新型太赫兹探测物理及器件研究

发布时间：2017-05-23 18:11

  本文关键词：新型太赫兹探测物理及器件研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：太赫兹波(THz)探测是太赫兹物理及其应用领域的重要基础研究内容,太赫兹波探测技术在成像、遥感、安检、生物医学和通信等领域的日益发展对高性能太赫兹探测元器件研究提出了更高要求。室温工作、快速响应、探测灵敏度高,便于大规模阵列集成的太赫兹探测技术是目前太赫兹领域亟需发展的方向。本文围绕太赫兹波探测物理,提出了一种室温下的新型光电导性物理机制,并进一步导出了基于此机制室温下高性能太赫兹探测的理论模型。通过摸索半导体器件制备工艺,分别基于窄禁带半导体碲镉汞(Hg Cd Te)和铟镓砷(In Ga As)材料制作出了相应太赫兹探测器件。通过搭建多个测试平台,对器件进行了太赫兹波段性能测试。本文还初步探索了红外、亚太赫兹波段的被动扫描成像,实现了多频段兼容不同类型成像探测器的被动成像。此外,本文也对基于N-Ga Sb/n-In As Sb的异质结红外光子探测器进行了初步研究。主要内容和创新点如下:1.从电磁场的基本理论出发,结合亚波长金属-半导体-金属结构,提出了一种新型室温下的光电导性现象,该物理机制突破了传统带间跃迁、带内跃迁、杂质能级跃迁产生光电导率的限制,使得高效率低能量光子探测成为可能。2.基于窄禁带半导体碲镉汞(Hg Cd Te)材料,实验上制作并测试了不同尺寸金属-半导体-金属结构在不同入射电磁波频率下的光电导性,验证了室温下,由低能量光子所产生的光电导性机制。3.基于本文所提出的室温下光电导性机制,进一步导出了该机制用于太赫兹探测的物理模型。利用COMSOL和HFSS等软件对器件进行了相关定性和定量模拟计算。探索了窄禁带半导体Hg Cd Te和In Ga As器件制作工艺,制作出了基于该两种材料的太赫兹波段探测器件。4.搭建了器件性能测试系统,利用雪崩二极管源(IMPATT)等测试了器件响应性能。利用傅里叶光谱仪(FTIR)测试了器件在太赫兹波段频谱响应特性。获得了Hg Cd Te太赫兹探测器在太赫兹波段等效噪声功率(NEP)和探测率(D*)等参数,器件性能优于其它常用室温类型太赫兹探测器2-3个数量级,MCT器件响应时间至少优于1μs。5.初步探索了红外、亚太赫兹波段被动成像,利用摆镜扫描的被动成像系统,兼容不同类型的探测器(商用Ga As P-N结94 GHz探测器、商用热电堆探测器、自制Mn1.56Co0.96Ni0.48O4(MCN)测热辐射计和氧化钒(VO2)测热辐射计),实现了从红外波段到亚太赫兹波段的被动扫描多频段成像。6.初步探索了N-Ga Sb/n-In As Sb异质结红外光子探测器,实验制作并测试了器件在不同偏压,不同温度下的频谱响应,该器件表现出了基于Ga Sb吸收和In As Sb吸收的近、中红外双色室温光子探测性能。
【关键词】：太赫兹 光电导性 探测器 碲镉汞 铟镓砷 成像 异质结
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(上海技术物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN215
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-10
• 第一章 绪论10-31
• 1.1 太赫兹辐射特性及其应用12-17
• 1.2 太赫兹探测方法17-23
• 1.2.1 太赫兹光学和电学探测18-19
• 1.2.2 太赫兹直接和间接探测19-21
• 1.2.3 太赫兹热探测21-23
• 1.3 新型太赫兹探测23-26
• 1.4 太赫兹探测技术的比较26
• 1.5 本文研究意义与内容26-27
• 参考文献27-31
• 第二章 基于金属-半导体-金属结构的室温光电导性31-65
• 2.1 光子探测32-39
• 2.1.1 光电导型33-35
• 2.1.2 光伏型（PN结构, PIN结构）35-36
• 2.1.3 非本征光电导型36-37
• 2.1.4 肖特基结37-39
• 2.2 热探测39-41
• 2.3 光电导性理论模型41-45
• 2.4 理论计算45-50
• 2.4.1 载流子浓度改变 Dn与f的关系45-46
• 2.4.2 载流子浓度改变 Dn与a的关系46-47
• 2.4.3 载流子浓度改变 Dn与器件接收功率P的关系47-48
• 2.4.4 载流子浓度改变与半导体材料厚度d的关系48-49
• 2.4.5 极限情况49-50
• 2.5 基于碲镉汞材料的金属-半导体-金属结构50-62
• 2.5.1 材料表征及结构制备50-51
• 2.5.2 光电导性测试51-58
• 2.5.3 热效应影响58-60
• 2.5.4 COMSOL计算60-62
• 2.6 本章小结62-63
• 参考文献63-65
• 第三章 窄禁带半导体碲镉汞太赫兹探测65-86
• 3.1 探测理论模型66-67
• 3.2 窄禁带半导体碲镉汞太赫兹探测器件67-73
• 3.2.1 碲镉汞材料67-68
• 3.2.2 器件制备68-73
• 3.3 实验测试73-77
• 3.3.1 器件I-V特性测试73-74
• 3.3.2 器件电压响应测试74-76
• 3.3.3 频谱响应测试76-77
• 3.4 与其它类型器件截止频率比较77-81
• 3.5 COMSOL计算81-83
• 3.6 本章小结83-84
• 参考文献84-86
• 第四章 窄禁带半导体铟镓砷太赫兹探测86-98
• 4.1 材料结构设计和工艺制作86-91
• 4.1.1 材料结构86-87
• 4.1.2 器件制备87-91
• 4.2 器件测试91-95
• 4.2.1 器件I-V特性测试91-93
• 4.2.2 器件响应性能测试93-95
• 4.3 COMSOL分析95-97
• 4.4 本章小结97
• 参考文献97-98
• 第五章 红外、太赫兹成像初步研究98-109
• 5.1 成像系统设计98-100
• 5.2 成像相关理论计算100-101
• 5.3 成像探测器101-105
• 5.4 成像结果和讨论105-107
• 5.5 本章小结107-108
• 参考文献108-109
• 第六章N-GaSb/n-InAsSb异质结红外光子探测109-122
• 6.1 材料表征111-112
• 6.2 器件制备112-114
• 6.3 实验测试114-118
• 6.3.1 变温I-V测试114-116
• 6.3.2 黑体测试116
• 6.3.3 频谱响应测试116-118
• 6.4 光电流响应机制118-120
• 6.5 本章小结120
• 参考文献120-122
• 第七章 总结和展望122-124
• 7.1 总结122-123
• 7.2 展望123-124

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