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太赫兹探测器解密(二)——发展现状

量子阱内子带跃迁的红外探测技术早在1985年被L.C.West等人首次发现后便得到很大的发展,而关于该技术在THz波段的延展直到2003年才实现,美国佐治亚州立大学Perera课题组与加拿大国立研究院刘惠春课题组合作成功制备了半导体异质结太赫兹探测器,该器件是基于界面功函数内发射原理进行探测的。该半导体异质结太赫兹探测器的峰值响应频率为6.5 THz,4.2K温度下峰值响应率接近5 A/W。次年,加拿大国立研究院的刘惠春课题组与中国科学院上海微系统所曹俊诚课题组合作,实现了结构简单的GaAs/AlGaAs材料体系THz QWP,覆盖了2.5 - 12 THz频段,首次真正意义上地制备了太赫兹量子阱探测器。并于2005年实现了三种器件的背景限性能器件制备,三种器件的背景限温度分别为12 K、13 K和17 K。同年Graf课题组实现了该材料体系的太赫兹量子级联探测器。探测器在2.4~12.0 THz范围内都有响应。

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图1 (a)一维光栅结构的THz QWP; (b)45。THz QWP[55]


中科院上海技物所在2010年也开展了磁场调制的太赫兹量子阱探测器的研究。包括太赫兹量子阱探测器结构优化设计、电子输运和高效耦合器的研究,相比中红外量子阱探测器,太赫兹波段量子阱探测器的设计要显得更为复杂,太赫兹的子带间能量更低,因此多体效应的考虑是该波段探测器设计的重点。而多体效应主要是考虑局域密度近似下电子的交换关联能与退极化效应,如图2所示。我们知道太赫兹波段的量子阱结构中势垒都非常低,为了达到降低暗电流的目的,太赫兹波段的量子阱阱内一般采用低掺杂,因此子带间吸收效率也就非常低,为了提高吸收效率,目前研究或应用最多的三种光耦合结构为金属衍射光栅、金属微腔耦合结构以及表面等离激元耦合结构。当然除此之外,近几年国内外的其他研究团队在THz QWP的结构上也进行了众多其他方式的优化,在性能上都有所提高。2013年,K. K. Choi等研制了共振环量子阱红外探测器(R-QWIPs),在不影响探测率的条件下很大程度提高了器件的响应率,因此研究成果在高速成像领域有着非常不错的应用。2014年上海微系统所的顾亮亮、曹俊诚等人在标准GaAs/AlGaAs体系的太赫兹量子阱探测器上做了一些光栅结构(一维),见图1,在5.85 THz附近波段的响应相对于标准的45度磨角器件有了一些提升,然而提升的空间依旧很大,例如背景限温度等并没有发生什么提升,峰值响应率的增加在30%左右。2015年,Carsten Franke等人研发的共振双光子量子阱探测器实现了在3-6 THz频段的探测。同年,J. Y. Jia、H. Schneider等人设计了能够在较高温度下以PLIP模式进行工作的太赫兹探测系统,其工作温度在5.5 THz附近的探测区域可达到77 K,甚至于100 K。该系统能实现这么高的工作温度,主要是采用了太赫兹波段的QCL作为激发源,探测器部分仍采用的是标准的45度磨角THz QWP。大部分探测器都是应用于被动探测,而背景光条件下太赫兹信号一般都较弱,因此该系统的应用非常有限,甚至于严格意义上来说该系统并非被动式太赫兹探测器。太赫兹波能量小,波长长的特点让许多用于增加太赫兹光吸收的天线或是光子晶体结构应运而生。也是在2015年,D. Palaferri, Y. Todorov等人在GaAs/ AlGaAs体系的量子阱结构上制备了天线阵列的结构,使得THz QWP即便工作在50 K的温度下依然有较好的表现。该研究频段主要在5THz,4 K温度下峰值的探测响应率超过5×1012 cmHz1/2/W, 可与目前最好的制冷型热辐射测量仪相比拟。此外,若按刘惠春最初对背景限温度的定义(背景限温度:器件的暗电流大小与背景电流大小相等时对应的温度),该文章中6-8 m尺寸的天线结构能达到21 K的背景限温度。该性能表现算是在此之前的所有天线结构中最好的。目前所报道的太赫兹量子阱探测器最高工作温度在30 K左右(量子级联方式实现),性能与中远红外的器件相比还是存在一定差距,因此还具有较大的提升空间。

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图2 多体效应效应对量子阱结构设计的影响[61](光电流谱响应峰位)(a)V267; (b)V266


近两年又有科研人员采用了光子态调控与电子态调控等手段研究了太赫兹量子阱探测器的光电特性,其中包括:基于表面等离极化激元共振增强的太赫兹量子阱探测器,基于局域表面等离激元增强的MDM太赫兹量子阱探测器,基于介质(重掺杂电极)微腔增强的太赫兹量子阱探测器,以及基于共振隧穿效应的甚长波量子阱红外探测器,降低暗电流将近3个数量级,同时光电流信号降低5倍左右,提高器件工作温度约10 K,提高器件探测率约136%。该结果对共振隧穿结构应用于太赫兹波段的量子阱探测器提供了理论与实验的基础,为实现制备高工作温度太赫兹量子阱探测器提供可能。

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