開發(fā)在室溫下工作的低功耗、高靈敏度太赫茲(THz)波段的光電探測器是光電子學中的一個重要挑戰(zhàn)。在這項研究中，本工作介紹了一種基于碳化硅襯底上的準獨立式雙層石墨烯的光電效應探測器，設計用于太赫茲頻率范圍。本工作的探測器性能取決于準光學耦合方案，該方案集成了一個非球面硅透鏡，以優(yōu)化太赫茲天線和石墨烯p-n結(jié)之間的阻抗匹配。在室溫下，本工作實現(xiàn)了小于300pw /Hz的噪聲等效功率。通過阻抗匹配分析，本研究通過兩個耦合電容器耦合了一個平面天線與石墨烯p-n結(jié)，該結(jié)平行插入天線的納米間隙。通過調(diào)整電容和天線臂的長度，本研究將天線的最大紅外功率吸收調(diào)整到特定頻率。本研究的材料的靈敏度、光譜特性和可擴展性使其成為未來在室溫下工作的遠紅外探測器的理想候選者。
圖1. (a)利用BLG中PTE效應作為整流機制的太赫茲偶極子天線。(b)說明天線電氣連接的示意圖，其中兩個天線臂之間產(chǎn)生光電壓(V
PTE)，太赫茲場集中在天線納米間隙。電壓V
gate 1、2控制間隙兩側(cè)的載流子密度。(c)天線等效電路模型。
圖2: (a)天線的輸入電阻和電抗由等效電路模型計算，當匹配到600 GHz的BLG p-n結(jié)時。
在阻抗匹配條件下，天線的最大吸收功率出現(xiàn)在諧振頻率附近，這也通過FEM模擬得到驗證，同時繪制在(b)中。
圖3. 偶極天線(a, c, e)和貼片(b, d, f) PTE探測器在室溫下的輸運特性。(a, b)兩個頂柵極上電壓的函數(shù)圖，顯示了四個不同的區(qū)域，對應于不同的摻雜結(jié)構(gòu):p-n, p-p, n-p和n-n。(c, d)在沒有太赫茲激勵的情況下，對柵極電壓的直流輸運響應度，以伏特/瓦(V/W)表示。(e, f)在不存在太赫茲激勵的情況下，噪聲電壓與柵極電壓的關系圖。
圖4. 顯示PTE的貼片天線和偶極天線的響應率圖和NEP譜。(a, b)貼片天線和偶極天線赫茲響應率圖，各自具有光熱電效應的6倍對稱特征。(c)天線增強響應譜的顯示。在(a, b)的響應率圖中，用圓圈表示了NEP和h - z頻譜所使用的柵極電壓集。(d)示出在W/Hz1/2中偶極子和貼片天線探測器在最佳柵極電壓配置下測量的天線優(yōu)化NEP。從電路模型中計算出的天線增強的并發(fā)圖提供了兩種類型的天線，以及不匹配的天線PTE檢測器(控制)的NEP和響應性。
相關研究成果由查爾姆斯理工大學 François Joint和馬里蘭大學Howard D. Drew等人2024年發(fā)表在ACS Applied Electronic Materials (鏈接: https://doi.org/10.1021/acsaelm.4c00870)上。原文：Terahertz Antenna Impedance Matched to a Graphene Photodetector
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號
