中科院苏州纳米所研制成室温、高速、高灵敏度太赫兹探测器

太赫兹波在电磁频谱中介于毫米波和红外之间，在材料科学、信息传输、环境监测、生命健康等诸多领域有广阔的应用前景。例如，利用太赫兹波可穿透非金属和非极性材料（如纺织品、纸板、塑料和木料等）而不产生电离损伤的特点，太赫兹成像技术在无损检测、人体安检和生物医学等领域具有重要应用价值。由于处在基于宏观经典理论电子学与基于微观量子理论的光子学之间的过渡区，太赫兹光源和探测器等核心关键器件的效率低下或需在低温下工作，太赫兹科学技术的发展受到了核心器件缺乏的严重制约。

中科院苏州纳米所、中科院纳米器件与应用重点实验室秦华课题组在“十一五”末成功开发了基于氮化镓高浓度二维电子气的室温、高速、高灵敏度太赫兹探测器。“十二五”期间，课题组围绕探测器的优化、可制造工艺和模块化集成等关键技术，初步形成了材料－器件－工艺－电路－集成的技术能力，成功开发了室温工作的高灵敏度单像元探测器模块和太赫兹焦平面成像器件，为在进一步发展面向太赫兹成像和通信等应用的核心器件研制提供了关键技术支撑。目前课题组已经成功研制出单像元、线阵列和焦平面太赫兹成像模组。

图1所示的是针对220 GHz、340 GHz、650 GHz和850 GHz等大气吸收窗口研制的单像元太赫兹探测器模块。模块的电压响应度大于1 MV/W，等效噪声功率小于50 pW/Hz1/2，响应时间小于1μs，其综合指标优于热释电和高莱等商业化太赫兹探测器。单像元模块的高速和高灵敏度性能已在中国电子科技集团公司第五十研究所的快速太赫兹成像仪和成都电子科技大学的太赫兹通信演示系统中得到试验验证。

图1、单像元太赫兹探测器模组及其扫描成像。

图2所示的是规模为32×32的焦平面和1×64的线阵列太赫兹成像芯片，属于我国首次实现的基于场效应混频探测技术的太赫兹成像器件。其中，面阵列成像芯片由基于氮化镓的阵列探测器和基于CMOS的阵列读出电路通过倒装焊技术互连而成，线阵列成像芯片可由基于氮化镓的线阵列探测器和CMOS线阵列读出电路直接互连而成。

图2、32×32焦平面和1×64线阵列太赫兹成像芯片。

图3（a）为所示为0.9 THz太赫兹光斑和0.34 THz牛顿干涉环的视频成像截图。图3（b）所示为1×64线阵列成像器件探测得到340 GHz的一维太赫兹光斑图像。图5为对旋转塑料叶片进行实时成像的视频，帧频达到29Hz。基于目前已掌握的核心器件设计与工艺技术，可进一步扩大像素规模，近日已试制成功规模为128×128的探测器阵列。

图3、焦平面和线阵列太赫兹成像。

图4、左图为被成像旋转塑料叶片，右图为太赫兹实时成像视频。

研制工作得到了中科院苏州纳米所纳米加工平台、测试分析平台和相关合作团队的大力支持。在太赫兹焦平面成像芯片的研制中，中国电子科技集团公司第四十四所罗木昌博士领衔的合作团队研制开发了基于CMOS的阵列读出电路和成像信号处理系统，并承担了芯片互连和封装工艺的技术开发工作。

场效应混频探测器的研究工作得到了国家重点基础研究发展“973”计划、中科院“百人计划”、中科院重要方向性项目和国家自然科学基金等项目的支持。