硅基太赫兹与红外探测器研究

发布时间：2020-11-08 16:13

　　 探测器的研究是红外(IR)与太赫兹(THz)领域的一个重要基础内容,红外与太赫兹探测技术在成像,生物医疗,大气遥感等领域的快速发展对探测器件提出了更高的要求,室温工作、响应速度快,灵敏度高,便于集成的红外与太赫兹探测器件是目前亟需发展的方向。本文围绕课题组提出的新型太赫兹探测机理-电磁诱导势阱(EIW)机理,基于硅基材料制备了金属-半导体-金属(MSM)结构的太赫兹光电探测器件,室温下实现了对微波以及太赫兹波段的宽波段快速响应,并展现了优异的器件性能。此外,首次提出了一种基于锰钴镍氧(MCNO)热敏材料和能够增强器件吸收效率的介质-金属-介质吸收结构的室温宽波段红外热探测器。主要的内容和创新点如下:(1)为进一步发展电磁诱导势阱探测机理的普适性以及实现太赫兹器件的光电集成,本文首次考虑将硅基材料应用于电磁诱导势阱理论。器件结构简单,易于COMS工艺兼容,这为实现高灵敏、可室温探测太赫兹阵列器件提供了新的方向和研究方法。(2)基于具有SOI结构的P型硅材料,通过半导体工艺制备了尺寸较小的具有金属-半导体-金属结构的硅基探测器,并搭建了太赫兹测试系统对器件的响应率、等效噪声功率和时间常数等性能参数进行表征。硅基探测器实现了宽波带探测以及展现了优异的器件性能,在微波波段(20-40 GHz)器件的响应率为49.3kV/W的响应率和0.38 pW/√Hz的等效噪声功率(NEP),在亚太赫兹波段(0.165-0.173 THz)实现了3.3 kV/W的响应率以及5.7 pW/√Hz的NEP值,器件的响应快速,时间常数为810 ns.(3)锰钴镍氧材料对入射红外窗口波段的吸收率不高,在宽波段范围内具有选择性。因此,基于MCNO热敏材料,本文首次设计并制备了介质-金属-介质(Si_3N_4/NiCr/SiO_2)吸收层结构,增强了MCNO薄膜3-14μm红外透明范围内的光吸收,提高MCNO红外器件的性能。(4)通过磁控溅射法和化学溶液法制备得到性能较好的MCNO薄膜,首先进行薄膜的结晶性以及形貌的XRD和SEM测试分析,MCNO薄膜具有良好的结晶性以及负温度系数;然后再制备成具有吸收结构和无吸收结构的探测器,通过对MCNO薄膜器件进行响应率、噪声、时间常数以及探测率的性能测试实验可以发现,与无吸收结构的探测器相比,有吸收结构的探测器的黑体响应率、探测率性能都有明显的提升。
【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】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN215;TN36
【部分图文】：

第 1 章 引言第1章 引言由于半导体技术的发展和进步，太赫兹波越来越受到人们的关注。太赫兹波于红外和微波之间的电磁波，在电磁波谱中的位置如图 1.1 所示，其频率范常被认为是在 0.1-10 THz（3 mm-30 μm）之间，还有的通常认为是在 0.1z-30 THz（3 mm-10 μm）之间[1, 2]。1 THz 的电磁波辐射对应的能量约为 0.4，与之对应的黑体温度约为 10 K. 这意味着任何物体在高于 10 K 的温度下射太赫兹，这使得太赫兹波在探测领域具有广阔的应用前景。

硅基太赫兹与红外探测器研究统和英国 Thurvision 公司研制的 T4000/T5000 的无源太赫兹成像系统应用到许多机场和地铁站等场合；太赫兹波段的频率比较高，其通信具好，安全性高，携带信息量大等特点，日本的 NTT 公司研制的 0.12 T信技术，其传输速率达到了 10 G bit/s[22]；太赫兹波段是许多生物大分A、RNA 分子振动和转动能级的特征频谱波段，因此可以利用太赫兹频这些生物大分子内部的分子作用来获取物质内部的复杂结构[23, 24]。

有合适的放大器，所以探测到的信号被传输到更低的频率（1-30被低噪声放大器放大。基本上，这些系统是选择性的（窄带）测接探测信号的探测器基本上用于紫外，可见，红外，亚毫米和技术视觉系统。太赫兹直接探测的原理如图 1.3 所示，探测器率 WS的和背景辐射功率 WB，同时使用具有聚焦作用的光学器，喇叭等）收集大面积的辐射信号，将信号聚焦到探测器上。前放置一个光学滤波器，用来去除所需的信号波长之外的背景探测到的小信号经过前置放大器放大，并且进一步处理生成的信统的优点是结构设计相对简单，易于器件阵列集成。大多数成接检测。
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本文编号：2875018