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毫米波(名詞解釋?)與太赫茲波(名詞解釋?)探測技術(shù)在通信、安全、生物檢測、頻譜分析等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。它們是將承載著毫米波與太赫茲波的光信息轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕暮诵募夹g(shù)。

　　高靈敏度、寬波段、快速響應(yīng)及面陣可延展性的非制冷探測技術(shù)一直是目前所急需發(fā)展的方向。它們是一系列毫米波與太赫茲波相關(guān)系統(tǒng)，如高速寬帶通訊網(wǎng)絡(luò)、深空探測、安全檢測、物質(zhì)成分分析等的基石。

　　然而，傳統(tǒng)的毫米波與太赫茲波探測技術(shù)或受制于：

　　?低靈敏度，

　　?不具備快速響應(yīng)，

　　?不具備寬波段響應(yīng)，

　　?不是基于芯片級半導(dǎo)體而無法延展至面陣列，

　　?無法滿足非制冷和熱電制冷工作需求。

　　?傳統(tǒng)毫米波與太赫茲探測技術(shù)目前市場上主要的非制冷毫米波與太赫茲波探測器件是基于高來（Golay cell）、熱釋電（pyroelectrics）和測輻射熱計（bolometer）的熱探測元件，以及基于肖特基的光子探測元件。然而它們受制于低靈敏度、慢響應(yīng)速度，窄波段探測，無法擴(kuò)展至面陣等缺陷，不能滿足當(dāng)前發(fā)展需求。

　　太赫茲光電導(dǎo)天線探測技術(shù)已廣泛應(yīng)用在太赫茲時域光譜系統(tǒng)之中，然而這種探測要求額外的激光束去激發(fā)半導(dǎo)體中的載流子(名詞解釋?)。

　　另一方面，其對半導(dǎo)體材料本身也有很高的生長要求。1990年代，一種新型的基于等離子體的場效應(yīng)管探測結(jié)構(gòu)得以提出，并得到了迅速發(fā)展，這種結(jié)構(gòu)基于三電極結(jié)構(gòu)，其共振探測頻譜范圍對溝道尺寸有很大的依賴。

　　當(dāng)前，一些基于新興材料，如黑磷、石墨烯、鈣鈦礦、狄拉克半金屬，拓?fù)浣^緣體等材料的出現(xiàn)，推動了毫米波與太赫茲波探測也得到了快速發(fā)展，然而材料穩(wěn)定性、均勻性及面陣可擴(kuò)展性對于這些新興材料仍是很大的挑戰(zhàn)。

　　表面等離子體誘導(dǎo)的非平衡載流子

　　傳統(tǒng)的基于金屬結(jié)構(gòu)的表面等離子體技術(shù)主要應(yīng)用在可見及紫外波段。在長波的毫米波與太赫茲波段，這些金屬將會變成理想導(dǎo)體，很難激發(fā)與作用光的相強(qiáng)互作用。

　　基于金屬孔洞結(jié)構(gòu)的人工表面等離子體激元(Spoof SPPs)技術(shù)是解決這一問題的一個途徑。另一方面，受益于一些窄禁帶半導(dǎo)體的低等離子體頻率，低電子有效質(zhì)量和高遷移率，它們可以作為毫米波與太赫茲波段表面等離子體激發(fā)的載體。與此同時，表面等離子激元的弛豫能誘導(dǎo)出非平衡載流子。

　　2017 年，基于半導(dǎo)體表面等離子誘導(dǎo)的非平衡載流子的毫米波與太赫茲波探測技術(shù)得以提出，并利用這一波段的等離子體半導(dǎo)體InSb(名詞解釋?)實(shí)現(xiàn)了非制冷的毫米波與太赫茲波探測。這一技術(shù)在實(shí)現(xiàn)高性能的長波探測上具有很大潛力。

　　近日，新加坡南洋理工大學(xué)張道華（Dao Hua Zhang）教授，校長博士后學(xué)者童勁超

　　(Jinchao Tong)等提出了基于分子束外延半導(dǎo)體InSb和表面等離子體增強(qiáng)的高靈敏度、寬波段、非制冷毫米波與太赫茲波探測技術(shù)。

　　該成果以“Plasmonic semiconductor nanogroove array enhanced broad spectral band millimetre and terahertz wave detection”為題發(fā)表在Light: Science& Applications。

　　該技術(shù)基于毫米波與太赫茲波段的表面等離子體所誘導(dǎo)的非平衡載流子，通過集成半導(dǎo)體納米溝槽結(jié)構(gòu)以及耦合天線設(shè)計，實(shí)現(xiàn)了單一器件的高靈敏度及寬波段高性能探測。

　　研究人員利用分子束外延生長技術(shù)，得到了高質(zhì)量的基于InSb半導(dǎo)體的探測器件 (圖1)。

　　?該種方法生長的InSb具備很高的遷移率，能夠?qū)崿F(xiàn)快速及高靈敏度探測。

　　?該種方法可以擴(kuò)展至線列乃至面陣列，實(shí)現(xiàn)毫米波與太赫茲波段的焦平面成像。

　　?為了實(shí)現(xiàn)寬波段的毫米波與太赫茲波探測，一方面，InSb的負(fù)性介電常數(shù)可以一直保持到約3THz,

　　另一方面，本文采用了一種寬波段耦合的平面螺旋天線，通過參數(shù)設(shè)計，該天線可以實(shí)現(xiàn)寬波段的毫米波與太赫茲波耦合。

　　為了進(jìn)一步增強(qiáng)毫米波與太赫茲波段的表面等離子激發(fā)，本文引入了基于探測半導(dǎo)體自身的納米溝槽結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)直接嵌入在探測敏感元InSb之中，能夠更加有效的激發(fā)表面等離子體（圖2），從而誘導(dǎo)產(chǎn)生更多的非平衡載流子，實(shí)現(xiàn)高靈敏度探測。

　　這種基于外延生長的半導(dǎo)體InSb，通過耦合天線設(shè)計及集成半導(dǎo)體納米溝槽結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了高靈敏度及寬波段的毫米波與太赫茲波探測。該器件應(yīng)用潛力巨大，比如6G通信網(wǎng)絡(luò)，無損安全檢測和深空探測等。

　　論文信息

　　Tong, J., Suo, F., Zhang, T. et al. Plasmonic semiconductor nanogroove array enhanced broad spectral band millimetre and terahertz wave detection. Light Sci Appl 10, 58 (2021).

　　本文第一作者為新加坡南洋理工大學(xué)校長博士后學(xué)者童勁超（Jinchao Tong），新加坡南洋理工大學(xué)張道華（Dao Hua Zhang）教授與童勁超博士為本文共同通訊作者。合作者包括新加坡南洋理工大學(xué)博士生所霏（Fei Suo），博士后張?zhí)鞂帲═ianning Zhang）以及中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所黃志明研究員和褚君浩院士。