[發明專利]太赫茲波頻譜檢測器

有效

• 申請號: 201310410510.1
• 申請日: 2013-09-11
• 公開（公告）號: CN104422517B
• 公開（公告）日: 2017-01-04
• 發明（設計）人: 孫建東;秦華;孫云飛;張寶順
• 申請（專利權）人: 中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所
• 主分類號: G01J3/28
• 分類號: G01J3/28;H01Q1/22
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及半導體太赫茲光電技術領域的一種太赫茲波頻譜檢測器，通過調節檢測器柵壓實現太赫茲波的頻譜檢測。?

背景技術

太赫茲（Terahertz，1?THz?=?10¹²?Hz?~?1ps^-1?~?300μm?~?33cm^-1?~4.1?meV?~?47.6?K）輻射通常指的是波長在30?μm?-?3?mm（0.1?THz?-?10?THz）區間的電磁波，其頻段位于微波和紅外光之間。與其他電磁波相比，太赫茲波具有相干、低能、高帶寬、指紋特性、穿透性等獨特、優異的特性。以上特點決定了太赫茲波諸多的應用領域，主要包括信息和通信技術、生物和醫學研究、無損檢測、無損探傷、國土安全、食物和農業質量控制、全球環境檢測、衛星遙感、空間成像、安全檢測、物質內部結構層析、病理檢測、醫學成像、物質成份分析、近場成像、超快計算等。要實現以上應用太赫茲波檢測器尤為關鍵。然而現有太赫茲檢測器都不具備頻譜分辨能力，因此需要傅里葉光譜儀等頻譜檢測設備做較長時間的傅里葉變換得到太赫茲頻譜。因此，研究人員長久以來一直渴望發展出一種具有頻譜分辨能力的太赫茲波檢測器，以大幅推動THz技術的發展和應用。1993年由M.?Dyakonov?和?M.?S.?Shur首次提出有限尺寸二維電子氣的淺水波模型?(參考Phys.?Rev.?Lett.?Vol?71,p?2465(1993)。他們指出在特性邊界條件下，有限尺寸的二維電子氣體系存在共振形式的等離子體波，通過柵壓可調節等離子體波共振頻率，其一階模式可以簡單的表示為?，其中為等離子體波共振頻率，L為柵長（諧振腔腔長），為外加柵極電壓，為閾值電壓，e為單個電子電荷量，為電子有效質量。通過特定尺寸的諧振腔設計，使得等離子體波共振頻率處在太赫茲頻段，且可通過柵壓調節太赫茲頻率，因此特殊設計的場效應晶體管可以實現太赫茲波頻譜檢測。于2002年由W.?Knap和Y.Deng等人制備出全球首個基于該理論的太赫茲波頻譜檢測器（參考Appl.?Phys.?Lett.?Vol?80,?p?3433?(2002)?)，是一個基于AlGaAs/GaAs的二維電子氣的高電子遷移率晶體管，器件柵長為150?nm，用于形成等離子體波諧振腔和調節共振頻率，使得入射太赫茲波和等離子體波發生共振，從而實現太赫茲頻譜檢測。但該頻譜檢測器的頻譜分辨能力較低，且有較大的非頻譜檢測背景信號，還需要在極低溫下工作。要實現該類檢測器的應用，需要進一步提高頻譜分辨率，降低背景信號，提高器件工作溫度。?

發明內容

本發明的目的在于提出一種太赫茲波頻譜檢測器，以克服現有高電子遷移率太赫茲波頻譜檢測器頻譜分辨率低、背景信號大、需極低溫工作等缺陷。?

為實現上述目的，本發明提供如下技術方案：?

本申請公開了一種太赫茲波頻譜檢測器，以高電子遷移率晶體管為基本結構，所述高電子遷移率晶體管的溝道處設有天線，以產生太赫茲電場，所述天線與高電子遷移率晶體管集成設置，且與高電子遷移率晶體管的源極和漏極完全獨立，所述的天線包括第一天線和第二天線，所述的第一天線連接于第一柵極，以調節二維電子氣濃度；所述的第二天線連接于第二柵極和第三柵極，以形成二維等離子體波諧振腔，所述的第二柵極和第三柵極分別位于所述第一柵極的兩側。

優選的，在上述的太赫茲波頻譜檢測器中，所述的天線通過太赫茲濾波器連接于引線電極。?

優選的，在上述的太赫茲波頻譜檢測器中，所述的太赫茲濾波器為回折的金屬納米線。?

優選的，在上述的太赫茲波頻譜檢測器中，所述高電子遷移率晶體管和天線集成設置于帶二維電子氣基片的襯底外延片上。?

優選的，在上述的太赫茲波頻譜檢測器中，所述二維電子氣基片包括由上到下依次層疊的隔離層、外延層和襯底層，所述高電子遷移率場效應管的源極、漏極和柵極以及天線設置在形成于襯底外延片的有源區上，且該源極和漏極通過設置在襯底層中的二維電子氣通道連接。?

與現有技術相比，本發明的優點在于：該太赫茲波頻譜檢測器通過采用獨立于源極和漏極的蝶形天線結構，并采用將形成等離子體波諧振腔的納米柵極直接與天線相連，使得檢測器結構更為緊湊，并結合對稱柵極和多柵極結構設計，能夠有效提高柵極對二維等離子體波的調控，實現對太赫茲波的高速、高效、高靈敏和低噪聲的頻譜檢測。同時，該太赫茲波頻譜檢測器能在高于77?K?的溫度工作，可顯著拓展太赫茲波的應用范圍，并節省應用成本。此外，通過結合現有半導體微加工制造技術，可使本發明器件結構更小型化，有利于太赫茲系統的高效集成。?