中科院石墨烯太赫茲外差混頻探測器研究獲進展

　  近期，中科院在石墨烯太赫茲外差混頻探測器研究方面取得進展，實現(xiàn)了外差混頻和分諧波混頻探測，最高探測頻率達到650 GHz，利用自混頻探測的響應度對外差混頻和分諧波混頻的效率進行了校準，相關成果發(fā)表在碳材料雜志Carbon上(Carbon 121, 235-241 (2017))。
 
 　　中國電子科技集團有限公司第十三研究所專用集成電路國家級重點實驗室與中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所、中國科學院納米器件與應用重點實驗室再次合作，在高靈敏度石墨烯場效應晶體管(G-FET)太赫茲自混頻(Homodyne mixing)探測器的基礎上，實現(xiàn)了外差混頻(Heterodyne mixing)和分諧波混頻(Sub-harmonic mixing)探測，最高探測頻率達到650 GHz，利用自混頻探測的響應度對外差混頻和分諧波混頻的效率進行了校準，該結果發(fā)表在碳材料雜志Carbon上(Carbon 121, 235-241 (2017))。
 　　頻率介于紅外和毫米波之間的太赫茲波(Terahertz wave)在成像、雷達和通信等技術領域具有廣闊的應用前景，太赫茲波與物質的相互作用研究具有重要的科學意義。高靈敏度太赫茲波探測器是發(fā)展太赫茲應用技術的核心器件，是開展太赫茲科學研究的重要手段與主要內容之一。太赫茲波探測可分為直接探測和外差探測兩種方式：直接探測僅獲得太赫茲波的強度或功率信息；而外差探測可同時獲得太赫茲波的幅度、相位和頻率信息，是太赫茲雷達、通信和波譜成像應用必需的核心器件。外差探測器通過被測太赫茲信號與低噪聲本地相干太赫茲信號的混頻，將被測信號下轉換為微波射頻波段的中頻信號后進行檢測。與直接探測相比，外差探測通常具備更高的響應速度和靈敏度，但是探測器結構與電路更加復雜，對混頻的機制、效率和材料提出了更高的要求。
 　　天線耦合的場效應晶體管支持在頻率遠高于其截止頻率的太赫茲波段進行自混頻探測和外差混頻探測。前者是直接探測的一種有效方法，可形成規(guī)?；年嚵刑綔y器，也是實現(xiàn)基于場效應晶體管的外差混頻探測的基礎。目前，國際上基于CMOS晶體管實現(xiàn)了本振頻率為213 GHz的2次(426 GHz)和3次(639 GHz)分諧波混頻探測，但其高阻特性限制了工作頻率和中頻帶寬的提升。
 　　石墨烯場效應晶體管因其高電子遷移率、高可調諧的費米能、雙極型載流子及其非線性輸運等特性為實現(xiàn)高靈敏度的太赫茲波自混頻和外差混頻探測提供了新途徑。前期，雙方重點實驗室秦華團隊和馮志紅團隊合作成功獲得了室溫工作的低阻抗高靈敏度石墨烯太赫茲探測器，其工作頻率(340 GHz)和靈敏度(～50 pW/Hz1/2)達到了同類探測器中的最高水平(Carbon 116, 760-765 (2017))。此次合作進一步使工作頻率提高至650 GHz，并實現(xiàn)了外差混頻探測。
 　　如圖1所示，工作在650 GHz的G-FET太赫茲探測器通過集成超半球硅透鏡，首先通過216、432和650 GHz的自混頻探測，驗證了探測器響應特性與設計預期一致，并對自混頻探測的響應度和太赫茲波功率進行了測試定標。在此基礎上，實現(xiàn)了本振為216 GHz和648 GHz的外差混頻探測，實現(xiàn)了本振為216 GHz的2次分諧波(432 GHz)和3次分諧波(648 GHz)混頻探測。混頻損耗分別在38.4 dB和57.9 dB，對應的噪聲等效功率分別為13 fW/Hz和2 pW/Hz。2次分諧波混頻損耗比216 GHz外差混頻損耗高約8 dB。
 圖1：650 GHz天線耦合的G-FET太赫茲外差混頻探測器
 　　此次獲得混頻頻率已遠高于國際上已報道的石墨烯外差探測的最高工作頻率(～200 GHz)，但中頻信號帶寬小于2 GHz，低于國際上報道最高中頻帶寬(15 GHz)?？傮w上，目前G-FET外差混頻探測器性能尚不及肖特基二極管混頻器。但是，無論在材料質量還是在器件設計與工藝技術上，都有很大的優(yōu)化提升空間。根據(jù)Andersson等人預測，G-FET的混頻轉換效率可降低至23.5 dB，如何達到并超越肖特基二極管混頻探測器的性能指標是未來需要重點攻關的關鍵問題。
 　　圖2：(a)準光耦合的外差混頻探測系統(tǒng)示意圖；(b)216 GHz外差混頻探測的中頻頻譜
 　　圖3所示為基于432 GHz的直接探測以及二次諧波探測的透射成像圖對比，分諧波探測時的透射成像顯現(xiàn)出比直接探測更高的動態(tài)范圍，可達40 dB。
 　　圖3：(a)分別采用432 GHz直接探測和本振為216 GHz的2次分諧波探測對樹葉進行的透射成像效果對比；(b)采用本振為216 GHz的2次分諧波探測對檸檬片的透視成像。
 　　該研制工作得到了國家自然科學基金項目(No. 61271157, 61401456, 61401297等)、國家重點研發(fā)計劃(2016YFF0100501， 2014CB339800)、中科院青促會(2017372)、中科院蘇州納米所納米加工平臺、測試分析平臺和南京大學超導電子學研究所的大力支持。
 　　編輯點評
 　　太赫茲波在成像、雷達和通信等技術領域具有廣闊的應用前景，然而，高靈敏度太赫茲波探測器作為發(fā)展太赫茲應用技術的核心器件，在材料、效率等方面都有著較高的要求，科學家對石墨烯場效應晶體管的研發(fā)，為高靈敏度的太赫茲波自混頻和外差混頻探測提供了新途徑，對探究其與物質之間的研究工作具有重要的科學意義。