1 中国科学技术大学 纳米技术与纳米仿生学院，安徽 合肥 230026
2 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 纳米器件与应用重点实验室，江苏 苏州 215123
3 江苏省纳米器件重点实验室，江苏 苏州 215123
4 上海科技大学 物质科学与技术学院，上海 201210
5 苏州晶湛半导体有限公司，江苏 苏州 215000
矢量测量是表征太赫兹波段天线与准光系统波束特性的主流技术。该文介绍了一种基于AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管（High-electron-mobility transistor, HEMT）混频探测器的太赫兹矢量测量系统。该系统核心器件为以准光-波导为耦合方式的高灵敏度太赫兹混频探测器，在340 GHz频率外差模式下，其噪声等效功率达−113 dBm/Hz。为了抑制系统相位噪声，搭建了基于二次下变频原理的硬件电路。通过对固定位置天线的长时间测量，表明系统相位稳定度优于4°，系统最小可测功率达到119 nW。基于相干AlGaN/GaN HEMT混频探测器实现了太赫兹连续波幅度和相位分布测量，该工作为后续阵列化太赫兹矢量测量提供了基础。
矢量测量 太赫兹探测器 相干探测 高电子迁移率晶体管 氮化镓 vector measurement terahertz detector coherent detection HEMT GaN 红外与激光工程
2023, 52(1): 20220278
1 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 纳米器件与应用重点实验室，江苏 苏州 215123
2 上海科技大学 物质科学与技术学院，上海 201210
3 中国科学院纳米器件与应用重点实验室 江苏省纳米器件重点实验室，江苏 苏州 215123
4 中国科学技术大学 纳米技术与纳米仿生学院，安徽 合肥 230026
为充分发挥AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管 (High-Electron-Mobility Transistor, HEMT)太赫兹探测器阵列的高电子迁移率优势，文中研究了HEMT太赫兹探测器阵列在77 K下的探测特性。使用液氮杜瓦为降温主体搭建了适用于焦平面 (Focal-Plane Array, FPA)芯片的低温系统，实现了对焦平面芯片常温与低温下的对比测试。温度从300 K降到77 K时，探测器阵列像元的平均响应度提高近3倍，平均噪声有小幅增大，340 GHz时平均噪声等效功率 (Noise Equivalent Power, NEP)从45.1 pW/Hz1/2降低到了19.4 pW/Hz1/2，灵敏度提高两倍以上。与硅透镜耦合的单元探测器相比，阵列像元的灵敏度提升仍有较大空间。主要是由于各像素点最佳工作电压的不一致，导致在给定统一工作电压下像元间的响应度和噪声都表现出较大的离散性，文中讨论了降低最佳工作电压离散度的可能解决方案。
太赫兹探测器 低温焦平面 成像芯片 氮化镓HEMT terahertz detector low-temperature focal-plane imaging chip gallium nitride HEMT 红外与激光工程
2022, 51(12): 20220225
1 苏州科技大学电子与信息工程学院，江苏 苏州 215009
2 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，江苏 苏州 215123
3 中国科学院纳米器件与应用重点实验室，江苏省纳米器件重点实验室，江苏 苏州 215123
本文利用亚波长硅圆柱组成的超表面设计了用于太赫兹探测器的聚焦透镜，通过改变硅柱的直径，实现对太赫兹波传输相位0~2π的调控。在1 THz频率下，所设计的单面超表面透镜，太赫兹波电场能量密度提升到入射平面波的32倍。基于工艺制备可行性和抗反射考虑，提出了一种双面超表面透镜，将电场能量密度提升到入射平面波的44倍。对比于传统超半球太赫兹硅透镜，超表面透镜具有厚度薄，体积小的优点，有利于太赫兹探测器组件的小型化，为实现与太赫兹探测器的集成提供了可能性。
1 中国科学技术大学 纳米技术与纳米仿生学院，安徽 合肥 230026
2 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 纳米器件与应用重点实验室，江苏 苏州 215123
3 上海科技大学 物质科学与技术学院，上海 201210
4 苏州晶湛半导体有限公司，江苏 苏州 215000
利用天线耦合AlGaN/GaN HEMT太赫兹探测器的自混频和外差混频效应，分别设计并测试了340 GHz频段直接检波式和外差混频式接收机前端。通过接收机信噪比的测量和接收功率的定标，得到了两种接收机的等效噪声功率。直接检波模式下探测器的响应度约为20 mA/W，直接检波模式和外差混频模式下接收机的等效噪声功率分别约为−64.6 dBm/Hz1/2和−114.79 dBm/Hz。在相同的载波功率和接收信号带宽条件下，当本振太赫兹波功率大于−7 dBm时，外差混频接收的信噪比优于直接检波的信噪比。当本振功率大于0 dBm时，外差混频接收机表现出优良的解调特性，其信噪比高出直接检波接收机的信噪比10 dB以上。
氮化镓 太赫兹无线通信 太赫兹探测器 直接检波 外差混频 gallium nitride terahertz wireless communication terahertz detector homodyne heterodyne 红外与激光工程
2021, 50(5): 20210202
