蝶形天线增强的InP基室温HEMT太赫兹探测器研究

李金伦; 崔少辉; 张静; 张振伟; 张博文; 倪海桥; 牛智川

doi:10.3788/IRLA201948.0919001

蝶形天线增强的InP基室温HEMT太赫兹探测器研究

doi: 10.3788/IRLA201948.0919001

李金伦^1,2,
崔少辉¹,
张静^2,3,
张振伟⁴,
张博文⁵,
倪海桥^2,6,
牛智川^2,6

1.
中国人民解放军陆军工程大学石家庄校区导弹工程系,河北石家庄 050003;
2.
中国科学院半导体研究所超晶格国家重点实验室,北京 100083;
3.
西安电子科技大学宽带隙半导体技术国家重点学科实验室,陕西西安 710071;
4.
首都师范大学物理系太赫兹光电子学教育部重点实验室,北京 100048;
5.
中国科学院半导体研究所半导体集成技术工程研究中心,北京 100083;
6.
中国科学院大学材料与光电研究中心,北京 100049

基金项目:

国家自然科学基金（61505196）;国家重点研发计划（2018YFA0306101）;中国科学院科研仪器设备研制项目（YJKYYQ20170032）

详细信息

作者简介:
李金伦(1989-),男,博士生,主要从事太赫兹器件及应用方面的研究。Email:lijinlun@semi.ac.cn

中图分类号: TN215;TN386.3

Research on InP-based HEMT terahertz detector enhanced by bow-tie antenna at room temperature

1.
Department of Missile Engineering,Shijiazhuang Campus,Army Engineering University,PLA,Shijiazhuang 050003,China;
2.
State Key Laboratory for Superlattices and Microstructures,Institute of Semiconductors,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100083,China;
3.
The State Key Discipline Laboratory of Wide Band Gap Semiconductor Technology,Xidian University,Xi'an 710071,China;
4.
Key Laboratory of THz Optoelectronics,Ministry of Education,Department of Physics,Capital Normal University,Beijing 100048,China;
5.
Engineering Research Center for Semiconductor Integrated Technology,Institute of Semiconductors,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100083,China;
6.
College of Materials Science and Opto-Electronic Technology,University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China

摘要: 采用分子束外延技术制备了InP基HEMT样片，室温下样片迁移率达10 289 cm2/（Vs）。通过光刻、腐蚀、磁控溅射、点焊等工艺技术制备出了蝶形天线耦合的太赫兹探测器件。器件采用的蝶形天线经HFSS软件仿真优化后，天线S11参数为-40 dB，电压驻波比（VSWR）为1.15，增益可达6 dB，并与二维电子气沟道实现阻抗匹配。在VDI公司0.3 THz肖特基二极管太赫兹源辐照下进行器件测试，测试结果表明，室温下器件噪声等效功率（NEP）为40 nW/Hz1/2，探测响应度46 V/W，器件响应时间优于330 s。
- 太赫兹探测器 /
- 高电子迁移率场效应晶体管 /
- 磷化铟 /
- 蝶形天线 /
- 分子束外延
Abstract: InP-based HEMT samples were prepared by molecular beam epitaxy(MBE). The sample mobility at room temperature reached 10 289 cm2/(Vs). The terahertz detector coupled with a bow-tie antenna was fabricated by photolithography, etching, magnetron sputtering, spot welding. The bow-tie antenna used in the device was optimized by simulation with HFSS, so that the optimized antenna parameter of S11 was -40 dB, the voltage standing wave ratio(VSWR) was 1.15, gain was 6 dB and impedance matching with the two-dimensional electronic gas(2DEG) channel. The device was measured by VDI's 0.3 THz Schottky diode terahertz source. The measurement results show that the device noise equivalent power (NEP) is 4 nW/Hz1/2 at room temperature, and the detection response rate is 46 V/W, the device response time is better than 330 s.
- terahertz detector /
- HEMT /
- InP /
- bow-tie antenna /
- excellent beam quality

