高速太赫兹探测器

《高速太赫兹探测器》由会员分享，可在线阅读，更多相关《高速太赫兹探测器（19页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、高速太赫兹探测器张真真;黎华;曹俊诚【摘要】太赫兹(terahertz,THz)技术在高速空间通信、外差探测、生物医学、无 损检测和国家安全等领域具有广阔的应用前景能响应1 GHz调制速率以上THz光 的高速THz探测器是快速成像、THz高速空间通信、超快光谱学应用技术和THz 外差探测等领域的核心器件传统的THz热探测器难以实现高速工作，而基于半导体 的THz探测器在理论上可实现高速工作光导天线具有超快的响应速度，可实现常温 和宽谱探测;肖特基势垒二极管混频器、超导-绝缘体-超导混频器和超导热电子混 频器具有转换效率高、噪声低等优点，可用于高速THz空间外差和直接探测;基于高 迁移率二维电子

2、气的天线耦合场效应晶体管灵敏度高、阻抗低,可实现常温高速 THz探测;THz量子阱探测器是一种基于子带间跃迁原理的单极器件,非常适合高频 和高速探测应用,亚波长金属微腔耦合机理可显著提高器件的工作温度及光子吸收 效率.本文对上述几种高速THz探测器进行了综述并分析了各种探测器的优缺点.期刊名称】 物理学报年(卷),期】 2018(067)009【总页数】13页(P1-13)【关键词】 太赫兹;高速探测;混频器;量子阱探测器【作 者】 张真真;黎华;曹俊诚【作者单位】 中国科学院上海微系统与信息技术研究所, 中国科学院太赫兹固态技 术重点实验室, 上海 200050;中国科学院大学,北京 100

3、049;中国科学院上海微系 统与信息技术研究所, 中国科学院太赫兹固态技术重点实验室, 上海 200050;中国 科学院上海微系统与信息技术研究所, 中国科学院太赫兹固态技术重点实验室, 上 海 200050【正文语种】中 文1引言太赫兹(terahertz,THz)波通常是指频率为100 GHz10 THz,相应波长在3 mm30pm内,介于毫米波与红外光之间的电磁波1.THz波在电磁波谱中占有特 殊的位置,处于电子学向光子学的过渡区域,其长波端与亚毫米波相重合,而短波端与 远红外波段相重合2.THz波与其他频段的电磁波相比，具有许多独特的优点:THz 波可以穿透塑料、衣物、纸张等材料,但对

4、生物体没有伤害,可以用于无损生物探测 成像；THz波对于许多毒品和爆炸物的粉末都具有独特的特征谱，可以用于毒品爆炸 物的安全检测等3,4.此外,THz技术在信息通信技术领域、生物医学、太空探测以 及全球性环境检测领域都具有非常广泛的应用潜力.特别是近年来超材料的发展,为 人们填补这一“THz空隙”提供了有力的技术支持，从而可以对THz应用进行更积 极深入的探索5-7.基于各种几何结构的微型谐振腔阵列,可以把自由空间传播的 电磁波限制在亚波长尺寸甚至纳米尺寸的体积内.这个特性被用于高效表面检测,超 低暗电流量子阱探测器、调制器,以及超强光与物质相互作用的研究8.高速THz探测器是快速成像、高速空

5、间通信、超快光谱学应用技术以及外差探测 的核心部件传统的THz探测器大多数基于热效应，所以很难实现探测器高速工作. 而基于半导体的THz探测器由于载流子弛豫过程快，在理论上被认为是可以实现高 速工作的.但是在实际器件结构中,受限于载流子渡越时间、载流子本征弛豫时间以 及器件电阻-电容(RC)电路，很难实现1 GHz以上调制的THz光探测.THz光导天线 是一种具有超快响应速度的常温宽带探测器,在时域光谱系统中,常用来做快速成像 和成谱的探测;用于航空航天和大气物理探测的超导热电子测辐射热仪(superconductive hot electron bolometer,SHEB )混频器,即基于

