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作为人类尚未大规模使用的一段电磁频谱资源，太赫兹波有着极为丰富的电磁波与物质间的相互作用效应，不仅在基础研究领域，而且在安检成像、雷达、通信、天文、大气观测和生物医学等诸多技术领域有着广阔的应用前景。目前，室温微型的固态太赫兹光源和检测器技术尚未成熟，众多太赫兹发射-探测应用还处于原理演示和研究阶段。室温、高速、高灵敏度的固态太赫兹检测器技术是太赫兹核心器件研究的重要方向之一。
面向该前沿技术需求，本文展开基于高电子迁移率晶体管的太赫兹检测器研究。采用有别于基于单粒子态输运的电子学和基于量子能级间电子跃迁的光子学的传统方法，通过二维电子气中等离子体波（电子的集体激发）的调控进行太赫兹波的灵敏探测。该方法有望克服传统方法要求电子迁移率高、电子沟道长度短、器件杂散电学参数小或工作温度低的缺点，实现室温下的高灵敏度太赫兹检测。本文以GaN/AlGaN异质结中的高迁移率二维电子气为基础，以太赫兹天线和肖特基栅极为太赫兹电场和二维电子气沟道的调控手段，探索并揭示太赫兹波激发二维电子气产生等离子体波和太赫兹光电响应的物理机制，建立并优化检测器的物理模型，获得室温高速高灵敏度太赫兹检测器技术。本论文的主要结果为:
1.阐明自混频检测机制。检测响应度正比于场效应的跨导，正比于场效应沟道内太赫兹横向电场与纵向电场的乘积。建立准静态的天线耦合场效应自混频检测器模型，指出太赫兹横向电场与纵向电场及其相位在场效应沟道内存在空间分布，综合考虑场效应特性的空间分布能够给出检测响应特性的完整描述，克服国际上以往理论不适用于饱和区的缺点。
2.自混频机制的实验验证。设计制备多种太赫兹天线耦合的GaN/AlGaN场效应自混频检测器，通过测试分析验证了太赫兹天线设计和自混频检测器模型的准确性。获得了一种电容耦合的高效太赫兹天线设计方法。形成一种新颖的测试技术，获得了源漏电压和栅压的完整参数空间内的检测器特性，在国际上首次给出了在场效应沟道内存在太赫兹电场的空间分布不均匀性、横向电场的相位反转和局域反向的自混频电流的直接证据。
3.在天线耦合的三栅场效应器件中，同时观察到了自混频检测信号和低维等离子体波的共振信号。验证了Dyakonov-Shur的浅水波理论模型，为进一步设计基于该理论的太赫兹发射器件提供了实验指导。
4.利用太赫兹扫描近场探针，获得了电容耦合的太赫兹天线的近场特性，验证了天线的设计原理，为后续的FDTD天线优化提供了一种快速的实验验证手段。
5.实现了室温高灵敏度太赫兹检测器，探测频率达到0.8-1.1THz，电流响应度大于70mA/W，等效噪声功率小于40pW//(√Hz)。
本文的研究结果为发展基于高电子迁移率材料的场效应混频检测器和室温太赫兹应用技术提供了重要的前期研究基础。第一，可进一步开发室温高速高灵敏度的太赫兹检测器模组，为主动式太赫兹应用技术研究提供高品质核心部件。第二，拓展该检测器结构在外差混频接收机中应用，实现超高灵敏度的太赫兹接收机，为被动和主动式太赫兹成像、雷达和通信应用提供前端核心部件。第三，可开展较大规模的焦平面线阵列和面阵列检测器的研究，实现高空间分辨率的太赫兹成像。第四，结合石墨烯等新型高质量二维电子材料，可开展太赫兹检测器和发射器件的新原理和新结构的探索研究。