基于六方氮化硼封装石墨烯的室温高速低噪声太赫兹光电探测器

太赫兹频率范围内的室温（RT）探测，在生物医学、安全、光谱、环境监测、实时成像和高数据速率通信等领域有着广泛的应用。在过去20年中，一大批基于不同灵敏度、响应时间、工作频率范围，以及潜在的物理机制的RT太赫兹检测技术得到了发展。理想的RT太赫兹探测器应满足以下几个要求：高度敏感，即具有低噪声等效功率（NEP）、具有快速的光响应，即低响应时间、具有高动态范围（^和^可测量入射光功率之间的范围）、在广泛的太赫兹频率范围内工作，尤其是1 THz以上。而目前还没有同时满足所有要求的商用太赫兹探测器。
  近日，意大利比萨纳米科学研究所的Miriam S. Vitiello教授课题组，利用一种简单的结构，使用图案化的宽带蝶形天线，将太赫兹辐射耦合到具有亚波长六方氮化硼（hBN）-单层石墨烯（SLG）-hBN的异质结构。基于等离子体波（PW）和光热电效应（PTE）两种机制，得到了一个低噪声（NEP∼160 pW·Hz−1/2）的RT太赫兹探测器，动态范围为4个数量级，响应时间∼3 ns，比迄今为止报道的在RT下工作的其他探测器快了1个数量级。
  将机械剥离法制备的SLG封装在hBN中，形成一个干净的hBN-SLG-hBN异质结构。沟道具有长为5.4 μm和宽为0.8 μm的矩形形状（图1a），然后通过电子束曝光（EBL）和金属沉积（Cr/Au，10/100 nm）实现一维边缘接触。源极和漏极的形状是不对称的，以利于PW和PTE所需的不对称性。在确定顶栅（G）电极之前，通过原子层沉积薄的氧化层（Al2O3，10 nm）以防止G和SLG之间通过通道本身边缘的泄漏电流。与S电极类似，G触点形状为平面蝶形天线的分支，半径为21 μm，倾角90°。图1b描绘了天线提供的面内电场分量（E∥）的模拟增强与其半径rb之间的函数关系。天线响应在rb=20和52 μm处显示两个^值，对应于λ/2和3λ/2共振。图1b的插图显示了天线平面上电场的平面外分量。图1c显示了信道电阻（R），通过探测源漏电流（ISD）作为顶栅电压（VG）的函数进行外推，同时保持源漏电压VSD=2 mV，中性点为VG=0.2 V。
  使用两个焦距分别为25和50 mm的透镜对30°发散太赫兹光束进行准直和聚焦（图2a）。在焦点处产生的高斯光束的束腰为120 μm，平均光强度增加到^值（2 W/cm2）。然后将探测器安装到旋转平移台上，使其在焦平面上移动，并修改蝶形天线轴和垂直极化太赫兹电场之间的相对角（图2a中的α）。在RT和液氮低温（77 K）下进行光学测量。图2b显示了太赫兹光束焦平面（图2a中的xy）上RT处的|Δu|（对数刻度）的图像。为验证天线几何结构的偏振选择性，测量了太赫兹光响应与天线轴和太赫兹光束偏振之间的角度α的函数关系。当天线轴平行于极化时，光响应（图2c）达到^值，当α从0°增加到90°时，光响应减小。太赫兹局部放电的一个重要优点是动态范围，即局部放电能够感测的冲击光功率范围。为了确定它，将太赫兹激光器的平均输出功率从0到820 μW定量改变，测得|Δu|的变化情况如图2d所示。
  为了确定光探测过程的主要物理机制，测得探测器响应与VG在77 K和300 K下的函数关系，如图3a（左垂直轴）所示。图3b中绘制了T=300 K和T=77 K时的SG-Su随VG的变化情况，PTE模型定量了解释T=77 K时Rv相对于RT的增加。图3a（右垂直轴）给出了RT和77 K时计算的ΔuPTE之间的比较。若考虑PW和PTE的同时相互作用，可以给出一个更严格的解释。图3c描绘了在RT时的Δu与100 μW（橙色曲线）的光功率下获得的VG的函数关系，以及估计的ΔuPTE和ΔuPW。
  最后，利用所使用的量子级联激光器（QCL）来评估太赫兹探测器的带宽（BW）。当用高压脉冲驱动QCL时，它进入所谓的负差阻机制。从电学的角度来看，这相当于一个非常不稳定的高场域区域，其中驱动电流在增加的外加偏压下随机波动。从光学角度来看，由于激光晶格的整体温度升高，QCL的平均输出功率随着电压的升高而逐渐降低，进而降低了粒子数反转。在负差阻机制中，QCL在一个脉冲中多次发生作用，如图4a,b所示，这些突然跃迁是QCL的一个固有特性，由QCL腔中电子、光子和晶格之间的能量交换所控制。图4b中的波形用于评估探测器的BW。图4c显示了单π振荡的放大，从中使用设置函数提取上升时间τon和下降时间τoff。