Adv. Photon. | 量子超表面：迈向高灵敏太赫兹探测

Advanced Photonics 2026年第2期：

Ruqiao Xia, Matthew Tan, Harvey E. Beere, Jonathan P. Griffiths, David A. Ritchie, Wladislaw Michailow, "Quantum metasurface-based photoelectric tunable-step terahertz detector," Adv. Photon. 8, 026011 (2026)

太赫兹波位于微波与红外之间，在成像、传感、通信等领域具有重要应用前景。然而，长期以来，1-3 THz频段器件性能普遍受限，在这一频段内同时实现高灵敏度、低复杂度和良好集成性的探测仍然面临挑战，因此该频段也常被称为“太赫兹空隙”。 现有太赫兹探测方案中，高频端多依赖光子型探测机制，低频端则主要采用肖特基二极管、场效应晶体管等电子器件，而在1-3 THz范围内实现高性能直接探测仍较为困难。近年来，基于二维电子气体系的面内光电效应（IPPE）为太赫兹直接探测提供了新思路。该机制已在弓形天线、偶极天线等光电可调台阶（PETS）探测器中展现出较高的响应性能，显示出二维电子系统在太赫兹探测中的应用潜力。不过，现有器件多采用单天线结构，这类器件受限于受光面积和辐射耦合效率，探测时往往仍需依靠透镜耦合、阵列拼接等外部增强手段，在性能、结构和集成度方面仍有优化空间。

针对上述问题，英国剑桥大学和斯旺西大学的研究人员提出了一种“自上而下”的量子超表面PETS探测器设计，将超表面的高效辐射约束能力与IPPE探测机制相结合，在器件层面实现了辐射收集、局域场增强与光电转换的一体化优化。该方案兼具高响应、零偏工作、结构可扩展、易于安装以及与晶体管工艺兼容等优势，为高性能、可集成太赫兹探测器的发展提供了新的技术路径。相关成果以“Quantum metasurface-based photoelectric tunable-step terahertz detector”为题，发表在Advanced Photonics 2026第2期。

为提升太赫兹辐射的光电转换效率，研究团队首先从探测机制入手，构建了基于二维电子气的面内光电效应（IPPE）探测方案。在这一机制中，两个施加不同偏压的栅极可在通道中形成势垒台阶，当太赫兹辐射入射后，电子在势垒附近发生面内光电跃迁，从而产生净电子流，实现光子到电流的直接转换（图1）。与传统需要额外动量匹配的探测机制相比，IPPE无需复杂的动量补偿结构，因此展现出更大的太赫兹直接探测潜力。

图1 探测机制的物理原理示意图

在明确探测机制之后，团队进一步从器件结构层面提升辐射耦合效率，选用了与PETS原理兼容的brickwork（砖墙型）超表面。该结构可在每个亚波长窄缝两侧施加不同栅压，使窄缝区域同时具备局域场增强和独立探测功能，从而将辐射收集与光电探测集成于同一结构中（图2）。在此基础上，研究人员将超表面集成到GaAs/AlGaAs高电子迁移率异质结构上，并结合特殊的台面刻蚀设计，将二维电子气划分为交错连接的条带结构，使各探测单元产生的光电流能够在源漏回路中并联叠加，进一步提升整体输出信号。

图2 采用砖墙型超材料的MetaPETS探测器结构示意图

为进一步兼顾局域场增强能力与整体光电流输出，团队又对器件的关键几何参数进行了系统优化。研究人员结合材料结构、器件显微表征以及二维电子气平面附近的电场分布，系统分析了单元周期、缝隙尺寸和电容宽度对器件性能的影响（图3、图4）。综合比较后，团队最终确定的最优结构参数为：电容宽度3 μm、缝隙尺寸0.2 μm、单元周期38.5 μm×17.5 μm，并据此完成器件制备。最终得到的金属阵列尺寸为 154 μm×150 μm，包含4×9个超表面单元。

