基于二维电子气通道传输的高性能室温太赫兹光电探测研究

为解决室温太赫兹(THz)探测器灵敏度低、响应范围窄、响应速度慢等问题，中国科学院研究人员创新性地利用CdTe/PbTe异质结界面自发形成的二维电子气(2DEG)作为传输通道，结合金属-半导体-金属(MSM)结构中的电磁诱导势阱(EIW)效应，开发出新型探测器。该器件在22-519 GHz宽频范围内实现3.0×10?14 W Hz?1/2的超低噪声等效功率(NEP)和6.7 μs快速响应，为太赫兹技术在安检、通信等领域的应用提供了突破性解决方案。

　　

太赫兹波因其独特的频谱特性在生物医学成像、无损检测、高速通信等领域展现出巨大潜力，但室温太赫兹探测技术长期面临"三难"困境：灵敏度难突破10^?12 W Hz^?1/2量级、响应速度难优于毫秒级、工作频段难覆盖0.1-10 THz全波段。传统热探测器件如热电堆和测辐射热计受限于热惯性，而基于肖特基势垒二极管(SBD)和场效应晶体管(FET)的方案又难以兼顾灵敏度与带宽。面对这一技术瓶颈，中国科学院的研究团队在《Research》发表了一项突破性研究，通过巧妙利用CdTe/PbTe异质结界面自发形成的二维电子气(2DEG)传输通道，结合金属-半导体-金属(MSM)结构的电磁诱导势阱(EIW)效应，实现了22-519 GHz超宽频带内3.0×10^?14 W Hz^?1/2的噪声等效功率和6.7 μs的快速响应，为太赫兹技术实用化提供了关键器件支撑。

研究团队采用分子束外延(MBE)技术在BaF₂(111)衬底上生长500 nm PbTe薄膜和100 nm CdTe/PbTe异质结，通过霍尔效应测试确认2DEG通道具有9.8×10¹⁴ cm^?2的高载流子浓度和760 cm²/V·s的迁移率。借助原子力显微镜(AFM)、扫描电镜(SEM)和高分辨透射电镜(HRTEM)证实了界面原子级平整度，X射线衍射(XRD)分析显示晶格失配仅0.8%。器件采用深亚波长MSM结构，通过热退火形成金属电极与2DEG的欧姆接触。

研究结果部分首先揭示了材料特性。PbTe薄膜表面均方根粗糙度仅0.306 nm，接近单原子层厚度，螺旋生长模式有效降低了位错密度。CdTe/PbTe界面处Te原子因同时接收Pb的6p电子和Cd的5s电子，形成具有8.5个价电子的金属性界面态，这是2DEG形成的本质原因。工作机理研究表明，THz波照射MSM结构时，洛伦兹力将金属电极电子注入半导体形成EIW，而在2DEG器件中电子直接进入高迁移率2DEG通道，大幅提升收集效率。

光电性能对比显示突破性进展。2DEG探测器在20-519 GHz全频段响应，而PbTe器件在495-519 GHz无响应。在165-173 GHz波段，2DEG器件响应电流较PbTe器件提升37.7倍，噪声分析证实其以散粒噪声为主。最优性能出现在166 GHz，NEP达3.0×10^?14 W Hz^?1/2，比传统热探测器改善5个数量级，响应速度6.7 μs比HEMT器件快100倍。这种性能提升源于2DEG的高载流子浓度降低复合率、高迁移率加速传输，以及未故意掺杂带来的低散射特性。

该研究通过能带工程和器件物理的协同创新，解决了室温THz探测领域长期存在的灵敏度-速度-带宽难以兼得的科学难题。2DEG通道与EIW效应的协同作用不仅突破了传统探测器的物理极限，其简单的MSM结构更有利于大规模阵列集成。这项技术为太赫兹成像、6G通信等应用提供了理想的探测器解决方案，将推动太赫兹技术从实验室走向实际应用。研究者特别指出，这种基于界面电子态的探测机制可拓展至其他半导体异质结体系，为发展新型光电探测器开辟了新途径。