基于石墨烯晶体管的高速、灵敏太赫兹探测

图1 器件结构图和器件表面的电子显微照片。G1：栅极1电极，G2：栅极2电极，D：漏极电极，和S：源极电极

       在电磁波频谱上，有一段频率位于红外线和微波之间的电磁波被称之为太赫兹波，它处于宏观电子学向微观光子学的过渡阶段。由于处于交叉过渡区，太赫兹波既不完全适用光学理论来处理，也不完全适用微波理论来研究。在20世纪80年代之前，由于在硬件方面缺少稳定的太赫兹波辐射源和灵敏的太赫兹波探测器，这一波段的发展受到了极大的限制，被称为太赫兹空隙。

       太赫兹的波长大约为10μm到1㎜。由于许多有机分子的振动和旋转频率都在太赫兹波频段，通过特有的光谱特征，可识别分子结构并分析物质成分，具有指纹般的唯一性，就像利用指纹可识别不同的人一样。

       太赫兹波能量大小则在电子和光子之间，与其他频率的电磁波相比，其性能非常独特。正是这些独特的性能，使其在光谱分析、成像、6G通信、电子对抗等领域 具有广阔的应用前景。

       近日，由美国东北大学电气通信研究所 (RIEC) Akira Satou 副教授和 RIKEN 高级光子学中心的 Hiroaki Minamide 带领的联合研究团队成功在室温下检测到具有快速响应和高灵敏度的太赫兹波。该成果以“Fast and sensitive terahertz detection with a current-driven epitaxial-graphene asymmetric dual-grating-gate field-effect transistor structure”为题发表在APL Photonics 上（DOI: 10.1063/5.0122305）。

       石墨烯是一种以sp²杂化连接的碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的新材料。长期以来一直被视为是突破下一代6G和7G级无线通信系统中能够对THz和亚THz辐射入射进行100 Gbit/s级高数据速率编码的室温、快速、灵敏THz检测的技术限制的最有前途的解决方案之一。

       光热电探测用由吸收电磁波加热的电子和空穴的空间热扩散产生的电动势效应，能够快速、灵敏地检测太赫兹波。然而，目前的光热电探测器具有复杂的双极结构，需要探测器中的两个电极由不同的材料制成。这使得同时实现高性能和大规模生产具有挑战性。

图2 晶体管通道中的载流子密度和温度曲线：光电压输出（峰值高度）与栅极2的偏置电压的关系，当保持栅极1的偏置时，从最小的电荷中和点到正向的高度。

       该研究团队设计并制作了一个外延石墨烯沟道场效应晶体管，其创新之处在于非对称双栅栅结构用作电流驱动太赫兹检测器，施加非零漏极-源极偏置电压，实验证明室温下具有0.3 mA/W高响应度。

图3 电流检测灵敏度和噪声等效功率对漏极偏压的依赖性

       Satou 表示，该研究的关键之处在于他们的设备即使在最简单的晶体管设备中也能进行检测操作，团队采用的是单极型晶体管和石墨烯，其中只涉及电子。此外，所有电极都可以使用相同类型的金属。下一步，研究团队计划通过进一步提高设备性能，为实际应用铺平道路。