基于二维电子气疏运的高性能室温太赫兹探测器

一、研究背景

太赫兹波段具有宽带特性、独特的光谱指纹、非电离性和穿透能力强等特点，在生物医学、无损检测、无线通信和航空航天技术等多种应用领域具有广阔前景。太赫兹探测器是太赫兹众多应用技术的核心，在已有的太赫兹探测器中，制冷型探测器一般具有灵敏度高、噪声低的特点。但是在实际测试中需要体积大的低温（液氮、液氦）环境设备而且操作复杂，这在一定程度上限制了其应用场景和范围。为了满足广泛的应用需求，开发具有高灵敏度、快速响应、可大规模阵列化的室温太赫兹探测器是研究者们的心之所向。

二、研究进展

室温太赫兹探测器已被大量研究，然而大多数探测器达不到先进探测应用的要求，响应速度、灵敏度和工作频率范围等不同性能之间难以兼顾，整体性能仍有待提高。浙江大学吴惠桢教授团队通过引入二维电子气（2DEG）沟道传输非平衡载流子实现了快速、高灵敏度的室温太赫兹宽带响应。分别利用PbTe薄膜和CdTe/PbTe异质结半导体基于电磁诱导势阱效应实现太赫兹探测，其中CdTe/PbTe异质结界面处自发形成了具有高载流子浓度、低散射和高迁移率的2DEG沟道。通过物理探测机制和实验结果分析2DEG沟道传输的优势。图一中的机理模型形象地展示了两种探测器在太赫兹辐射下产生的非平衡载流子进入不同的传输路径，进入2DEG沟道中的非平衡载流子受到的散射更少、漂移速度更快。

该团队对两种探测器的多种响应性能进行了表征（图2-图4）。得益于2DEG的高载流子浓度和高迁移率，非平衡载流子在沟道中的复合率比PbTe薄膜更低、散射概率更小，从而实现非平衡载流子的快速和有效收集，拓宽了探测器的太赫兹响应范围，提高了探测器的响应强度、灵敏度和响应速度。

三、未来展望

与低温探测器相比，室温太赫兹探测器由于其操作便利性和成本效益，在将太赫兹技术扩展到实际应用方面具有很大的前景。通过选择优质输运通道来调控载流子动力学的策略，为开发高性能太赫兹探测技术提供了新范式。鉴于该研究中的异质结材料可在Si/Ge晶圆外延，通过倒装键合技术将2DEG光电探测器的焦平面阵列与读出集成电路集成在一起，有望实现高分辨率和实时成像。

来源: https://spj.science.org/doi/10.34133/research.0656