[发明专利]太赫兹波频谱检测器

说明书

技术领域

本发明涉及半导体太赫兹光电技术领域的一种太赫兹波频谱检测器，通过调节检测器栅压实现太赫兹波的频谱检测。 

背景技术

太赫兹（Terahertz，1 THz = 10¹² Hz ~ 1ps^-1 ~ 300μm ~ 33cm^-1 ~4.1 meV ~ 47.6 K）辐射通常指的是波长在30 μm - 3 mm（0.1 THz - 10 THz）区间的电磁波，其频段位于微波和红外光之间。与其他电磁波相比，太赫兹波具有相干、低能、高带宽、指纹特性、穿透性等独特、优异的特性。以上特点决定了太赫兹波诸多的应用领域，主要包括信息和通信技术、生物和医学研究、无损检测、无损探伤、国土安全、食物和农业质量控制、全球环境检测、卫星遥感、空间成像、安全检测、物质内部结构层析、病理检测、医学成像、物质成份分析、近场成像、超快计算等。要实现以上应用太赫兹波检测器尤为关键。然而现有太赫兹检测器都不具备频谱分辨能力，因此需要傅里叶光谱仪等频谱检测设备做较长时间的傅里叶变换得到太赫兹频谱。因此，研究人员长久以来一直渴望发展出一种具有频谱分辨能力的太赫兹波检测器，以大幅推动THz技术的发展和应用。1993年由M. Dyakonov 和 M. S. Shur首次提出有限尺寸二维电子气的浅水波模型 (参考Phys. Rev. Lett. Vol 71,p 2465(1993)。他们指出在特性边界条件下，有限尺寸的二维电子气体系存在共振形式的等离子体波，通过栅压可调节等离子体波共振频率，其一阶模式可以简单的表示为 ，其中为等离子体波共振频率，L为栅长（谐振腔腔长），为外加栅极电压，为阈值电压，e为单个电子电荷量，为电子有效质量。通过特定尺寸的谐振腔设计，使得等离子体波共振频率处在太赫兹频段，且可通过栅压调节太赫兹频率，因此特殊设计的场效应晶体管可以实现太赫兹波频谱检测。于2002年由W. Knap和Y.Deng等人制备出全球首个基于该理论的太赫兹波频谱检测器（参考Appl. Phys. Lett. Vol 80, p 3433 (2002) )，是一个基于AlGaAs/GaAs的二维电子气的高电子迁移率晶体管，器件栅长为150 nm，用于形成等离子体波谐振腔和调节共振频率，使得入射太赫兹波和等离子体波发生共振，从而实现太赫兹频谱检测。但该频谱检测器的频谱分辨能力较低，且有较大的非频谱检测背景信号，还需要在极低温下工作。要实现该类检测器的应用，需要进一步提高频谱分辨率，降低背景信号，提高器件工作温度。 

发明内容

本发明的目的在于提出一种太赫兹波频谱检测器，以克服现有高电子迁移率太赫兹波频谱检测器频谱分辨率低、背景信号大、需极低温工作等缺陷。 

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案： 

本申请公开了一种太赫兹波频谱检测器，以高电子迁移率晶体管为基本结构，所述高电子迁移率晶体管的沟道处设有天线，以产生太赫兹电场，所述天线与高电子迁移率晶体管集成设置，且与高电子迁移率晶体管的源极和漏极完全独立，所述的天线包括第一天线和第二天线，所述的第一天线连接于第一栅极，以调节二维电子气浓度；所述的第二天线连接于第二栅极和第三栅极，以形成二维等离子体波谐振腔，所述的第二栅极和第三栅极分别位于所述第一栅极的两侧。

优选的，在上述的太赫兹波频谱检测器中，所述的天线通过太赫兹滤波器连接于引线电极。 

优选的，在上述的太赫兹波频谱检测器中，所述的太赫兹滤波器为回折的金属纳米线。 

优选的，在上述的太赫兹波频谱检测器中，所述高电子迁移率晶体管和天线集成设置于带二维电子气基片的衬底外延片上。 

优选的，在上述的太赫兹波频谱检测器中，所述二维电子气基片包括由上到下依次层叠的隔离层、外延层和衬底层，所述高电子迁移率场效应管的源极、漏极和栅极以及天线设置在形成于衬底外延片的有源区上，且该源极和漏极通过设置在衬底层中的二维电子气通道连接。 

与现有技术相比，本发明的优点在于：该太赫兹波频谱检测器通过采用独立于源极和漏极的蝶形天线结构，并采用将形成等离子体波谐振腔的纳米栅极直接与天线相连，使得检测器结构更为紧凑，并结合对称栅极和多栅极结构设计，能够有效提高栅极对二维等离子体波的调控，实现对太赫兹波的高速、高效、高灵敏和低噪声的频谱检测。同时，该太赫兹波频谱检测器能在高于77 K 的温度工作，可显著拓展太赫兹波的应用范围，并节省应用成本。此外，通过结合现有半导体微加工制造技术，可使本发明器件结构更小型化，有利于太赫兹系统的高效集成。