[00128011]二维电子气高电子迁移率晶体管太赫兹与亚毫米波混频探测器技术

太赫兹/亚毫米波独有的高带宽性、高穿透性和指纹特性,已应用于高速通信、新型雷达、人体安检和无损探伤等,已成为强国抢占的战略要点。为了遏制我国相关技术的发展,国外长期限制太赫兹核心器件的出口,突破国外技术封锁,实现技术自主可控具有重要战略意义。项目团队在国家重大任务支持下,立足器件机理研究,原创性地提出并验证了基于场效应的局域太赫兹混频理论,突破了场效应晶体管的截止频率限制,成功指导了高灵敏度场效应太赫兹探测器的设计。团队自主创新,采用第三代半导体氮化镓（GaN）技术路线,经过12年持续攻关,全面掌握了AlGaN/GaN二维电子气高电子迁移率晶体管（HEMT）太赫兹探测器核心技术,研制成高灵敏度探测器芯片和组件,打破国外垄断,实现自主可控。主要科技创新成果如下： 1. 原创性地提出并验证了场效应局域太赫兹混频理论 针对传统场效应晶体管受截止频率限制,难以工作在太赫兹频段的瓶颈问题,2009年在国家重点基础研究发展计划（973项目）支持下,项目团队独辟蹊径,在国际上首次提出并验证了场效应晶体管中的局域太赫兹波混频理论,该理论准确地描述了场效应晶体管在亚波长和纳米尺度下的混频物理过程和光电响应的空间分布特性,揭示了栅控二维电子气沟道中太赫兹波混频的非线性机制和局域特性,成功指导了高灵敏度探测器的设计;通过首创的非对称太赫兹天线和局域太赫兹场的精确调控,突破场效应晶体管的截止频率限制,研制成首个AlGaN/GaN HEMT太赫兹探测器。相关结果被国际同行誉为先驱工作,并受邀在斯普林格出版了国际上首部场效应太赫兹探测器专著。 2. 自主研制了系列AlGaN/GaN HEMT太赫兹探测器芯片和组件 面对国外技术封锁,2016年团队在国家重点研发重大科学仪器项目支持下,基于局域混频理论,项目团队自主创新,建成了包括探测器设计、制造工艺、模块集成和测试定标等全流程关键技术链条,率先研制成AlGaN/GaN HEMT自混频探测器、外差混频探测器、焦平面探测器和等离子体共振探测器等系列探测器,打破了国外垄断,实现自主可控。研制的110-1100GHz频段单元探测器的灵敏度得到国际领先水平,在国际上首次实现了非相干黑体辐射太赫兹波的探测和对室温目标的被动成像。研制出340、650和890GHz频段的焦平面成像芯片与相机,空间分辨率和灵敏度均优于美国Terasense产品。 3. 开创了探测器组件在国家重大科学基础设施和其它领域的应用 研制的系列探测器组件已应于EAST托克马克等离子体诊断装置、我国首台太赫兹自由电子激光等国家重大科学基础设施、主动式太赫兹人体安检仪和太赫兹层析成像样机等,获得了应用单位的高度评价：室温外差混频探测器模块应用于EAST托克马克和空间环境地面模拟装置（SESRI）的等离子体诊断装备,解决了核心探测模块的“卡脖子”问题;室温高速直接探测器模块为我国首台自由电子太赫兹激光器（CTFEL）提供了原进口探测器不具备的脉冲实时监测能力;焦平面太赫兹相机通过了890GHz主动式人体安检仪样机的视频成像验证,解决了该频段无其它焦平面可用的困境,推进了主动式人体安检仪的国产化进程。