中國電子科技集團(tuán)有限公司第十三研究所專用集成電路國家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室與中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所、中國科學(xué)院納米器件與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室再次合作，在高靈敏度石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管(G-FET)太赫茲自混頻(Homodyne mixing)探測(cè)器的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了外差混頻(Heterodyne mixing)和分諧波混頻(Sub-harmonic mixing)探測(cè)，最高探測(cè)頻率達(dá)到650 GHz，利用自混頻探測(cè)的響應(yīng)度對(duì)外差混頻和分諧波混頻的效率進(jìn)行了校準(zhǔn)，該結(jié)果近期發(fā)表在碳材料雜志Carbon上(Carbon 121, 235-241 (2017))。

　　頻率介于紅外和毫米波之間的太赫茲波(Terahertz wave)在成像、雷達(dá)和通信等技術(shù)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，太赫茲波與物質(zhì)的相互作用研究具有重要的科學(xué)意義。高靈敏度太赫茲波探測(cè)器是發(fā)展太赫茲應(yīng)用技術(shù)的核心器件，是開展太赫茲科學(xué)研究的重要手段與主要內(nèi)容之一。太赫茲波探測(cè)可分為直接探測(cè)和外差探測(cè)兩種方式：直接探測(cè)僅獲得太赫茲波的強(qiáng)度或功率信息;而外差探測(cè)可同時(shí)獲得太赫茲波的幅度、相位和頻率信息，是太赫茲雷達(dá)、通信和波譜成像應(yīng)用必需的核心器件。外差探測(cè)器通過被測(cè)太赫茲信號(hào)與低噪聲本地相干太赫茲信號(hào)的混頻，將被測(cè)信號(hào)下轉(zhuǎn)換為微波射頻波段的中頻信號(hào)后進(jìn)行檢測(cè)。與直接探測(cè)相比，外差探測(cè)通常具備更高的響應(yīng)速度和靈敏度，但是探測(cè)器結(jié)構(gòu)與電路更加復(fù)雜，對(duì)混頻的機(jī)制、效率和材料提出了更高的要求。

　　天線耦合的場(chǎng)效應(yīng)晶體管支持在頻率遠(yuǎn)高于其截止頻率的太赫茲波段進(jìn)行自混頻探測(cè)和外差混頻探測(cè)。前者是直接探測(cè)的一種有效方法，可形成規(guī)?；年嚵刑綔y(cè)器，也是實(shí)現(xiàn)基于場(chǎng)效應(yīng)晶體管的外差混頻探測(cè)的基礎(chǔ)。目前，國際上基于CMOS晶體管實(shí)現(xiàn)了本振頻率為213 GHz的2次(426 GHz)和3次(639 GHz)分諧波混頻探測(cè)，但其高阻特性限制了工作頻率和中頻帶寬的提升。

　　石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管因其高電子遷移率、高可調(diào)諧的費(fèi)米能、雙極型載流子及其非線性輸運(yùn)等特性為實(shí)現(xiàn)高靈敏度的太赫茲波自混頻和外差混頻探測(cè)提供了新途徑。前期，雙方重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室秦華團(tuán)隊(duì)和馮志紅團(tuán)隊(duì)合作成功獲得了室溫工作的低阻抗高靈敏度石墨烯太赫茲探測(cè)器，其工作頻率(340 GHz)和靈敏度(～50 pW/Hz1/2)達(dá)到了同類探測(cè)器中的最高水平(Carbon 116, 760-765 (2017))。此次合作進(jìn)一步使工作頻率提高至650 GHz，并實(shí)現(xiàn)了外差混頻探測(cè)。

　　如圖1所示，工作在650 GHz的G-FET太赫茲探測(cè)器通過集成超半球硅透鏡，首先通過216、432和650 GHz的自混頻探測(cè)，驗(yàn)證了探測(cè)器響應(yīng)特性與設(shè)計(jì)預(yù)期一致，并對(duì)自混頻探測(cè)的響應(yīng)度和太赫茲波功率進(jìn)行了測(cè)試定標(biāo)。在此基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了本振為216 GHz和648 GHz的外差混頻探測(cè)，實(shí)現(xiàn)了本振為216 GHz的2次分諧波(432 GHz)和3次分諧波(648 GHz)混頻探測(cè)?；祛l損耗分別在38.4 dB和57.9 dB，對(duì)應(yīng)的噪聲等效功率分別為13 fW/Hz和2 pW/Hz。2次分諧波混頻損耗比216 GHz外差混頻損耗高約8 dB。

　　此次獲得混頻頻率已遠(yuǎn)高于國際上已報(bào)道的石墨烯外差探測(cè)的最高工作頻率(～200 GHz)，但中頻信號(hào)帶寬小于2 GHz，低于國際上報(bào)道最高中頻帶寬(15 GHz)?？傮w上，目前G-FET外差混頻探測(cè)器性能尚不及肖特基二極管混頻器。但是，無論在材料質(zhì)量還是在器件設(shè)計(jì)與工藝技術(shù)上，都有很大的優(yōu)化提升空間。根據(jù)Andersson等人預(yù)測(cè)，G-FET的混頻轉(zhuǎn)換效率可降低至23.5 dB，如何達(dá)到并超越肖特基二極管混頻探測(cè)器的性能指標(biāo)是未來需要重點(diǎn)攻關(guān)的關(guān)鍵問題。

　　圖3所示為基于432 GHz的直接探測(cè)以及二次諧波探測(cè)的透射成像圖對(duì)比，分諧波探測(cè)時(shí)的透射成像顯現(xiàn)出比直接探測(cè)更高的動(dòng)態(tài)范圍，可達(dá)40 dB。

　　該研制工作得到了國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(No. 61271157, 61401456, 61401297等)、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2016YFF0100501， 2014CB339800)、中科院青促會(huì)(2017372)、中科院蘇州納米所納米加工平臺(tái)、測(cè)試分析平臺(tái)和南京大學(xué)超導(dǎo)電子學(xué)研究所的大力支持。

圖1：650 GHz天線耦合的G-FET太赫茲外差混頻探測(cè)器

圖2：(a)準(zhǔn)光耦合的外差混頻探測(cè)系統(tǒng)示意圖;(b)216 GHz外差混頻探測(cè)的中頻頻譜

圖3：(a)分別采用432 GHz直接探測(cè)和本振為216 GHz的2次分諧波探測(cè)對(duì)樹葉進(jìn)行的透射成像效果對(duì)比;(b)采用本振為216 GHz的2次分諧波探測(cè)對(duì)檸檬片的透視成像。