PμSL に基づく 6G 向け非冷却ボウタイアレイ光増強テラヘルツ検出器

出典: MFan PuSL High Precision

6G技術向けの高感度テラヘルツ検出技術は、国防安全保障、リモートセンシングおよびテレメトリ、宇宙通信、大気モニタリング、生化学センシング、スペクトル分析などの分野で幅広い応用展望と市場需要を持っています。高性能かつ多様化したテラヘルツ検出技術の研究を行うことは、科学的意義が大きいだけでなく、国の重要な情報インフラと社会経済の発展にとって大きな戦略的意義と経済的、社会的利益をもたらします。したがって、室温で単位面積あたりの低電力密度空間構造テラヘルツ信号の高感度応答と時間周波数検出をどのように達成するかは、常にこの分野における最先端の研究ホットスポットの 1 つとなっています。しかし、テラヘルツデバイスの製造においては、高精度、低コスト、制御性、大量生産といった問題が残っており、早急に解決する必要があります。

最近、聊城大学の張炳元教授と宋奇准教授のチームは、厦門理工大学の林紅毅准教授と共同で、ワイル半金属膜で覆われた3Dボウタイ構造アレイを備えたテラヘルツ波検出器を設計し、外部光場を適用することで性能向上を実現しました。研究チームは、Mofangの精密投影マイクロステレオリソグラフィー（PμSL）技術とnanoArch®S130（精度：2μm）3Dプリント装置を使用して、低コストで高精度の微細構造アレイの作成を実現し、デバイス上に高品質のWeyl半金属膜を準備して、高感度、低等価雑音電力、広い有効検出面積を備えたテラヘルツ波検出器を実現しました。この作製方法により、非冷却型高感度大面積テラヘルツ検出器の感度が外部場によって高められるという課題を解決し、さらに表面投影マイクロステレオリソグラフィー（PμSL）技術を使用して6G帯域の非冷却型高性能テラヘルツ検出器を作製できる可能性を検証しました。

関連する結果は、「レーザー励起によって強化された 3D Bowtie マイクロアレイテラヘルツ検出器」というタイトルで IEEE SENSORS JOURNAL 誌に掲載されました。

図 1 デバイスの設計と特性。(a) WTe2 膜の厚さ。(b) 膜のラマンスペクトル。(c) および (d) X 線光電子分光法 (XPS) の結果。(e) 3D プリントされたデバイスの画像。L1 = 0.188 mm、L2 = 0.020 mm。
本論文では、主に、表面投影マイクロステレオリソグラフィー (PμSL) 技術によって製造されたボウタイアレイ構造に基づき、レーザー励起によって検出能力を強化した、新しいタイプの非冷却制御可能テラヘルツ検出器を紹介します。この検出器は室温で動作し、応答時間が速く、感度が高いという特徴があり、6G通信やテラヘルツレーダーなどの分野に適しています。

図2 レーザー励起の有無による0.1 THzでのデバイスの検出性能（光電流、暗電流、ノイズ特性、RV、NEP、D*）

図 2 からわかるように、0.1 THz でのさまざまな電圧での RA、NEP、D* の検出効果です。検出器が冷却なしでも高い性能を維持できる主な理由の 1 つは、局所表面プラズモン効果です。 50 V では NEP は 50 pW/Hz1/2 で、これは Golays 検出器 (140 pW/Hz1/2) の約 3 分の 1 であり、冷却された市販のショットキーダイオード (15.2 pW/Hz1/2) の 3 倍にすぎません。さらに、図 2 は、外部レーザーの影響により、感度が 0.30 MV/W から 0.54 MV/W に増加し、NEP が 92pW/Hz1/2 から 50pW/Hz1/2 に減少し、それぞれ 80% と 45.6% の性能向上が見られることも示しています。この増強効果は、主に、照射されたレーザーによってデバイス表面のキャリア濃度が増加することによって生じます。これらの結果は、光場の存在により THz 検出器の検出効率が大幅に向上し、検出性能を向上させるための重要なアプローチとなることを示しています。
図 3 ボウタイアレイのシミュレーション結果。(a) グラフはデバイス表面の電流密度分布と方向を示しています。(b) デバイスの表面電界分布。
テラヘルツ波がデバイスの表面と相互作用すると、サブ波長微細構造は局所的な表面等励起子効果により、テラヘルツ波をその周囲に閉じ込める能力を持ちます。その結果、テラヘルツ波は蝶のアレイの周囲、特に蝶の先端に集中し、より強力なテラヘルツ場が形成されます。これにより、テラヘルツ波とデバイス間の相互作用が大幅に強化されます。さらに、表面電流分布は、蝶型構造の周囲のキャリア移動度が大きいことを示しています。これは主に、設計において Z 方向にマイクロキャビティが設定されていないためです。

この論文の革新性には主に以下の側面が含まれます。

新しい構造設計: 非マイクロキャビティのボウタイ構造を使用して、検出効率と応答時間のバランスをとります。この構造は、3 つの空間軸すべてでサブ波長アレイを維持し、Z 軸方向のマイクロキャビティ構造を排除することでキャリア転送速度を高め、応答時間をさらに改善します。材料の選択: 熱ノイズを低減し、デバイスのサイズを縮小するために、検出器のアクティブ層としてワイル半金属が選択されます。ワイル半金属は、独特の表面プラズモン効果と優れたキャリア移動度を備えています。レーザー励起: 520nm 連続波 (CW) レーザーを使用して検出器表面に照射し、表面キャリアの移動度を高めて、検出器の検出性能を向上させます。このアプローチにより、テラヘルツ感度が 80% 向上し、ノイズ等価電力 (NEP) が 45.6% 削減されました。投影型マイクロステレオリソグラフィー（PμSL）技術：超高精度3Dプリント技術（PμSL）を使用して微細構造を製造します。この技術は高解像度と高い複製性を備えており、複雑な3次元マイクロナノ構造の製造に適しています。外部レーザー場刺激下では、検出器の応答時間は 980 ミリ秒から 50 ミリ秒に大幅に短縮され、高速応答能力を示します。

応用展望：この検出器は0.1THz周波数で優れた検出性能を持ち、有効検出領域は10mm×5mmで、実用的なアプリケーションに適しています。同時に、その広帯域吸収能力は、将来の6G通信技術への応用にとって良い前兆となります。

全体として、この研究は、特に6G通信やテラヘルツレーダーなどの高周波アプリケーションでの潜在的な応用に向けて、高性能テラヘルツ検出器の設計と製造に新しいアイデアを提供します。最も重要なのは、投影型マイクロステレオリソグラフィー（PμSL）技術が、信頼性が高く、低コストで、繰り返し可能で効率的な処理方法であり、6Gデバイスの研究開発に積極的な役割を果たしていることです。

オリジナルリンク:
https://doi.org/10.1109/JSEN.2024.3385537

PμSL に基づく 6G 向け非冷却ボウタイアレイ光増強テラヘルツ検出器

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