场效应晶体管太赫兹混频探测器的场耦合机制和结构研究

发布时间：2020-04-03 11:30

【摘要】：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。
【图文】：

频谱,电磁波波谱,太赫兹波

波长为３０邋ｐａｎ邋＿邋３邋ｍｍ，光谱中对应波数为３．３３邋ｃｍ－１邋－３３３．３３邋ｃｍ－１，逡逑光子能量为０．４１３邋ｍｅＶ＿邋４１．３５７邋ｍｅＶ，黑体温度范围为９６５．６７邋ｍＫ－９６．５７邋Ｋ。在逡逑频谱中，太赫兹波介于微波和红外波之间，如图１．１所示。早期在不同研究领域逡逑太赫兹波段有不同的名称，在光学领域被称为远红外；在电子学领域，则称其为逡逑亚毫米波、超微波等［１］。直到上世纪八十年代中后期才被正式命名为太赫兹波。逡逑因为太赫兹波不完全属于传统的电子学频率，也不完全属于光学频率，早期因为逡逑缺乏有效的研究方法和研究设备，对太赫兹波的研究有限，形成了科学家口中的逡逑“太赫兹空隙”［２］。但正因为太赫兹波处于微波和红外波的过渡阶段，可以同时利逡逑用宏观经典理论和微观量子理论来对其进行探索。随着对太赫兹波研究的深入，逡逑发现太赫兹波有众多独特的性质，在高速通信，生物医学，无损检测，安检防护逡逑等众多领域有广阔的应用前景，，是国家安全和国民经济的一个发展机遇。逡逑Ｍｉｃｒｏｗａｖｅｓ逦Ｉ邋Ｖｉｓｉｂｌｅ邋Ｘ邋ｒａｙ邋ｙ邋ｒａｙ逡逑ＭＦ

太赫兹,热辐射计,热释电探测器,探测器

图１．２几种太赫兹热辐射探测器⑷热辐射计丨州（ｂ）热释电探测器丨５0１邋（Ｃ）氋莱探测器丨Ｍｌ逡逑者工作频率低于１邋ＴＨｚ，后者主要工作在１邋ＴＨｚ以上。非相干探测时利用超导动逡逑态电感探测器（ＭＫＩＤｓ）、超导相变边缘探测器（ＴＥＳ）和超导隧穿结（ＳＴＪ）检测逡逑器。ＴＥＳ利用太赫兹波辐照下超导薄膜温度与阻值的变化，形成电－热反馈，利逡逑用高灵敏的电流计（通常为ＳＱＵＩＤ）来记录检测电流的变化。ＴＥＳ的ＮＥＰ可以达逡逑到ｌ0－２Ｇ＼Ｖ／Ｈｚａ５，主要用于射电天文领域。目前最大规模的ＴＥＳ检测器阵列应逡逑用是安装在美国的ＪＣＭＴ邋（Ｊａｍｅｓ邋Ｃｌｅｒｋ邋Ｍａｘｗｅｌｌ邋Ｔｅｌｅｓｃｏｐｅ）望远镜上的ＳＣＵＢＡ２逡逑探测器阵列［５３］。ＭＫＩＤ太赫兹检测器是基于太赫兹辐照引起超导电子对密度的逡逑变化，进而导致超导薄膜制成的谐振腔的谐振频率的变化。此种检测器读出简单逡逑方便，便于形成大规模阵列。噪声水平与ＴＥＳ相当［５４］。ＳＴＪ利用准粒子在太赫逡逑兹光子的辅助下，隧穿过势垒，产生隧道电流。此探测器的检测速度快于ＴＥＳ和逡逑ＫＩＤ，可应用于高能光子检测中，可获得高分辨率光谱。目前ＳＴＪ探测器的噪声逡逑水平在邋１０＿１６邋Ｗ／Ｈｚａ５。逡逑
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN386

【相似文献】