用于6G技术的超灵敏微盘阵列探测器.docx

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1、用于6G技术的超灵敏微盘阵列探测器“小荷才露尖尖角，早有蜻蜓立上头”-用于6G技术的超灵敏微盘阵列探测器1 .导读新一代高速通信技术(6G)逐渐向太赫兹波段发展，能够在室温下工作的高性能太赫兹波探测器逐渐成为通讯领域的研究热点。然而，针对该波段的现有探测技术长期受到灵敏度低、结构复杂和噪声等效功率高等关键技术问题的困扰。因此，开发室温下使用的高性能太赫兹探测器成为推进6G通信技术创新发展的迫切需求。此外，高性能太赫兹波光电探测器在生物诊断、光谱学和遥感等领域均具有广阔的应用前景。2 .研究背景光电探测器在现代军事和民用领域得到了广泛的应用。但受限于光电材料的带隙，传统半导体材料的光电探测能力只

2、能覆盖一定范围的波长区域。在一些特殊频段，特别是太赫兹频段(通常为(U-IOTHz)光电探测方面，依然存在很多技术瓶颈。自从2009年第一个石墨烯光电探测器问世以来，科研人员在过去十年中对不同材料的光电探测器进行了广泛的研究。半金属材料在关键性能参数上有很多优势，例如宽带隙，使其甚至可以用于进行全波段、宽频域检测，特别适用于室温下的中远红外检测。第二，响应时间快(可达皮秒量级)，适合于解决太赫兹超高速光通信和光互联技术难题。然而，普通半金属材料没有带隙,暗电流比较大，不利于施加大的偏置电压，限制了其响应能力的提高。虽然通过特殊的结构设计可以提高探测器的响应性，但往往不能同时兼顾宽带响应和超快响

3、应速度，不能有效凸显半金属探测器的性能优势。考虑到综合半金属探测器的宽光谱和超快响应性能，同时又能兼顾探测灵敏度的性能提高，是一项非常重要的任务。针对上述问题，深圳大学闫培光教授联合聊城大学张丙元教授、南京邮电大学朱刚毅教授及华北电力大学刘芳副教授在NanoPhotOniCS发表最新文章，设计并制备了基于Wey1半金属表面等离子体增强的高性能太赫兹波探测器。通过微盘阵列与WTez层的结合，在WTe,空气界面上产生增强的太赫兹波表面等离子体极子，从而显著提高检测性能：响应度(RA)可达8.78AW,噪声等效功率(NEP)为0.74PWHZ1%,比探测率(D*)为O.Mx1OCmHZ1*W其核心探

4、测性能可以与商业探测器甚至低温探测器相比拟。此外，探测器的有效探测面积为6.5mm15mm0本文提出的探测器具备大面积、可室温下工作、高性能和低成本的特点，在太赫兹通信、传感和成像领域具有潜在的应用前景。3 .创新研究器件的主要制备工艺包含光刻法制备微盘阵列以及磁控溅射法制备Wey1半金属薄膜，详细的制备过程如下。首先是GaN狭缝悬浮微盘阵列的制备：第一步，利用光刻胶在硅基GaN表面制备图形。第二步，然后利用磁控溅射沉积20Onm的银膜作为硬质掩膜第三步，利用ICP干法刻蚀GaN至硅，蚀刻速率设置为300nmmin.其中负气、氯气和三氯化硼的气体体积流量分别为30、20和20SCCM。功率、压

5、力和蚀刻时间分别为500W、60mTorr和7min0第四步,用稀硝酸去除残留的银膜。最后，在氢氟酸和稀硝酸混合液(HNF)中各向同性湿法刻蚀硅，在GaN层下方形成间隙，形成用于支撑微磁盘的锥形硅柱。其次是WTe2层和AU电极的制备:第一步将真空度降低到91OTPa并向腔内注入氧气。第二步采用射频模式镀WTez膜，采用直流模式镀AU电极层。对于WTe2层，氧气流速设置为50SCCM,射频电源功率为IOoW,镀膜时间为180秒；对于AU电极层，氨气流速设置为15SCCM,直流电源电流大小为0.2A,镀膜时间为90秒。图1(a)微盘阵列结构探测器件结构示意图；(b)Wey1半金属薄膜拉曼光谱；(C

