太赫兹波段在电磁光谱中的位置处于毫米波和红外之间，太赫兹波具有很多独特的性质，例如高透性、低能量和选择吸收性等。因此，太赫兹波在安防、医疗、食品安全和通信等领域具有广泛的应用前景。但是，目前商用化的太赫兹应用仍屈指可数。缺少高功率、低成本、小体积和宽调谐的太赫兹发射源明显地制约着太赫兹技术的发展与应用。太赫兹发射源和太赫兹检测器的发展成熟度直接影响着太赫兹技术的应用范围。　　本论文探索一种基于AlGaN/GaN二维电子气等离激元的小体积、高效率和宽调谐的太赫兹发射源。针对目前国际上等离激元太赫兹发射源的效率普遍较低的问题，提出两种提高发射效率的方法。一是，构筑光栅和法布里-珀罗(Fabry-Pérot)谐振腔相结合的等离激元器件，等离激元模式和谐振腔光子模式共振并强耦合，形成既是等离激元又是太赫兹波的等离极化激元模式，提高等离激元-太赫兹波的转换效率。二是，通过栅极将隧穿电子垂直注入到二维电子气中，利用低能量隧穿电子的能量弛豫激发等离激元，避免声子的激发，提高注入电子激发等离激元或等离极化激元的效率。在栅极电压调控的太赫兹发射光谱中，观测到了等离激元与太赫兹谐振腔模式强耦合产生的等离极化激元模式，并发现了低能量隧穿电子激发等离激元和太赫兹波的高效特性。论文工作表明电注入激发二维电子气等离激元太赫兹发射具备高效率的能量窗口，是进一步发展高功率等离激元太赫兹光源的必要条件。论文的主要研究结果和创新性包括以下几个方面:　　1.基于光栅耦合的AlGaN/GaN二维电子气，实现了栅控的等离激元太赫兹发射;基于光栅与太赫兹谐振腔耦合的AlGaN/GaN二维电子气，实现了栅控的等离极化激元太赫兹发射，发射谱线可通过太赫兹谐振腔的尺寸和光栅尺寸进行调节，耦合强度和拉比（Rabi）频率分别达到45 GHz和73 GHz。　　2.利用栅极注入的隧穿电子的能量弛豫高效激发等离激元发射。在隧穿电子能量从4.5 eV减小到0.5 eV时，相应的发射效率从10-6增大到10-1，即在栅极电压较小时具有较高的激发效率。随着栅极电压的增加，隧穿电子能量增强，驰豫产生的光学声子相对增多，因此高场下的发射效率逐渐降低。国际上通常使用的源漏电流激发二维电子气需要较强的源漏电场对电子进行加速，不可避免地产生强烈的声子激发，太赫兹发射效率在10-6-10-4之间。　　3.实验研究了国际上提出的基于“浅水波”等离激元失稳和史密斯-帕塞尔(Smith-Purcell)效应产生太赫兹发射的方案。实验发现由于这两种方案均需要通过源漏电场加速二维电子气达到或超过费米速度，因此不可避免地产生强烈的电子气加热和晶格加热，很难实现基于这两种方案所预测的高效太赫兹发射。　　4.提出了一种宽光谱太赫兹探测器的校准方法，包括了分别改变黑体辐射源温度和改变黑体辐射源至探测器距离的校准步骤，准确地获得了4.2K硅辐射热太赫兹探测器的响应度。校准硅辐射热太赫兹探测器是进行等离极化激元太赫兹器件测试的必要工作，准确的响应度对于定标光源器件的发射功率和效率至关重要。　　虽然利用光栅-谐振腔器件成功实现了高效的等离激元太赫兹波发射，并实现了栅极电压对发射模式的调控，但是仍有以下几个关键问题有待进一步的研究，才能使等离激元太赫兹发射源成为一种实用化的太赫兹光源:受有限的栅极注入电流密度(10-7-10-2 A/cm2)限制，太赫兹发射功率较低(＜100nW);受等离激元损耗高和太赫兹谐振腔品质因子低的影响，发射谱线宽度较宽(～47 GHz);光源器件仍需在低温下工作，最高工作温度约为200 K。　　在后续的研究中，可通过以下途径解决上述问题。首先，在保持隧穿电子低能量的前提下，提高有效的注入电流密度增强发射功率。为此，需要设计一种具有高效隧穿注入的材料与器件结构，例如共振隧穿结构。其次，引入具有高反射率的分布式布拉格反射镜(DBR)提高太赫兹谐振腔的品质因子和发射的相干特性。最后，进一步通过减薄法布里-珀罗谐振腔的厚度，减少谐振腔的模式数目，获得谐振腔模式和等离激元模式的超强耦合作用，获得更加有效的发射模式的调控和可能的等离极化激元太赫兹波激射，并获得更高的工作温度。