1 重庆光电技术研究所, 重庆 400060
2 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 中国科学院纳米器件与应用重点实验室, 江苏 苏州 215123
3 中国科学技术大学 纳米技术与纳米仿生学院, 江苏 苏州 215123
太赫兹波成像技术在人体安检、医学成像、无损检测等领域具有广泛的应用前景。文中面向高速、高灵敏度和便携式太赫兹成像应用需求, 设计实现了一种基于AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管自混频检测机制的太赫兹焦平面成像传感器。该焦平面成像传感器由探测器阵列芯片和CMOS读出电路通过倒装互连实现, 阵列规模达到32×32。探测器阵列中具有对管差分功能的像元设计通过提高探测器的电压响应度和抑制共模电压噪声, 提高了焦平面成像的灵敏度。焦平面成像传感器的输出模拟信号通过片外的模数转换(ADC)芯片转化为数字信号, 由现场可编程门阵列(FPGA)采集后通过Camera Link图像数据与通信接口发送到计算机。利用该焦平面成像传感器, 演示实现了太赫兹光斑、太赫兹干涉环和太赫兹光照下的旋转塑料叶片的视频成像, 帧频达到30 Hz。
太赫兹自混频探测器 高电子迁移率晶体管 CMOS读出电路 焦平面成像 terahertz self-mixing detector high-electron-mobility transistor CMOS readout integrated circuit focal plane array 红外与激光工程
2018, 47(3): 0320001
1 苏州科技大学电子与信息工程学院, 江苏 苏州 215009
2 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所纳米器件与应用重点实验室, 江苏 苏州 215123
制备了一种集成有太赫兹低通滤波器的高速、高灵敏度GaN/AlGaN高电子迁移率晶体管(HEMT)太赫兹探测器。实验研究表明, 当在太赫兹天线与引线电极之间加入低通滤波器时, 太赫兹耦合天线的谐振性能恢复, 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达到了4.7×10-11 W。利用该探测器单元对不同材料进行了快速扫描成像, 结果表明, 该探测器单元具有较好的成像分辨率, 且器件的响应速度优于商用的气动探测器的和热释电探测器的。
探测器 太赫兹 高电子迁移率晶体管 滤波器 扫描成像
1 中国科学院 苏州纳米技术与纳米仿生研究所 中国科学院纳米器件与应用重点实验室，江苏 苏州 215123，
2 中国科学院 苏州纳米技术与纳米仿生研究所 中国科学院纳米器件与应用重点实验室，江苏 苏州 215123
3 中国科学院大学，北京 100049
4 中国科学技术大学 纳米技术与纳米仿生学院，江苏 苏州 215123
5 苏州科技大学 电子与信息工程学院，江苏 苏州 215009
固态等离激元太赫兹波器件正成为微波毫米波电子器件技术和半导体激光器技术向太赫兹波段发展和融合的重要方向之一。本综述介绍AlGaN/GaN异质结高浓度和高迁移率二维电子气中的等离激元调控、激发及其在太赫兹波探测器、调制器和光源中应用的近期研究进展。通过光栅和太赫兹天线实现自由空间太赫兹波与二维电子气等离激元的耦合，通过太赫兹法布里-珀罗谐振腔进一步调制太赫兹波模式，增强太赫兹波与等离激元的耦合强度。在光栅-谐振腔耦合的二维电子气中验证了场效应栅控的等离激元色散关系，实现了等离激元模式与太赫兹波腔模强耦合产生的等离极化激元模式，演示了太赫兹波的调制和发射。在太赫兹天线耦合二维电子气中实现了等离激元共振与非共振的太赫兹波探测，建立了太赫兹场效应混频探测的物理模型，指导了室温高灵敏度自混频探测器的设计与优化。研究表明，基于非共振等离激元激发可发展形成室温高速高灵敏度的太赫兹探测器及其焦平面阵列技术。然而，固态等离激元的高损耗特性仍是制约基于等离激元共振的高效太赫兹光源和调制器的主要瓶颈。未来的研究重点将围绕高品质因子等离激元谐振腔的构筑，包括固态等离激元物理、等离激元谐振腔边界的调控、新型室温高迁移率二维电子材料的运用和高品质太赫兹谐振腔与等离激元器件的集成等。
二维电子气 等离激元 太赫兹 氮化镓 two-dimensional electron gas plasmon terahertz gallium nitride
1 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 中国科学院纳米器件与应用重点实验室, 江苏 苏州 215123
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 南京大学 电子科学与工程学院 超导电子学研究所, 南京 210093
提出一种基于标准黑体辐射源对宽谱太赫兹探测器进行响应度定标的方法.该方法包含一个直线型校准装置、两个定标流程和相应的模拟程序.考虑实验室温度、湿度和低通滤波器的透射特性,用该方法实现了4.2 K硅辐射热太赫兹探测器的响应度定标.对黑体辐射的傅里叶变换光谱进行测试,验证了定标程序和定标结果.分析定位了定标装置的三种主要误差来源,并提出相应的改进措施.所提定标方法适用于热释电太赫兹探测器、微型辐射热太赫兹探测器等宽谱太赫兹探测器的响应度定标.
太赫兹 探测器 响应度 黑体 滤波器 水汽吸收 Terahertz wave detector Silicon bolometer calibration Responsivity Blackbody radiation Filter Water vapor absorption