[1]	Cao Juncheng. Semiconductor Terahertz Sources, Detectors and Applications[M]. Beijing:Science Press, 2012:1. (in Chinese)曹俊诚. 半导体太赫兹源、探测器与应用[M]. 北京:科学出版社, 2012:1.
[2]	Qin Hua, Huang Yongdan, Sun Jiandong, et al. Terahertz-wave devices based on plasmons in two-dimensional electron gas[J]. Chinese Optics, 2017, 10(1):51-66. (in Chinese)秦华, 黄永丹, 孙建东, 等. 二维电子气等离激元太赫兹波器件[J]. 中国光学, 2017, 10(1):51-66.
[3]	Li Jing, Zhang Wen, Miao Wei, et al. Development of ultra high sensitivity superconducting THz detectors[J]. Chinese Optics, 2017, 10(1):122-130. (in Chinese)李婧, 张文, 缪巍, 等. 超高灵敏度太赫兹超导探测技术发展[J]. 中国光学, 2017, 10(1):122-130.
[4]	Zhang Jingshui, Kong Lingqin, Dong Liquan, et al. Terahertz CMOS transistor model and experimental analysis[J]. Optics and Precision Engineering, 2017, 25(12):3128-3136. (in Chinese)张镜水, 孔令琴, 董立泉, 等. 太赫兹CMOS场效应管模型及实验分析[J]. 光学精密工程, 2017, 25(12):3128-3136.
[5]	Dyakonov M, Shur M. Shallow water analogy for a ballistic field effect transistor:New mechanism of plasma wave generation by dc current[J]. Physical Review Letters, 1993, 71(15):2465-2468.
[6]	Wang Lin, Chen Xiaoshuang, Hu Weida, et al. The plasmonic resonant absorption in GaN double-channel high electron mobility transistors[J]. Applied Physics Letters, 2011, 99(6):063502.
[7]	Guo Nan, Hu Weida, Chen Xiaoshuang, et al. Enhanced plasmonic resonant excitation in a grating gated field-effect transistor with supplemental gates[J]. Optics Express, 2013, 21(2):1606-1614.
[8]	Lu Jianqiang, Shur M S, Hesler J L, et al. Terahertz detector utilizing two-dimensional electronic fluid[J]. IEEE Electron Device Letters, 1998, 19(10):373-375.
[9]	Wang Linhua, Yuan Minghui, Huang Hui, et al. Recognition of edge object of human body in THz security inspection system[J]. Infrared and Laser Engineering, 2017, 46(11):1125002. (in Chinese)王林华, 袁明辉, 黄慧, 等. 太赫兹安检系统人体图像边缘物体识别[J]. 红外与激光工程, 2017, 46(11):1125002.
[10]	Zhang Zhengping. New developments of solid state microwave, millimeter-wave, THz devices and circuits (continued)[J]. Semiconductor Technology, 2012, 36(1):897-904. (in Chinese)赵正平. 固态微波毫米波、太赫兹器件与电路的新进展(续)[J]. 半导体技术, 2012, 36(1):897-904.
[11]	Lim B, Statham S, Misra S, et al. The radiometer atmospheric CubeSat experiment (RACE) pre-launch performance[C]//Microwave Symposium. IEEE, 2015.
[12]	Li Jinlun, Cui Shaohui, Xu Jianxing, et al. Two-dimensional electron gas characteristics of InP-based high electron mobility transistor terahertz detector[J]. Chinese Physics B, 2018, 27(4):047101.
[13]	Tong Jinchao, Huang Jingguo, Huang Zhiming. New type terahertz/sub-millimeter wave detector based on InGaAs layers[J]. Infrared and Laser Engineering, 2014, 43(10):3347-3351. (in Chinese)童劲超, 黄敬国, 黄志明. 基于铟镓砷材料的新型太赫兹/亚毫米波探测器研究[J]. 红外与激光工程, 2014, 43(10):3347-3351.
[14]	Clawson A R. Guide to references on Ⅲ-V semiconductor chemical etching[J]. Materials Science and Engineering R:Reports, 2001, 31(1-6):1-438.
[15]	Yang Xinxin, Sun Jiandong, Qin Hua. Detection and analysis of the responsivity and NEP for HEMT terahertz detectors[J]. Micronanoelectronic Technology, 2013, 50(2):69-73. (in Chinese)杨昕昕, 孙建东, 秦华. HEMT太赫兹探测器响应度和NEP的检测与分析[J]. 微纳电子技术, 2013, 50(2):69-73.

