太赫兹波是一段频率介于红外波和毫米波之间的电磁波,由于其频段的特殊性,太赫兹波综合了光学和微波电子学的特性。太赫兹技术在雷达、通信、无损检测、生物医学和环境检测等众多领域具有广阔的应用前景。对太赫兹光源和太赫兹探测器的研究是当前推进太赫兹技术发展的两大关键因素。受限于目前较弱的太赫兹光源辐射功率,太赫兹波的探测灵敏度就显得尤其重要。室温下工作的太赫兹波探测器灵敏度的提升对推进太赫兹波的应用有很重要的意义。本文结合太赫兹场效应混频模型,以提高基于AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管的太赫兹混频探测器的光学和电学灵敏度为研究目标,通过增强太赫兹天线因子和提升光学耦合效率等方式提高了太赫兹混频探测器的响应度,通过非相干太赫兹宽谱探测以及局域电场的表征验证混频模型的正确性。主要内容和结果如下:1、研究了各天线参数对太赫兹混频探测的影响。以基于准静态模型的太赫兹自混频探测机理为基础,对基于高电子迁移率晶体管的太赫兹混频探测器的外差探测机理进行了阐述。对太赫兹探测器天线的作用进行了分析,得到各参数对探测器响应度的影响。其中天线的长度和宽度主要调控探测器的探测频率,天线间距主要影响沟道内混频电场强度,栅极长度主要调控沟道跨导。通过对天线参数进行针对性的优化改善,将室温下探测器的灵敏度提升一个数量级,室温下噪声等效功率达到10 pW/Hz0.5以下。2、设计天线尺寸,利用多个探测器组合的方式将探测器的探测频段覆盖至0.1-1 THz。本文采用FDTD方法设计天线尺寸,针对不同的太赫兹波传输的大气窗口设计最优天线尺寸,通过不同探测器天线的组合实现对0.1-1 THz太赫兹波的探测,弥补了单个太赫兹天线由于有限的带宽无法实现对太赫兹波的全覆盖探测的缺陷。3、研制了太赫兹探测器组件。通过仿真,得到太赫兹波在超半球硅透镜和喇叭波导内的传输特性和电场分布特性,提炼出最优集成参数,并将太赫兹探测器与硅透镜或喇叭波导进行集成形成太赫兹组件,有效提升了太赫兹探测器对入射太赫兹波的有效吸收率,探测器的灵敏度提升至30倍。同时探测器和此类元件的集成还可以消除太赫兹响应中由芯片衬底厚度引起的干涉效应。探测器组件集成放大电路形成探测器模组,探测器模组的响应度可达到kV/W数量级,同时模组小巧便携,方便使用。4、利用太赫兹天线耦合的场效应沟道中的局域太赫兹混频电场,对太赫兹场效应混频探测器的局域电场进行表征。利用超半球硅透镜对太赫兹波的汇聚以及源漏电场对沟道电子气的调控,实现探测器对太赫兹波的局部响应。得到的探测器中太赫兹响应分布和场效应混频模型相吻合,直接验证了理论模型的正确性。同时揭示出当前探测器结构存在不足:当入射光斑只能辐照到探测器的局部时可能会出现反相响应信号,不能正确反映被测光源的信息,为后续探测器结构优化提供依据。5、首次实现了场效应混频探测器对非相干太赫兹光的探测,验证了场效应探测器不仅可探测连续相干太赫兹波,而且可探测非相干宽谱太赫兹波。利用0.34 THz、0.65 THz和0.9 THz多个频段的场效应太赫兹探测器,在液氮环境下实现了对900 K黑体辐射的非相干太赫兹波的探测和成像演示。本文通过对器件模型进行分析,表征了各参数对器件性能的影响,并通过研究得到了最优的参数值。结合超半球硅透镜和喇叭波导的集成,场效应晶体管太赫兹探测器在室温的光学噪声等效功率可以达到10 pW/Hz0.5以下。实现了场效应探测器对非相干太赫兹波的探测,表征了探测器的宽谱特性。实验演示了探测器对入射太赫兹波的局域响应,不仅验证了混频理论模型,还揭示出当前探测器结构的设计缺点,为后续探测器优化提供依据。