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基于六方氮化硼封装石墨烯的室温高速低噪声太赫兹光电探测器
出处:OIL实验室  录入日期:2020-05-22  点击数:94

  太赫兹频率范围内的室温(RT)探测,在生物医学、安全、光谱、环境监测、实时成像和高数据速率通信等领域有着广泛的应用。在过去20年中,一大批基于不同灵敏度、响应时间、工作频率范围,以及潜在的物理机制的RT太赫兹检测技术得到了发展。理想的RT太赫兹探测器应满足以下几个要求:高度敏感,即具有低噪声等效功率(NEP)、具有快速的光响应,即低响应时间、具有高动态范围(最低和最高可测量入射光功率之间的范围)、在广泛的太赫兹频率范围内工作,尤其是1 THz以上。而目前还没有同时满足所有要求的商用太赫兹探测器。
  近日,意大利比萨纳米科学研究所的Miriam S. Vitiello教授课题组,利用一种简单的结构,使用图案化的宽带蝶形天线,将太赫兹辐射耦合到具有亚波长六方氮化硼(hBN)-单层石墨烯(SLG)-hBN的异质结构。基于等离子体波(PW)和光热电效应(PTE)两种机制,得到了一个低噪声(NEP∼160 pW·Hz−1/2)的RT太赫兹探测器,动态范围为4个数量级,响应时间∼3 ns,比迄今为止报道的在RT下工作的其他探测器快了1个数量级。
  将机械剥离法制备的SLG封装在hBN中,形成一个干净的hBN-SLG-hBN异质结构。沟道具有长为5.4 μm和宽为0.8 μm的矩形形状(图1a),然后通过电子束曝光(EBL)和金属沉积(Cr/Au,10/100 nm)实现一维边缘接触。源极和漏极的形状是不对称的,以利于PW和PTE所需的不对称性。在确定顶栅(G)电极之前,通过原子层沉积薄的氧化层(Al2O3,10 nm)以防止G和SLG之间通过通道本身边缘的泄漏电流。与S电极类似,G触点形状为平面蝶形天线的分支,半径为21 μm,倾角90°。图1b描绘了天线提供的面内电场分量(E∥)的模拟增强与其半径rb之间的函数关系。天线响应在rb=20和52 μm处显示两个最大值,对应于λ/2和3λ/2共振。图1b的插图显示了天线平面上电场的平面外分量。图1c显示了信道电阻(R),通过探测源漏电流(ISD)作为顶栅电压(VG)的函数进行外推,同时保持源漏电压VSD=2 mV,中性点为VG=0.2 V。
  使用两个焦距分别为25和50 mm的透镜对30°发散太赫兹光束进行准直和聚焦(图2a)。在焦点处产生的高斯光束的束腰为120 μm,平均光强度增加到最大值(2 W/cm2)。然后将探测器安装到旋转平移台上,使其在焦平面上移动,并修改蝶形天线轴和垂直极化太赫兹电场之间的相对角(图2a中的α)。在RT和液氮低温(77 K)下进行光学测量。图2b显示了太赫兹光束焦平面(图2a中的xy)上RT处的|Δu|(对数刻度)的图像。为验证天线几何结构的偏振选择性,测量了太赫兹光响应与天线轴和太赫兹光束偏振之间的角度α的函数关系。当天线轴平行于极化时,光响应(图2c)达到最大值,当α从0°增加到90°时,光响应减小。太赫兹局部放电的一个重要优点是动态范围,即局部放电能够感测的冲击光功率范围。为了确定它,将太赫兹激光器的平均输出功率从0到820 μW定量改变,测得|Δu|的变化情况如图2d所示。
  为了确定光探测过程的主要物理机制,测得探测器响应与VG在77 K和300 K下的函数关系,如图3a(左垂直轴)所示。图3b中绘制了T=300 K和T=77 K时的SG-Su随VG的变化情况,PTE模型定量了解释T=77 K时Rv相对于RT的增加。图3a(右垂直轴)给出了RT和77 K时计算的ΔuPTE之间的比较。若考虑PW和PTE的同时相互作用,可以给出一个更严格的解释。图3c描绘了在RT时的Δu与100 μW(橙色曲线)的光功率下获得的VG的函数关系,以及估计的ΔuPTE和ΔuPW。
  最后,利用所使用的量子级联激光器(QCL)来评估太赫兹探测器的带宽(BW)。当用高压脉冲驱动QCL时,它进入所谓的负差阻机制。从电学的角度来看,这相当于一个非常不稳定的高场域区域,其中驱动电流在增加的外加偏压下随机波动。从光学角度来看,由于激光晶格的整体温度升高,QCL的平均输出功率随着电压的升高而逐渐降低,进而降低了粒子数反转。在负差阻机制中,QCL在一个脉冲中多次发生作用,如图4a,b所示,这些突然跃迁是QCL的一个固有特性,由QCL腔中电子、光子和晶格之间的能量交换所控制。图4b中的波形用于评估探测器的BW。图4c显示了单π振荡的放大,从中使用设置函数提取上升时间τon和下降时间τoff。

 


图1. (a) 探测器结构。(b) 天线电场增强与半径的关系。(c) 器件电阻随栅压的变化。

 


图2. (a-d) 器件的光学特性。

 


图3. (a-c) 器件的响应率、塞贝克系数差及噪声功率随栅压变化情况。

 


  图4. (a, b) 器件带宽的测试。
  该工作展示了一个具有优异性能的基于石墨烯FET的太赫兹光电探测器,其调制带宽为53 MHz,工作频率为3 THz。器件的工作频率由耦合方式决定,这里由一个平面蝶形天线给出,并且可以通过工程天线设计在整个太赫兹范围内进行裁剪。改变天线的尺寸可以调整其谐振频率,改变天线的类型可以缩小或扩大其频率覆盖范围。利用QCL源在特定传输条件下的特殊功率不稳定性,获得了3.3 ns的响应时间。该探测器是在大于1.5 THz的频率下工作的最快且低噪声的RT太赫兹探测器。宽带性能的提高归因于hBN-SLG-hBN异质结构的高迁移率。为太赫兹无线通信及传感、成像等技术中所需的高性能探测器提供了新的策略。
  相关论文:LeonardoViti, David G. Purdie, Antonio Lombardo, Andrea C. Ferrari, and Miriam S.Vitiello, HBN-Encapsulated, Graphene-based, Room-temperature Terahertz Receivers with High Speed and Low Noise. Nano Letters, 2020, just accepted.

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