6、热电子效应的 平面超导薄膜混频器，其频率已经由毫米波扩展到几太赫兹9;基于GaN/AlGaN异 质结等准二维电子气和石墨烯二维电子(空穴)气的天线耦合场效应晶体管( field e ff ect transistors,FET)探测器，具有低阻抗和高灵敏度的优点，非常适合THz波段的 室温高速高灵敏度探测及大面积快速焦平面阵列成像10-12.THz量子阱探测器(quantum well photodetector,QWP)已被证明是一种超快和 高灵敏度的光电探测器13-15.这种器件是红外量子阱探测器(quantum well infrared photodetector,QWIP )在THz

7、波段的自然扩展，其利用半导体量子阱超晶 格(一般是n型掺杂的GaAs/AlGaAs)中的子带间跃迁吸收来产生光电流光耦合方 式是影响红外QWIP和THz QWP性能的一个关键因素16,17.好的耦合方式可以 抑制器件的暗电流，优化器件的响应率、极化灵敏度以及BLIP(background- noiselimited performance,背景辐射电流为主导的工作模式)工作性能18,19 将 双面金属微腔结构与THz QWP相结合，不仅可以满足子带间跃迁选择定则20,实 现光的正入射耦合，还可以提高器件的响应率和工作温度本文综述了 THz宽带光导 天线、肖特基势垒二极管(Schottky ba

8、rrier diode,SBD)混频器、超导-绝缘体-超 导(superconductorinsulator-superconductor,SIS)混频器、SHEB 混频器、基于 天线耦合的FET和THz QWP的原理及最新进展，分析了以上THz探测器在高速应 用中的优势及不足.2 THz光导天线光导天线是目前THz波段最重要的常温探测器之一第一个飞秒激光抽运的皮秒级 超短脉冲激光器的研制21,使得用光电导方法22和电光方法23产生和探测THz 波得到了很好的发展24-26典型光导开关的结构如图1(a)27 所示，在半导体衬 底上，制作间隙为几微米的两个平行金属线，称为Grischkowsky

9、天线28.当飞秒激 光脉冲聚焦到天线阳极附近时,在半导体衬底内部就会有光生载流子产生,这些载流 子在电极之间的强电场作用下加速，向外辐射THz电磁波衬底背面的高阻硅透镜起 到光斑汇聚的作用.图1光导天线辐射源和(b)光导天线探测器示意图27Fig.1.Schematicdiagrams of(a)photoconductive emitter antenna and(b)photoconductive detector27.THz光导天线探测器(图1(b)的结构和原理均与辐射源类似:飞秒激光触发天线内 部产生光生载流子，入射THz辐射在天线两电极之间引入一个瞬态电场，当激光脉冲 在空间和时间上

10、与入射THz波的电场一致时，就会产生与入射电场成正比的光电流. 通过对激光脉冲进行延迟,就可以实时探测光导天线内部光电流的变化.THz成像29及光谱30技术中，时域光谱系统是最常用的探测系统31,32 在该系 统中,光导天线既可以作为THz源，也可以作为探测器其原理如图2所示，由飞秒激 光器发出的光被分为两束，一束打到光导天线上发出THz辐射,经两个离轴抛物面镜 反射及准直后,与另一束延迟了相位的激光一同入射到接收器上实现实时的成像及 光谱探测图2中可以用光导天线代替QWP,作为THz探测器.图 2 THz 时域光谱系统示意图33,34Fig.2.Schematic diagram of TH

