红外光照诱导光电可调台阶太赫兹探测器响应度增强

《ACS Photonics》：Infrared Illumination-Induced Responsivity Enhancement in Photoelectric Tunable-Step Terahertz Detectors

　　

二维电子气（2DEG）中的量子现象为高响应度远红外探测提供了新机遇。光电可调台阶（PETS）太赫兹（THz）探测器即为一例，其利用面内光电（IPPE）效应作为灵敏的光子探测机制。研究人员表明，该量子光探测机制的太赫兹灵敏度可通过红外光照动态调谐。研究人员借助AlGaAs/GaAs异质结构中的持久光电导（PPC）效应，通过调整沟道电子密度与迁移率来调谐器件性能。该方法可在不同工作模式下优化响应度，并对PETS太赫兹探测器的输出阻抗实现约一个数量级的动态控制。研究人员阐释了 underlying physics，推进了对2DEG中量子光探测现象的理解。研究结果为结合红外与太赫兹波段概念的就地可调控光电子学铺平了道路。

研究背景方面，太赫兹（0.1–10 THz）技术在超快无线通信、医学成像与无损检测中备受关注，其发展依赖灵敏探测。基于二维电子气（2DEG）的场效应晶体管（FET）是重要平台，其中2022年提出的面内光电（IPPE）效应是一种无碰撞量子机制，据此研制的光电可调台阶（PETS）太赫兹探测器在零源漏偏压下即可产生强光响应，且较等离子混频等机制响应更高，在AlGaAs/GaAs中可工作至75 K。然而PETS性能如何随2DEG电子密度变化这一基本问题尚未解决。AlGaAs/GaAs中DX中心光致电离引发的持久光电导（PPC）效应可在低温下长时改变电子密度，为此研究人员利用PPC系统性调控PETS探测器，探究红外光照剂量对IPPE效应的影响。

主要关键技术方法上，研究人员制备了AlGaAs/GaAs高电子迁移率晶体管异质结构双栅蝴蝶结天线耦合PETS探测器，2DEG位于表面下约77 nm，暗态1.5 K电子密度2.3×1011 cm?2、迁移率5.4×10? cm2/V·s。实验采用低温恒温器，以1.881 THz量子级联激光器（QCL）经铜波导辐照正面天线，以940 nm（1.32 eV）红外LED从背面透过500 μm半绝缘GaAs衬底照射，避免栅极遮挡；以20.24 μJ为单元光照剂量累加，每次闪烁后稳定5分钟，宽栅固定0.75 V、窄栅扫描，用锁相技术测光响应，并用双端电导与霍尔测量跟踪电子密度n?及阈值电压U_th变化。

研究结果部分，Device Design小节说明双栅蝴蝶结天线FET结构尺寸（半径17 μm、间隙270 nm、台面宽2 μm、窄桥栅宽200 nm）与暗态表征典型PETS响应。Experimental Setup小节确立QCL正面耦合与940 nm LED背面入射的协同光路。Results小节显示：随着红外累积剂量增加，最大光电流max(I_ph)先降至约10 s后急剧上升，10? s附近饱和后再下降；max(V_ph)在1500 s前稳定随后缓降；最优窄栅偏压在约200 s处由?0.03 V突降至?0.085 V。双端电导在U_G,narrow=0处提升约14倍，阈值U_th由?0.1 V移至?0.2 V；由平行板电容模型算得平衡电子密度n?从暗态1×1011 cm?2先微降，约100 s陡升至1.2×1011 cm?2平台，1500 s后缓升至饱和1.8×1011 cm?2；宽栅0.75 V漏电始终≤0.4 nA。Interpretation小节指出变化主因是AlGaAs中Si–V_As型DX中心经负U模型电离（2d?→d?+DX?），低温捕获率低致PPC；940 nm光子不能跨GaAs/AlGaAs带隙，但可驱动两过程：过程A为2DEG电子激发弛豫入掺杂势垒，过程B为势垒内DX中心激发；结合Si浅施主回填分三阶段解释n?两阶增长与平台，并借同片霍尔条排除平行电导。

讨论与结论部分，研究人员总结：增量红外光照通过PPC连续调谐2DEG电子密度与迁移率，存在最优光照剂量使PETS响应度最大化；该策略为PETS探测器性能优化提供实用途径，并阐明红外光照调制AlGaAs/GaAs体系中IPPE效应的物理机制。论文发表于《ACS Photonics》，表明将红外波段调控引入太赫兹量子探测器可实现原位、宽范围、非易失性性能重塑，推动跨波段可调控光电子学发展。