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我国石墨烯太赫兹外差混频探测器研究获进展

本文摘要:记者6月29日从中国科学院得知,中国电子科技集团有限公司第十三研究所专用集成电路国家级重点实验室与中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所、中国科学院纳米器件与应用于重点实验室再度合作,在高灵敏度石墨烯场效应晶体管太赫兹自混频探测器的基础上,构建了外差混频和分谐波混频观测,最低观测频率超过650GHz,利用自混频观测的号召度对外劣混频和分谐波混频的效率展开了校准,该结果近期公开发表在碳材料杂志Carbon上。

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记者6月29日从中国科学院得知,中国电子科技集团有限公司第十三研究所专用集成电路国家级重点实验室与中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所、中国科学院纳米器件与应用于重点实验室再度合作,在高灵敏度石墨烯场效应晶体管太赫兹自混频探测器的基础上,构建了外差混频和分谐波混频观测,最低观测频率超过650GHz,利用自混频观测的号召度对外劣混频和分谐波混频的效率展开了校准,该结果近期公开发表在碳材料杂志Carbon上。频率介于红外和毫米波之间的太赫兹波在光学、雷达和通信等技术领域具备辽阔的应用于前景,太赫兹波与物质的相互作用研究具备最重要的科学意义。高灵敏度太赫兹波探测器是发展太赫兹应用于技术的核心器件,是积极开展太赫兹科学研究的最重要手段与主要内容之一。

太赫兹波观测可分成必要观测和外差观测两种方式:必要观测仅有取得太赫兹波的强度或功率信息;而外差观测可同时取得太赫兹波的幅度、振幅和频率信息,是太赫兹雷达、通信和波谱光学应用于必须的核心器件。外差探测器通过被测太赫兹信号与低噪声本地相干性太赫兹信号的混频,将被测信号下切换为微波射频波段的中频信号后展开检测。与必要观测比起,外差观测一般来说不具备更高的响应速度和灵敏度,但是探测器结构与电路更为简单,对混频的机制、效率和材料明确提出了更高的拒绝。

天线耦合的场效应晶体管反对在频率远高于其截止频率的太赫兹波段展开自混频观测和外差混频观测。前者是必要观测的一种有效地方法,可构成规模化的阵列探测器,也是构建基于场效应晶体管的外差混频观测的基础。目前,国际上基于CMOS晶体管构建了本衡频率为213GHz的2次(426GHz)和3次(639GHz)分谐波混频观测,但其高阻特性容许了工作频率和中频比特率的提高。

石墨烯场效应晶体管因其低电子迁移率、低可回声的费米能、双极型载流子及其非线性输送等特性为构建高灵敏度的太赫兹波自混频和外差混频观测获取了新途径。前期,双方重点实验室秦华团队和冯志红团队合作顺利取得了室温工作的较低电阻高灵敏度石墨烯太赫兹探测器,其工作频率(340GHz)和灵敏度(~50pW/Hz1/2)超过了同类探测器中的最低水平。此次合作更进一步使工作频率提升至650GHz,并构建了外差混频观测。

工作在650GHz的G-FET太赫兹探测器通过构建超强半球硅透镜,首先通过216、432和650GHz的自混频观测,检验了探测器号召特性与设计预期完全一致,并对自混频观测的号召度和太赫兹波功率展开了测试定标。在此基础上,构建了本振为216GHz和648GHz的外差混频观测,构建了本振为216GHz的2次分谐波(432GHz)和3次分谐波(648GHz)混频观测。

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混频损耗分别在38.4dB和57.9dB,对应的噪声等效功率分别为13fW/Hz和2pW/Hz。2次分谐波混频损耗比216GHz外差混频损耗低大约8dB。此次取得混频频率已远高于国际上已报导的石墨烯外差观测的最低工作频率(~200GHz),但中频信号比特率大于2GHz,高于国际上报导最低中频比特率(15GHz)。

总体上,目前G-FET外差混频探测器性能尚能不及肖特基二极管混频器。但是,无论在材料质量还是在器件设计与工艺技术上,都有相当大的优化提高空间。

根据Andersson等人预测,G-FET的混频切换效率可减少至23.5dB,如何超过并打破肖特基二极管混频探测器的性能指标是未来必须重点研制成功的关键问题。


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