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太赫兹探测器解密(一)——原理

太赫兹技术是近几年最热门的研究领域之一,一直以来因缺乏有效探测手段使得太赫兹技术的发展一直难以突破瓶颈。太赫兹探测器作为太赫兹技术的重要组成部分,一直以来备受科研人员的关注。传统意义上的太赫兹波是指频率在0.1-10 THz,见图1,对应的波长为3000 - 30 m,也称“T-射线”,而严格的定义应该是指频率为1-10 THz的电磁波。该波段的长波与毫米波有重叠,而在短波段与红外线有重叠,由于在电磁波谱中所处的特殊位置,与其他波段的辐射相比,具有许多独特的优点。与微波、毫米波相比,太赫兹的频率相对更高,产生的脉冲间隔也短,因此作为探测器而言其对时间具有更高的分辨率。与红外波段相比,太赫兹波则具有更大的波长,对于烟雾、沙尘等障碍物可轻易透过,因此如果应用于探测器,在恶劣气候条件下也可以有更宽的视场范围与更稳定的探测效果。而与高能X射线相比,太赫兹波的光子能量要小的多,所以不会破坏检测物。在很长的一段时间内,该波段被称作“太赫兹空隙”,主要原因在于缺乏有效的发生源与探测器使得人们对该波段电磁辐射的性质了解受限。

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图1 太赫兹波在电磁波谱中的频率分布[8]


太赫兹波区别于其他波段辐射的特点:

    1、光子能量低。因此不会对生物组织产生有害的电离,并且许多生物分子的振动频率在太赫兹波段,因此适用于生物组织的活检。

    2、太赫兹辐射对于一些特殊物质具有极高的穿透能力,比如脂肪、陶瓷、塑料等,因此该波段在污染控制、低浓度极化气体探测以及其他一些特殊领域都具有重要应用。

    3、太赫兹波段在大气中极易被水汽或CO2等气体所吸收,因此该波段的大部分区域在大气中是不透过的,基于该性质可应用于空间保密通信。对于通信领域的应用,太赫兹波段相比可见光与近红外具有更宽的通信带宽,相比于微波则具有更高的通信速率与安全性。

    4、太赫兹辐射的脉冲宽度只有皮秒量级,时域频谱测量的信噪比高达104,所以太赫兹波非常适合成像技术,并且太赫兹波的无线传输技术的速率高于微波辐射,极窄的脉冲宽度使得其背景噪声很小且不容易被干扰,在星际间通讯领域中有着重要的应用。


正是太赫兹波具有上述特点,其在基础研究、生物医学、安全检查、通信雷达以及射电天文等领域有相当重要的应用前景。美国政府甚至在2004年将THz科技评为改变未来世界的十大技术之一。


随着太赫兹辐射源如太赫兹量子级联激光器等的技术突破和快速发展,对高性能太赫兹探测器的需求也愈发迫切,基于GaAs/AlGaAs III-V半导体材料体系的太赫兹量子阱探测器作为太赫兹探测器中的一种,因具有响应速度快、体积小、寿命长、稳定性高和工艺成熟等优点而引来业界越来越多的关注与研究。基于GaAs/AlGaAs体系的太赫兹量子阱探测器具有如下特征:1、量子阱的响应峰位可通过改变基态和第一激发态之间的能量差进行调控,并且可通过采用简单的材料生长和制作工艺来实现多色探测的能力;2、由于其本征载流子寿命较短,光生电子的渡越时间和各种微观散射过程都处于皮秒量级,故可实现高频、高速探测;3、GaAs材料具有成熟的制备工艺,可实现大规模均匀、稳定以及更低成本的焦平面探测阵列。

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图2 太赫兹辐射的多种应用


太赫兹波探测技术

太赫兹探测技术从原理上主要分为主动探测与被动探测,其中主动探测主要是基于我们所熟悉的太赫兹时域光谱进行探测的技术,目前该探测技术多用于实验室研究。而被动探测技术主要分为热辐射计, 高莱管, 肖特基二极管直接探测, 差频检测(肖特基二级管混频器、超导-绝缘-超导结混频器、热电子辐射混频器)以及太赫兹量子阱探测器等。


1、热辐射计

热辐射计探测原理主要基于热敏电阻在收到热辐射后根据产生的阻值变化进行辐射强度的测量。热辐射计对于一般的红外波段探测可直接常温下进行,而对于低能量的太赫兹波段一般需要在液氦环境下才能排除背景辐射的干扰。     


2、高莱管(Golay Cell)

高莱管的探测基于辐射热导致气体膨胀来制作的辐射功率计。为了更好的理解高莱管探测原理,对其探测过程简述如下:如图3(b)所示,当太赫兹光进入该器件被窗口的辐射吸收膜吸收后,能量随即传递到与之相连的封闭气室改变其中气体的温度,此时该气室中的压力也随之升高, 在内外压差的作用下推动与气室相连的反射镜偏转,而该偏转量可通过光学检测反射镜的进行测量,转动的偏转量越大则太赫兹辐射功率越大,因此该探测器测量前需要对标准样品进行定标。该探测器的优点是可在室温下进行探测,缺点是响应时间长,对光谱频率无法辨别。

 

