体进行了透射和反射扫描成像实验,结果表明,探测器的成像分辨率达到了亚毫米量级,且器件的响应速度优于商用的热敏探测器。

致谢 感谢中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所吴东岷研究员对本论文的指导。