新型太赫兹光电探测机理与探测器件研究

发布时间：2020-10-28 03:42

　　 太赫兹(Terahertz,THz)是电磁波谱中微波与红外波之间的部分。太赫兹波具有许多独特性质,在安检和医疗成像,危险品与有毒有害物质检测,生物医学研究,新一代通信技术和天文探测等方面表现出了广阔的应用潜力。太赫兹探测技术是太赫兹科学与技术领域的一个主要组成部分,是各种太赫兹应用的重要基础之一。近年来,多种太赫兹探测方式已经得到了广泛关注和深入研究,但发展可室温工作,响应灵敏度高,响应速度快,结构和制造工艺简单易于集成为线列和面阵的新型太赫兹探测器件依然是本领域的研究重点。针对上述问题,本文描述了一种可应用于室温高灵敏度太赫兹探测的新型强光电导效应机制,并基于此机制进一步推导了新型太赫兹探测器件的理论模型。随后我们基于窄禁带半导体材料铟镓砷(In_(0.53)Ga_(0.47)As)和锑化铟(InSb)制作了太赫兹探测器件,并搭建合适的测试系统对器件的响应性能进行了测试。此外,本文也对所制作的器件在室温太赫兹扫描成像领域的应用进行了初步探索。论文的主要内容和创新点如下:1.描述了课题组先前提出的新型强光电导效应机制,详细推导了基于这一机制设计和制备的太赫兹光电探测器件的理论响应率公式。这一机制本质上是利用光的波动性特征实现对光子能量远小于半导体禁带宽度的电磁波的探测,突破了基于光致跃迁效应的经典光电探测器件在太赫兹波段的应用局限性。2.基于提出的这一机制,采用三元窄禁带半导体In_(0.53)Ga_(0.47)As(IGA)薄膜材料和窄禁带半导体InSb材料,设计并制作了一批新型太赫兹探测器件;随后进一步优化器件设计,制作了对数螺旋天线耦合的IGA太赫兹探测器件。3.对上述两种太赫兹探测器件在室温下进行了响应性能标定,结果表明,IGA器件实现了噪声等效功率优于10~(-11) W/Hz~(0.5),响应时间常数约为10~(-5)~10~(-6) s的高灵敏度快速探测;InSb器件实现了噪声等效功率最低可达10~(-13) W/Hz~(0.5),响应时间常数约为10~(-5) s的高灵敏度快速探测。4.搭建变温测试系统,测试了IGA太赫兹探测器件在233~293 K温度区间内的亚太赫兹波段响应变化情况,以及InSb太赫兹探测器件在77~297 K温度区间内的亚太赫兹和太赫兹波段响应变化情况。通过将器件在变温条件下的响应变化情况与理论预测进行对比,并将标定得到的器件响应率与计算得到的理论值进行对比,进一步确认和发展了先前提出的新型强光电导效应机理。5.搭建了太赫兹扫描成像系统,使用制作的IGA太赫兹探测器件作为系统接收端,实现了对有机生物物体和金属物体的扫描成像,验证了器件在太赫兹成像领域的应用潜力。
【学位单位】：中国科学院大学(中国科学院上海技术物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN304;O441.4
【部分图文】：

第1章 引言在电磁波谱中，太赫兹(Terahertz,THz)是介于微波与红外之间的波段。太波通常被定义为频率范围在 0.1 THz ~ 10 THz，对应波长范围在 3mm ~ 30 μ间的电磁波[1-5]，频率为 1 THz 的电磁波对应波长为 300 μm，光子能量为 4.eV。太赫兹波的光子能量较小，通常远小于常见半导体材料的本征禁带宽度质能级宽度；地球大气对太赫兹波的吸收也非常强烈，这些因素都为太赫兹与技术的发展带来了严重困难。传统的微波或红外器件往往不能工作在太赫段，由于缺乏有效的产生和探测太赫兹波的手段，这一波段曾被称为“Teraheap”。时至今日，发展灵敏度高，响应速度快，可室温工作且结构简单易于集太赫兹探测器件依然是相关领域的研究热点问题[6-11]。

目前较多应用于安检和医疗成像的X光相比，太赫兹波的光子能量起电离辐射，对人体安全无伤；而和微波相比，太赫兹波的波长的成像空间分辨率更高。此外，太赫兹波不会与非极性分子发生相好；而水分子对太赫兹波的吸收非常强烈，可以利用不同性状的生不同导致其对太赫兹波的吸收和反射效率这一特点，通过太赫兹成物组织进行高灵敏度判断[20-28]。许多生物大分子的分子振动和转动兹频段内，通过对这些物质的太赫兹频谱分析，可以获取物质内部31]。太赫兹成像在生物医疗领域的应用已有很多研究。图 1.2 展示光纤扫描近场成像装置获得的人类乳腺组织照片，实现了对健康组的有效分辨[32]；图 1.3 展示了利用反射式太赫兹成像系统对小鼠皮度的实时监控，可以看到太赫兹成像结果直观地反应了烧伤组织的

图 1.3 通过太赫兹反射成像实时监控小鼠表皮组织的烧伤程度[33]Figure 1.3 In vivo study of the burnt wound on a piece of rat skin through reflective THzimaging1.1.2 太赫兹安检与有害物质检测
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本文编号：2859529