[发明专利]太赫兹波探测器及太赫兹波的探测方法

说明书

本发明公开了一种太赫兹波探测器及太赫兹波的探测方法。所述太赫兹波探测器包括半导体结构、第一电极、第二电极、第一欧姆接触结构、第二欧姆接触结构、第一天线和第二天线：所述第一天线和第二天线间隔设置在所述半导体结构上，并均与所述半导体结构形成肖特基接触；所述第一欧姆接触结构、第二欧姆接触结构分别对应设置在所述第一天线、第二天线与半导体结构之间，所述第一欧姆接触结构及第二欧姆接触结构均与半导体结构形成欧姆接触且分别与第一天线、第二天线电连接，所述第一电极、第二电极分别与第一天线、第二天线配合。本发明提供的太赫兹波的探测方法，采用偏压工作模式进行太赫兹波的探测，偏压工作模式增加了器件的稳定性。

技术领域

本发明特别涉及一种太赫兹波探测器及太赫兹波的探测方法，属于太赫兹波探测技术领域。

背景技术

太赫兹波段是指频率在0.1-10THz(波长3mm-30μm)范围内，在电磁频谱中介于微波和红外之间的电磁波。该波段处于微波电子学向量子光学的过渡，成熟的微波和光子技术都较难适用，受限于现有辐射源/探测器等核心器件的开发水平，该频段内丰富的频谱和带宽资源尚未得到有效开发和利用。其中，室温下高速高灵敏度的太赫兹波探测器的研制将在无损安检、太赫兹成像和6G通讯等领域发挥重要的价值。

基于AlGaN/GaN高迁移率场效应晶体管(HEMT)设计制备的非对称偶极天线耦合的太赫兹波探测器，根据自混频理论通过改变栅极与源漏极距离、使用薄势垒、高迁移率的InP材料等设计，使得该类探测器的灵敏度有较大提升。目前，最高水平可在室温下实现3.7pW/Hz^1/2的噪声等效功率(NEP)。但是该类探测器在灵敏度低至1pW/Hz^1/2的发展上出现瓶颈，因此亟需优化该类太赫兹波探测器的设计，深入研究电磁场耦合与调控等方面的机理。

此外，诸如石墨烯、黑鳞、二硫化钼等二维材料的兴起也为太赫兹波探测器注入新的活力，此类探测器通过在两端电极外加偏置电压，运用太赫兹辐照下二维材料的光热载流子的非平衡激发形成光生电流，但这类探测器尚处于研发阶段，在探测灵敏度和稳定性上还面临挑战。

现有的非对称偶极天线耦合的三端太赫兹波探测器发明中，《室温太赫兹波探测器》的天线设计均由肖特基接触组成，即为电容耦合的三端太赫兹波探测器(DET-1)，其结构如图1a和图1b所示，在常用的三端太赫兹波探测器的非对称偶极天线设计中，源漏天线与栅控沟道和由二维电子气构成的源漏电极通过电容耦合实现连接，即制备在AlGaN/GaN异质结表面的金属源漏天线与二维电子气构成一个大面积的肖特基势垒电容。通过图中对应于结构示意图的等效电路图可知，栅控区沟道内阻为r_c，此处的光电流表示为i₀(V_g)，i为源漏端输出电流，与串联电阻有关，偶极天线下狭长的有源区会引入较高的源漏串联电阻r_s/r_d。加之这类三端型HEMT探测器普遍依赖于HEMT的亚阈值区域的高跨导特性实现高响应度和低电流噪声探测，这种工作模式下的器件沟道几乎处于夹断状态，使得器件内阻较大，不利于器件响应带宽及与后端放大电路的匹配，将会限制器件在高速脉冲、高速太赫兹调制信号解调上的应用。

孙云飞等人的《一种太赫兹波探测器》公开的三端太赫兹波探测器(DET-2)的欧姆接触同时为源、漏电极和天线结构，其结构如图2a和图2b所示，目的是为了器件结构紧凑、便于集成，由对应的等效电路图图2b可清晰看出，这种欧姆接触沉积于天线的设计可以减小2DEG连接源漏极与对应天线区域的串联电阻，但欧姆接触与靠近栅控区域的天线边缘平齐或者尽可能有小的距离，易受欧姆接触的高温快速退火影响，退火后欧姆接触变形，导致靠近栅极的天线顶端的保型性变差，难以实现亚微米尺度的“天线-栅极”缝隙的可控制备。随着三端太赫兹波探测器向更高灵敏度的发展，栅极长度、栅极与源漏天线间隙等核心尺寸趋向于越来越小的纳米尺度，出现了制备难度大、工艺一致性差、可靠性降低等问题。