图3 器件材料与电场分布示意图

图4 不同参数条件的数值仿真结果

为评估MetaPETS器件的太赫兹探测性能，研究团队将制备好的器件置于10 K液氦低温环境中，并采用工作频率为1.881 THz的量子级联激光器进行照射测试。实验结果表明，该器件能够对太赫兹辐射产生明显响应：在栅压分别为+0.76 V和−0.095 V时，可获得22.7 nA的平均光电流；在单个QCL脉冲测试中，瞬时光电流可达0.8 μA，显示出良好的瞬态探测能力（图5a、图5b）。

图5 器件光电响应与电导测试结果

进一步的双栅压测试表明，器件在最优工作点，即栅压分别为+0.79 V和−0.10 V时，可获得最高23.12 nA的源漏光电流，四端电阻约为0.36 kΩ（图5c、图5d）。结合Golay池扫描和绝对功率计标定结果，团队计算得到该器件在1.9 THz下的外部电流响应率为2.7A/W，外部量子效率达到2.1%，表明该量子超表面结构能够有效提升太赫兹辐射收集与光电转换能力。

在噪声性能方面，由于器件工作在零源漏偏压条件下，无需额外偏置源，因此有助于降低系统噪声。基于Johnson-Nyquist噪声模型估算，器件的噪声等效功率（NEP）约为0.39 ，对应探测率约为3.94×10¹⁰ Jones，说明其具备较强的弱信号探测能力。与此前报道的弓形天线和偶极天线PETS器件相比，该MetaPETS探测器实现的2.7A/W响应率提升超过20倍；此外，器件在29 K时仍可保持约10 K条件下光电流响应的三分之一，显示出向更高工作温度拓展的潜力。

针对传统太赫兹探测器在1-3 THz频段响应率有限、辐射耦合效率不足以及器件结构难以兼顾高灵敏度与可扩展性的痛点，研究团队提出了一种基于量子超表面的光电可调台阶太赫兹探测器。该工作将砖墙型超表面与面内光电效应相结合，实现了辐射收集、局域场增强与光电转换的一体化设计，在1.9 THz、10 K、零源漏偏压条件下获得了2.7A/W的外部电流响应率和2.1%的外部量子效率，展现出优异的弱信号探测能力和良好的工程实现潜力。

未来，随着该类量子超表面探测器在材料平台、器件结构和片上集成方面的进一步优化，器件的工作温度上限、探测灵敏度和系统集成度有望进一步提升。特别是结合AlGaN/GaN等更高温材料体系，以及片上放大器、复用器等读出模块后，该器件预计将在太赫兹成像、光谱分析、无线通信和片上传感等领域展现更广阔的应用前景。

作者团队介绍

Wladislaw Michailow 剑桥大学

主要研究方向：太赫兹科学与技术，光与物质相互作用

Wladislaw Michailow现任剑桥大学三一学院青年研究员，他长期从事半导体器件中经典与量子物理现象研究，关注层状材料、自组装量子点和二维电子气等体系，在太赫兹探测器、调制器及相关光学技术开发方面开展了多项工作，并参与英国EPSRC““ TeraCom ””项目，致力于未来高速太赫兹通信技术的发展。

个人简介链接：

https://www.sp.phy.cam.ac.uk/directory/wmichailow

David A. Ritchie 剑桥大学

主要研究方向：III-V族半导体物理，光学结构

David A. Ritchie，剑桥大学实验物理学教授、罗宾逊学院研究员、斯旺西大学半导体科学与技术教授，英国物理学会会士、威尔士学会会士和欧洲科学院院士。David教授长期深耕III-V族半导体物理及低维电子、光学结构研究，在材料外延生长、器件制备和性能测量方面享有较高声誉。迄今他在 Nature、Science 等顶级期刊合作发表论文1200余篇，引用超63000余次，H指数110, 在半导体材料、低维电子结构及相关器件研究领域具有重要影响力。

个人简介链接：

https://www.sp.phy.cam.ac.uk/directory/dar11