6、)微盘结构扫描电镜表征；(d)微盘阵列扫描电镜表征图1中分别展示了器件的结构示意图、薄膜的拉曼光谱表征、微盘结构及微盘阵列SEM表征。从器件微结构的表征可以看出，微盘的直径为40m,横向间距和纵向间距分别为150m和Ioom。表征结果说明了磁控溅射制备薄膜的较高成膜质量及微结构的高质量加工。图2显示了在0.1THZ的源辐射下，在室温下于不同偏压下器件的RA、NEP和D*。显然，与参考器件(不加工微盘阵列，其余结构与器件相同)相比，微磁盘阵列在RA上的性能提高了近4倍，在NEP上提高了近30倍。由于非平衡电子定向移动产生电流大小与漂移速度成正比，RA随电压线性增加。在IV的电压下，微盘阵列器件和

7、参考器件的RA分别为8.78AWT和2.21AWTo相应的RV是微盘阵列的6.14X10$VW。高于Go1ayCe11JRv(1105VW1)0此外，RV也比已知的最佳结果高出2倍。由于噪声水平的增加，NEP和D*随着电压的增加而增强，并在接近IV的电压下趋于饱和。电压为IV时，微磁盘阵列器件和参考器件的NEP分别为0.74PWHZI/2和25.2PWHZ1/2,是商用肖特基二极管等效噪声功率的1/21(15.2PWHZ1/2)。此外D*达到0.41IO12W-1,是商用热效应探测器(1.9XIO1OCmHZI%WT)的20倍。显然，微盘阵列的主要探测性能参数RA、NEP和D*可以与商业探测器

8、甚至低温肖特基二极管探测器相比拟。螂螂MT：H111u哪Nb)7：11Aki：11,I:图3器件微盘阵列表面电流的方向和密度分布俯视图；(b)前视图金属与电介质的分界面加工一些亚波长的微结构会在微结构附近产生局域表面等离子体(IOCa1iZedSUrfaCePIaSmOn,1SP)。1SP可以将电磁场的能量束缚在很小的尺度上,极大地增强电场强度。1SP的频率不仅与金属与介质的材料有关,还与金属与介质界面处的微结构形状和尺度有关。探测器微盘高度、尺寸分别为20pm、40mo入射的太赫兹光子与Wey1半金属层中的载流子相互作用，在探测器阵列表面形成表面等离子体。垂直于器件平面的方向定义为Z方向。从

9、图3中可以看出，产生的载流子方向在XY平面，亚波长微盘结构产生的表面等离子体在盘中形成驻波，电流密度集中在每个微盘的边缘。载流子扩散到圆盘边缘并集中在边缘，然后沿着柱子向下扩散。因此基于WeyI半金属层的微盘阵列表现出了对太赫兹波的较高响应。4 .应用与展望研究团队以微盘阵列结合Wey1半金属薄膜，通过表面等离子体增强效应，构成大面积阵列式的太赫兹探测器，新的技术方案有望应用于面向6G技术的高性能长波长光电设备，该研究成果以“MicrodiskarraybasedWey1semimeta1nanofi1mterahertzdetector,为题在线发表在Nanophotonics期刊上。本文作者分别是宋琦、周治文、朱刚毅、梁华伟、张敏、张丙元、刘芳和闫培光。其中闫培光为通讯作者，宋琦为第一作者。深圳大学闫培光团队和聊城大学张丙元团队目前主要致力于太赫兹主动调制功能器件和6G太赫兹探测器等方向的研究。