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我國石墨烯太赫茲外差混頻探測器研究獲進展
記者6月29日從中國科學院獲悉，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太赫茲自混頻探測器的基礎上，實現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，該結果近期發表在碳材料雜誌Carbon上。
頻率介於紅外和毫米波之間的太赫茲波在成像、雷達和通信等技術領域具有廣闊的應用前景，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幹太赫茲信號的混頻，將被測信號下轉換為微波射頻波段的中頻信號後進行檢測。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複雜，對混頻的機製、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於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，可形成規模化的陣列探測器，也是實現基於場效應晶體管的外差混頻探測的基礎。目前，國際上基於CMOS晶體管實現了本振頻率為213 GHz的2次(426 GHz)和3次(639 GHz)分諧波混頻探測，但其高阻特性限製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誌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。此次合作進一步使工作頻率提高至650 GHz，並實現了外差混頻探測。
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矽透鏡，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，並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，實現了本振為216 GHz和648 GHz的外差混頻探測，實現了本振為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.
此次獲得混頻頻率已遠高於國際上已報道的石墨烯外差探測的最高工作頻率(~200 GHz)，但中頻信號帶寬小於2 GHz，低於國際上報道最高中頻帶寬(15 GHz)。總體上，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，都有很大的優化提升空間。根據Andersson等人預測，G-FET的混頻轉換效率可降低至23.5 dB，如何達到並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。
最後更新：2017-06-29 10:41:01