11、z-time domain system33,34.光导天线的高频性能受到低温生长的GaAs(LT-GaAs)材料载流子寿命以及天线RC 电路产生的寄生电容及辐射电阻的限制35.Peytavit等36 在不降低光电导体量子 效率的情况下，减小了低温GaAs层的厚度利用双面金属结构制作了一个法布里-珀 罗谐振腔(F-P腔),得到了带宽为1 THz的光导天线混频器图3左侧所示为圆形微 腔的光导天线结构示意图，上下金属板与中间厚度为0.28pm的LT-GaAs材料组成 了一个双面金属介质微腔,腔的上表面通过空气桥与薄膜微带线喇叭天线或贴片天 线相连37.对不同厚度介质微腔的光导天线(图 3 右侧)进

12、行响应率计算和实验测试, 结果如图4所示在微腔介质层厚度小于0.5pm时，混频器的直流响应率大于0.1 A/W.由于THz波与介质腔中的等离子体波发生共振增强，使腔内电流密度可高达 50 kA/cm236.这种金属-介质-金属微腔结构的THz光导天线混频器,突破了 RC 电路寄生电容和寄生电阻对器件高频应用的限制,改善了经典平面结构光导天线在 高频应用中的性能.图 3 F-P 谐振腔光导天线示意图36Fig.3.Schematic diagram of the F-P cavity photoconductor antennas36.图4不同厚度LT-GaAs介质微腔光导天线的响应率理论计算及

13、实验结果图(其中红 色连续曲线为理论计算结果,紫色方框为实验数据;内插图为电子的弛豫时I间)36Fig.4.Theoretical(solid line)and experimental(in squares)reponsivities as a function of LT-GaAs layer thickness36.3 THz波混频器THz波的外差探测在地球大气研究领域具有非常重要的应用38,39.THz混频器可 以用于行星和彗星的大气层40以及生物医学成像等领域的研究41.外差探测的原 理是:当两个频率相近的电流在同一个非线性电路中拍频后,会产生一个新的和频、 差频或倍频的输出信号.对

14、外差探测器进行优化可以使其在不同频率进行探测,典型 的THz夕卜差探测器的拍频信号在几千兆赫兹文献33 详细介绍了外差探测系统的 原理.外差探测技术在远红外及毫米波段相对成熟,近几十年来逐渐向 THz 波段扩展. 这是由于THz信号可以向低频方向下转换，即使缺乏有效的高频放大器，依然可以实 现外差探测然而，在THz波段，只有少数几种探测器具有较高的转换效率和较低的 噪声34,这些探测器包括SBD混频器42、SIS混频器43和SHEB混频器等.SBD混频器是THz外差混频技术的一种基本元器件44 当金属和半导体紧密接触 时,在半导体表面就会形成肖特基势垒当THz电场在肖特基势垒中产生的电压足够

15、大时,半导体中的电子就会穿过势垒到达金属,从而产生响应电流,这就是SBD工作 的基本原理电子的渡越时间是影响SBD混频器超快特性的主要因素，因为电子必须 有足够的时间（THz电场的半个周期内）穿过耗尽区才能越过势垒此外，趋肤效应、 载流子惯性和等离子体共振等也会对工作在THz频段的SBD混频器产生较大影 响.SBD的截止频率定义为串联电阻与零偏压下结电容相等时的频率45,与其他二 极管不同的是，即使在截止频率以上,SBD也可以用来做混频46.THz波段SBD最 典型的芯片结构是如图54 7所示“蜂巢”（“Honeycomb”）结构48.这种结构 将几千个二极管集成在单个芯片上,可以使串联电阻和

16、并联电容之类的寄生损耗最 小化目前，基于二维超材料结构的SBD49,已经可以实时控制和调控THz辐射，其 结构如图6所示8随着先进半导体工艺的不断发展,SBD可以与许多无源电路元 器件（例如滤波器和波导等）集成在同一块电路板上（如图7所示34）,使SBD的高频 应用更加方便.图5 “蜂巢”结构SBD的扫描电子显微镜照片47Fig.5.Scanning electron microscopy image of GaAs Schottky barrier whisker contacted diode with honeycomb structure47.SIS混频器的结构如图8所示，两个超导电极中间有一层厚度约20 A的