聊城大學等：基于PμSL面向6G的非制冷蝴蝶結陣列光增強太赫茲探測器

更新時間：2024-04-15

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面向6G技術的高靈敏度太赫茲探測技術在國防安全、遙感遙測、空間通信、大氣監(jiān)測、生化傳感、光譜分析等領域有著廣泛的應用前景和市場需求。開展高性能多元化的太赫茲探測技術研究不僅具有重要的科學意義，同時對于國家重要信息基礎設施和社會經濟發(fā)展也具有重要的戰(zhàn)略意義和經濟社會效益。因此，如何在常溫下單位面積內實現(xiàn)對低功率密度空間結構太赫茲信號的高靈敏響應及時頻探測，一直是本領域內的前沿研究熱點之一。然而，太赫茲器件生產中存在的如高精度、低成本、可控、批量生產等問題迫切需要解決。

近期，聊城大學的張丙元教授、宋琦副教授團隊聯(lián)合廈門理工學院林洪沂副教授設計了一種3D蝴蝶結結構陣列覆蓋外爾半金屬薄膜的太赫茲波探測器，并實現(xiàn)了外加光場增強其性能。該團隊利用摩方精密面投影微立體光刻（PμSL）技術，借助nanoArch® S130（精度：2 μm )3D打印設備實現(xiàn)了微結構陣列的低成本高精度制備，并在器件上制備高質量外爾半金屬薄膜，獲得具有高靈敏度、低等效噪聲功率和有效探測面積大的太赫茲波探測器。該制備方法成功解決了非制冷高靈敏度大面積的太赫茲探測器靈敏度可由外場增強的問題，進一步驗證了面投影微立體光刻（PμSL）技術用于制備6G波段的非制冷高性能太赫茲探測器的可行性。

相關成果以“3D Bowtie Microarray Terahertz Detector Enhanced by Laser Excitation"為題發(fā)表在《IEEE SENSORS JOURNAL》期刊上。

圖1 設備設計與表征.(a)WTe₂薄膜的厚度.(b)薄膜拉曼光譜. (c) 和 (d) X射線光電子能譜(XPS)的結果. (e) 3D打印設備的圖像. L1 = 0.188 mm，L2 = 0.020 mm.

本文主要介紹了新型非制冷可調控太赫茲探測器，該探測器基于面投影微立體光刻（PμSL）技術制造的蝴蝶結陣列結構，并且通過激光激發(fā)增強其檢測能力。該探測器在室溫下工作，具有快速響應時間和高靈敏度的特點，適用于6G通信和太赫茲雷達等領域。

圖2 器件在有激光和無激光激發(fā)的情況下0.1THz下的探測性能(光電流、暗電流和噪聲特性，以及RV、NEP和D*)

從圖2中可知，R_A、NEP和D*在0.1 THz時不同電壓下的探測效果。探測器在非制冷情況下保持高性能的主要原因之一是局域化表面等離激元效應。在電壓為50 V的情況下，NEP為50 pW/Hz^1/2，大約是高萊探測器(140pW/Hz1/2)的三分之一，僅是制冷的商用肖特基二極管(15.2pW/Hz1/2)的三倍。此外圖2還展示了由于外部激光的影響，靈敏度從0.30 MV/W增加到0.54 MV/W，NEP從92pW/Hz1/2降低到50pW/Hz1/2，性能提升幅度分別為80%和45.6%。這種增強效應很大程度上可以歸因于施加的激光引起的器件表面載流子濃度提升。這些結果表明，光學場的存在顯著提高了太赫茲探測器的檢測效率，代表了提高檢測性能的一種關鍵方法。

圖3 蝴蝶結型陣列的模擬結果. (a)圖表顯示的是設備表面的電流密度分布和方向. (b) 器件的表面電場分布.

當太赫茲波與該設備的表面相互作用時，亞波長微結構由于局部表面等激子效應，具有將其周圍的太赫茲波限制的能力。因此，太赫茲波集中在蝴蝶形陣列周圍，特別是在蝴蝶形的尖部，從而產生更強的太赫茲場。這極大地增強了太赫茲波與該設備之間的相互作用。此外，表面電流分布顯示，蝴蝶形結構周圍的載流子遷移率較大，這一現(xiàn)象主要是因為設計中z方向上未設置微腔。

本文的創(chuàng)新點主要包括以下幾個方面：

新型結構設計：利用非微腔蝴蝶結結構來平衡檢測效率和響應時間。這種結構在所有三個空間軸向上都保持亞波長陣列，通過消除z軸方向的微腔結構來提高載流子傳輸速率進一步提升其響應時間。材料選擇：選用Weyl半金屬作為探測器的活性層，以降低熱噪聲并減小設備尺寸。Weyl半金屬具有特別的表面等離子體效應和優(yōu)異的載流子遷移率。激光激發(fā)：通過520nm 的連續(xù)波（CW）激光照射探測器表面，增強表面載流子的遷移率，從而提高探測器的檢測性能。這種方法使得太赫茲靈敏度提高了80%，噪聲等效功率（NEP）降低了45.6%。面投影微立體光刻（PμSL）技術：使用超高精度的3D打印技術（PμSL）來制造微結構，這種技術具有高分辨率、高復制性，適用于制造復雜的三維微納米結構。在外部激光場刺激下，探測器的響應時間從980毫秒顯著降低到50毫秒，顯示出快速的響應能力。

應用前景：該探測器在0.1 THz頻率下的檢測性能顯著，具有10 mm×5 mm的有效檢測面積，適合實際應用。同時，其寬帶吸收的潛力預示著在未來6G通信技術中的應用前景。

總體而言，這項研究為高性能太赫茲探測器的設計和制造提供了新的思路，特別是在6G通信和太赫茲雷達等高頻應用領域的潛在應用。最為重要的是，面投影微立體光刻（PμSL）技術是一項可靠、低成本、可重復的高效率加工方法，對6G器件的研究和發(fā)展起到了積極的推動作用。