[1]	刘一霆, 丁青峰, 冯伟, 朱一帆, 秦华, 孙建东, 程凯. 集成AlGaN/GaN HEMT混频探测器的太赫兹矢量测量系统 . 红外与激光工程, 2023, 52(1): 20220278-1-20220278-8. doi: 10.3788/IRLA20220278
[2]	田笑含, 张江风, 张晓玲, 孟庆端. 隔离槽对锑化铟探测器芯片断裂的影响 . 红外与激光工程, 2022, 51(5): 20210599-1-20210599-5. doi: 10.3788/IRLA20210599
[3]	吴昊, 朱一帆, 丁青峰, 张金峰, 上官阳, 孙建东, 秦华. 液氮制冷的AlGaN/GaN HEMT太赫兹探测器阵列特性研究 . 红外与激光工程, 2022, 51(12): 20220225-1-20220225-7. doi: 10.3788/IRLA20220225
[4]	刘肇国, 周桓立, 何伟迪, 赵宁, 张彤. 低维材料太赫兹探测器研究进展（特邀） . 红外与激光工程, 2021, 50(1): 20211015-1-20211015-10. doi: 10.3788/IRLA20211015
[5]	廉宇轩, 冯伟, 丁青峰, 朱一帆, 孙建东, 秦华, 程凯. 基于AlGaN/GaN HEMT太赫兹探测器的340 GHz无线通信接收前端 . 红外与激光工程, 2021, 50(5): 20210202-1-20210202-8. doi: 10.3788/IRLA20210202
[6]	丁瑞军, 杨建荣, 何力, 胡晓宁, 陈路, 林春, 廖清君, 叶振华, 陈洪雷, 魏彦锋. 碲镉汞红外焦平面器件技术进展 . 红外与激光工程, 2020, 49(1): 0103010-0103010(7). doi: 10.3788/IRLA202049.0103010
[7]	张鹏, 曹乾涛, 董航荣, 赵鑫, 孙佳文, 吴斌, 刘红元. 大面元太赫兹热释电探测器 . 红外与激光工程, 2020, 49(5): 20190338-20190338-6. doi: 10.3788/IRLA20190338
[8]	张钊, 陈勰宇, 田震. 使用太赫兹快速探测器测量硅少数载流子寿命 . 红外与激光工程, 2019, 48(9): 919003-0919003(6). doi: 10.3788/IRLA201948.0919003
[9]	黄超, 易爱平, 钱航, 安晓霞, 李高鹏. 电子束泵浦XeCl准分子激光器输出特性 . 红外与激光工程, 2019, 48(10): 1005003-1005003(6). doi: 10.3788/IRLA201948.1005003
[10]	王军, 蒋亚东. 室温微测辐射热计太赫兹探测阵列技术研究进展(特邀) . 红外与激光工程, 2019, 48(1): 102001-0102001(10). doi: 10.3788/IRLA201948.0102001
[11]	潘奕, 郑渚, 丁庆, 姚勇. 宽带太赫兹偶极子光电导接收天线研究 . 红外与激光工程, 2019, 48(1): 125002-0125002(6). doi: 10.3788/IRLA201948.0125002
[12]	夏祖学, 刘发林, 邓琥, 陈俊学, 刘泉澄. 频率可调太赫兹微结构光电导天线 . 红外与激光工程, 2018, 47(5): 520002-0520002(7). doi: 10.3788/IRLA201847.0520002
[13]	罗木昌, 孙建东, 张志鹏, 李想, 申志辉, 王颖, 陈红兵, 董绪丰, 张金峰, 陈扬, 周建勇, 秦华. 基于AlGaN/GaN场效应晶体管的太赫兹焦平面成像传感器 . 红外与激光工程, 2018, 47(3): 320001-0320001(6). doi: 10.3788/IRLA201847.0320001
[14]	刘朝阳, 刘力源, 吴南健. 采用CMOS太赫兹波探测器的成像系统 . 红外与激光工程, 2017, 46(1): 125001-0125001(6). doi: 10.3788/IRLA201746.0125001
[15]	陈刚, 李墨, 吕衍秋, 朱旭波, 曹先存. 分子束外延InAlSb红外探测器光电性能的温度效应 . 红外与激光工程, 2017, 46(12): 1204003-1204003(5). doi: 10.3788/IRLA201746.1204003
[16]	何晓阳, 张屹遐, 杨春, 陈琦. 太赫兹光子晶体光纤与天线设计 . 红外与激光工程, 2015, 44(2): 534-538.
[17]	童劲超, 黄敬国, 黄志明. 基于铟镓砷材料的新型太赫兹/亚毫米波探测器研究 . 红外与激光工程, 2014, 43(10): 3347-3351.
[18]	白阳, 贾锐, 刘新宇, 武德起, 金智. 耿氏管的合金金属及正面反面工艺的研究 . 红外与激光工程, 2013, 42(5): 1265-1268.
[19]	刘晓旻, 王俊俏, 马凤英, 吴宇, 梁二军, 杨国光. 太赫兹辐射的多重反射光杠杆探测方法 . 红外与激光工程, 2012, 41(8): 2058-2062.
[20]	徐庆庆, 陈建新, 周易, 李天兴, 金巨鹏, 林春, 何力. InAs/GaSb II类超晶格中波红外探测器 . 红外与激光工程, 2012, 41(1): 7-9.

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蝶形天线增强的InP基室温HEMT太赫兹探测器研究

doi: 10.3788/IRLA201948.0919001

作者简介:
李金伦(1989-),男,博士生,主要从事太赫兹器件及应用方面的研究。Email:lijinlun@semi.ac.cn

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李金伦(1989-),男,博士生,主要从事太赫兹器件及应用方面的研究。Email:lijinlun@semi.ac.cn

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