3、外差式肖特基混频器

肖特基二极管可直接用于太赫兹波的探测,然而单独立的肖特基二极管对太赫兹波的探测灵敏度较低,因此往往需要与本地振荡源结合,采用外差测量改善探测性能。改进后的测量方式还可以获得信号的相位信息。其主要探测过程为:本地振荡器产生一个与待测信号频率相近的单一频率电磁波(参考波),待测的太赫兹信号与参考波同时经过混频器进行差频后产生一个GHz频率量级中频信号,当该中频信号经过滤波放大后, 就可实现对待测太赫兹信号进行提取。


4、热电子辐射热计

热电子辐射热计(HEB, Hot-Electron Bolometer)或称热电子测热电阻混频器是利用声子和电子散射冷却机制发展起来的一种高灵敏度探测器,探测过程依赖太赫兹辐射的热效应, 但与红外热传感器不同,基于该原理的HEB具有响应时间极快的特点,该特性由快声子或电子扩散机制所决定。目前HEB在太赫兹波段的探测最高频率为5 THz,其等效噪声温度约为量子极限的10倍左右,具体性能如表1所示。超导HEB混频器是由超导微桥和射频耦合电路构成,它是利用热辐射效应来实现太赫兹波探测的,如图4所示,它的工作原理为:射频耦合电路通过阻抗匹配将自由空间中的电磁波耦合到中间的超导微桥(微桥通常有铌(Nb)和氮化铌(NbN)两种),电子吸收太赫兹辐射后温度升高,形成热电子,然后通过电子-声子相互作用使得声子温度升高,最后能量传到介质基板中重新恢复到平衡态,通过探测两个电极之间热量的变化来实现太赫兹探测。它是目前探测频率在1 - 6 THz范围内灵敏度最高的探测器,但是这种结构的尺寸较大,通常工作于低温环境(< 7 K)以降低探测器的弛豫时间,从而获得较宽的测量带宽,另外中频带宽与超导微桥的长度的平方成反比,因此为了保证与天线结构的匹配,在缩短微桥长度的同时,其宽度也要成比例的减小,因此对桥结构加工的精度要求很高。

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图4 几种常见的HEB器件结构平面示意图


5、基于子带跃迁的太赫兹量子阱探测器(THz QWP)

太赫兹量子阱探测器(THz QWP)是一种基于半导体低维结构的光子型探测器,一般由不同带隙结构的半导体材料堆叠通过外延手段生长制备。所采用的材料一般为III-V族半导体,如GaAs/AlGaAs或GaAs/InGaAs,因材料的有效质量小,生长工艺成熟,所以具有响应速度快、体积小、寿命长、稳定性高和可批量生产等优点,也因此引起业界越来越多的关注与研究。其对红外光的探测原理为:根据量子限域效应,当所堆叠的势阱尺寸达到纳米量级时(接近或小于电子的平均自由程),费米能级附近连续态的电子能级将分裂成独立束缚能级,当入射光的能量满足束缚能级中基态与某一激发态的能量差时,相应的电子则会被激发到激发态的能级上,在电场的作用下,电子可隧穿或激发至连续态中形成光电流,从而实现探测。在光子的激发过程中,对于n型掺杂的量子阱探测器,由于子带间的跃迁选择定则(与导带能级对称性相关),即只有电场分量沿着材料生长方向的入射光才会被子带电子所吸收,因此量子阱探测器的光耦合一般采用45°磨角、布儒斯特角以及一些衍射光栅进行探测。


太赫兹量子阱探测器与中远红外波段量子阱探测器的区别在于:1太赫兹波段的量子阱探测器中第一激发态距离基态很近,因此多体效应与退极化效应的影响不可忽略,因此在进行能带设计时,需要在薛定谔方程中加入多体效应与退极化效应项。2、太赫兹量子阱探测器的势垒与势阱能量相差较小,因此材料组份上也相近,如GaAs/AlGaAs材料体系的太赫兹量子阱探测器,其Al组份一般在2% - 5%之间,因此在材料生长时对Al组份的精确控制也是太赫兹量子阱探测器制备过程中的一个重要难点。3、量子阱中的暗电流主要源于热激发与热辅助遂穿,而太赫兹量子阱探测器势垒更低,因此需要工作在更低的温条件下。4、亚波长尺寸的器件厚度(控制材料激活区厚度的原因在于GaAs材料在太赫兹波段的吸收损耗远高于红外波段)与阱内的低掺杂密度(低掺杂密度的目的为降低器件的暗电流)使得探测器的吸收效率更低。


表1 各种太赫兹探测器的性能对比

探测方式 噪声等效功率 频率范围 响应时间 工作温度

辐射热计 10-15 - 10-12 W/Hz1/2 全波段 >0.01 s 液氦(THz波段)

高莱管 200 - 400 pW/Hz1/2 全波段 >0.05 s 常温

LiTiO3热电计 ~40 pW/Hz1/2 0.2-30 THz >0.01 s 常温

肖特基二极管 ~10-10 W/Hz1/2 < 1.8 THz ~0.1 ns 常温

二极管外差 ~10-19 W/H z1/2 本地振荡源决定 ~0.1 ns 常温

SIS外差 10- 21 - 10-20 W/Hz1/2 本地振荡源决定 ~0.2 ns 液氦

HEB外差 10-21 - 10-20 W/Hz1/2 0.1 - 10 THz ~0.2 ns <7 K

THz QWPs < 10 pW/Hz1/2 3 - 7 THz < 0.1 ns < 20 K


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