面向6G技术的大尺寸、室温工作的高性能太赫兹探测器

撰稿人|闫培光

继5G之后，6G的通信波段规定0.12 THz、0.22 THz、0.28 THz和0.42 THz四个波段为下一代通信波段。在通信中如何实现低强度太赫兹信号的高灵敏探测，一直是本领域的前沿热点之一。基于此，大面积室温工作的高性能太赫兹探测技术对未来高速信息社会的发展极为重要。深圳大学闫培光教授课题组，联合南京邮电大学朱刚毅副教授和国防科技大学杨俊波教授，设计并制作了一种新型的太赫兹探测器。他们采用窄带隙量子点薄膜探测太赫兹波，并以“轮毂型”微盘结构对太赫兹波强局域化，制备了大面积太赫兹波探测器，展示了优异的性能。论文第一作者为宋琦博士后，相关成果以“Terahertz Detectors for 6G Technology Using Quantum Dot 3D Concave Convergence Microwheel Arrays”为题发表于《ACS Photonics》期刊。

太赫兹探测器作为太赫兹通信系统和成像系统的重要组成部分，由于新兴材料及超快激光技术的快速发展，太赫兹探测器也从最早的高莱探测器进阶为基于各种微结构的辐射热计、热释电探测器、光电导型探测器、光伏型探测器、电磁感应阱型探测器等，在近年来引起了广泛的关注。其中，光子探测器由于其较低的制备成本、高信噪比以及远高于热探测的响应速度，在目前的太赫兹系统中得到了广泛地应用。

然而迄今为止，太赫兹源较低的输出功率及其较低的光子能量使其在探测领域内始终饱受环境热噪声、偏压噪声、以及材料带隙不匹配等因素的影响。为了解决目前太赫兹探测的相关问题，表面等离激元极化效应作为实现电磁波与器件耦合的手段被引用于太赫兹探测领域。表面等离子体波是沿着导体表面传播的波，Barnes等人于2003年发现通过相对于入射电磁波波长的亚波长金属表面结构，表面等离子体的性质也会随之改变，从而可以定制化地设计它们与光的相互作用，这为开发新型光子器件提供了潜力。然而绝大部分针对太赫兹探测器的国际研究仍然停留在简单的单元器件层面，存在探测面积小、难以重复制备等实际的问题，推向落地应用的大面积、室温工作的太赫兹探测器鲜有报道。

半导体胶体量子点具有能带宽度可调、光吸收系数高、易于器件集成、成本低等优点，在光电器件中应用广泛。该团队选择硫化铅量子点制备探测器的原因在于：这类量子点的光学带隙小量子约束强，制备的探测器具有低暗电流和低串扰的优点；采用旋涂法制备出厚度可控的功能薄膜，有效降低了探测器成本。为实现太赫兹场的强局域化，采用了在表面制备亚波长结构的方法引入表面等离激元（SPP）。与平面二维结构相比，该团队提出三维结构实现了基底与微结构层的分离，利用轮毂状的微盘谐振腔更好地约束了太赫兹场，增强了太赫兹波与物质的相互作用，提高了探测器的核心指标；使用大占空比的微盘，有效的增大了对太赫兹的接收面，提升了器件整体的共振增强效果，如图1和图2所示。

采用CMOS制备工艺制作了氮化镓的三维轮毂型微盘阵列，可在6英寸晶圆上一次性制备微盘阵列；利用旋涂法可将量子点均匀成膜到微盘阵列与衬底材料上，所制备薄膜的面积大且厚度可控。从图2的SEM图可以看出，微轮的直径为400 μm，微盘边沿的间距为200 μm，量子点薄膜的厚度为200 nm，旋涂法制备的薄膜具有良好的均匀性和光滑的表面形貌。

图1. 器件在0.28 THz时的表面电流分布。

图2. 探测器微盘、量子点薄膜的SEM图片、和量子点的XPS表征。

该装置具有高的响应度和极低的等效噪声功率，如图3所示。研究人员将该探测器在6G通信频率0.14 THz和0.28 THz下分别予以测试，在25V偏压时获得了响应率R_A分别为3.12 A /W@0.14 THz和4.67 A /W@0.28 THz，比探测率D*为0.16×10¹² cm Hz^-1/2 W^-1@0.28 THz，比商用热释电型探测器高3个数量级（1.9×10⁸ cm Hz^-1/2 W^-1）；而噪声等效功率NEP分别为0.661pW/Hz^1/2@0.14 THz和0.018 pW/Hz^1/2@0.28 THz，在0.28 THz的NEP指标仅为商用高莱盒的1/7000，且与当前已报道最佳指标的InSb纳米槽结构太赫兹探测器（0.02 pW/Hz^1/2@0.171 THz）结果相比拟，但后者为微米尺寸，而该团队所报导的探测器为毫米尺寸。

图3.光电流，暗电流，噪声表征R_A、 NEP、和D*。

大尺寸、室温工作的高性能太赫兹探测器，是未来6G通信的核心器件之一。本工作采用量子点薄膜与微盘阵列，借助SPP效应与微腔局域的物理优势，大大增强了太赫兹波与物质的相互作用，在谐振峰附近展现了优异的性能，制备过程具有可重复性、大面积和低成本等优势。可预见微盘太赫兹探测器在指标上仍然有极大的提升空间。这一新型技术为6G通信设备提供了一种可靠的探测方案。

论文链接：

https://doi.org/10.1021/acsphotonics.2c00735