聊城大学张丙元、宋琦和厦门理工学院林洪沂《IEEE Sens. J.》：基于PμSL面向6G的非制冷蝴蝶结阵列光增强太赫兹探测器
发布日期：2024-04-15
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面向6G技术的高灵敏度太赫兹探测技术在国防安全、遥感遥测、空间通信、大气监测、生化传感、光谱分析等领域有着广泛的应用前景和市场需求。开展高性能多元化的太赫兹探测技术研究不仅具有重要的科学意义，同时对于国家重要信息基础设施和社会经济发展也具有重要的战略意义和经济社会效益。因此，如何在常温下单位面积内实现对低功率密度空间结构太赫兹信号的高灵敏响应及时频探测，一直是本领域内的前沿研究热点之一。然而，太赫兹器件生产中存在的如高精度、低成本、可控、批量生产等问题迫切需要解决。
近期，聊城大学的张丙元教授、宋琦副教授团队联合厦门理工学院林洪沂副教授设计了一种3D蝴蝶结结构阵列覆盖外尔半金属薄膜的太赫兹波探测器，并实现了外加光场增强其性能。该团队利用摩方精密面投影微立体光刻（PμSL）技术，借助nanoArch® S130（精度：2 μm )3D打印设备实现了微结构阵列的低成本高精度制备，并在器件上制备高质量外尔半金属薄膜，获得具有高灵敏度、低等效噪声功率和有效探测面积大的太赫兹波探测器。该制备方法成功解决了非制冷高灵敏度大面积的太赫兹探测器灵敏度可由外场增强的问题，进一步验证了面投影微立体光刻（PμSL）技术用于制备6G波段的非制冷高性能太赫兹探测器的可行性。
相关成果以“3D Bowtie Microarray Terahertz Detector Enhanced by Laser Excitation”为题发表在《IEEE SENSORS JOURNAL》期刊上。
图1 设备设计与表征.(a)WTe2薄膜的厚度.(b)薄膜拉曼光谱. (c) 和 (d) X射线光电子能谱(XPS)的结果. (e) 3D打印设备的图像. L1 = 0.188 mm，L2 = 0.020 mm.
本文主要介绍了新型非制冷可调控太赫兹探测器，该探测器基于面投影微立体光刻（PμSL）技术制造的蝴蝶结阵列结构，并且通过激光激发增强其检测能力。该探测器在室温下工作，具有快速响应时间和高灵敏度的特点，适用于6G通信和太赫兹雷达等领域。
图2 器件在有激光和无激光激发的情况下0.1THz下的探测性能(光电流、暗电流和噪声特性，以及RV、NEP和D*)
从图2中可知，RA、NEP和D*在0.1 THz时不同电压下的探测效果。探测器在非制冷情况下保持高性能的主要原因之一是局域化表面等离激元效应。在电压为50 V的情况下，NEP为50 pW/Hz1/2，大约是高莱探测器(140pW/Hz1/2)的三分之一，仅是制冷的商用肖特基二极管(15.2pW/Hz1/2)的三倍。此外图2还展示了由于外部激光的影响，灵敏度从0.30 MV/W增加到0.54 MV/W，NEP从92pW/Hz1/2降低到50pW/Hz1/2，性能提升幅度分别为80%和45.6%。这种增强效应很大程度上可以归因于施加的激光引起的器件表面载流子浓度提升。这些结果表明，光学场的存在显著提高了太赫兹探测器的检测效率，代表了提高检测性能的一种关键方法。
图3 蝴蝶结型阵列的模拟结果. (a)图表显示的是设备表面的电流密度分布和方向. (b) 器件的表面电场分布.
当太赫兹波与该设备的表面相互作用时，亚波长微结构由于局部表面等激子效应，具有将其周围的太赫兹波限制的能力。因此，太赫兹波集中在蝴蝶形阵列周围，特别是在蝴蝶形的尖端，从而产生更强的太赫兹场。这极大地增强了太赫兹波与该设备之间的相互作用。此外，表面电流分布显示，蝴蝶形结构周围的载流子迁移率较大，这一现象主要是因为设计中z方向上未设置微腔。
本文的创新点主要包括以下几个方面：
新型结构设计：利用非微腔蝴蝶结结构来平衡检测效率和响应时间。这种结构在所有三个空间轴向上都保持亚波长阵列，通过消除z轴方向的微腔结构来提高载流子传输速率进一步提升其响应时间。材料选择：选用Weyl半金属作为探测器的活性层，以降低热噪声并减小设备尺寸。Weyl半金属具有独特的表面等离子体效应和优异的载流子迁移率。激光激发：通过520nm 的连续波（CW）激光照射探测器表面，增强表面载流子的迁移率，从而提高探测器的检测性能。这种方法使得太赫兹灵敏度提高了80%，噪声等效功率（NEP）降低了45.6%。面投影微立体光刻（PμSL）技术：使用超高精度的3D打印技术（PμSL）来制造微结构，这种技术具有高分辨率、高复制性，适用于制造复杂的三维微纳米结构。在外部激光场刺激下，探测器的响应时间从980毫秒显著降低到50毫秒，显示出快速的响应能力。
应用前景：该探测器在0.1 THz频率下的检测性能显著，具有10 mm×5 mm的有效检测面积，适合实际应用。同时，其宽带吸收的潜力预示着在未来6G通信技术中的应用前景。
总体而言，这项研究为高性能太赫兹探测器的设计和制造提供了新的思路，特别是在6G通信和太赫兹雷达等高频应用领域的潜在应用。最为重要的是，面投影微立体光刻（PμSL）技术是一项可靠、低成本、可重复的高效率加工方法，对6G器件的研究和发展起到了积极的推动作用。
原文链接:
https://doi.org/10.1109/JSEN.2024.3385537
