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非制冷太赫兹成像探测技术研究进展
发布时间:2019-02-07 04:09

  北京理工大学光电学院,昆明物理研究所,北京理工大学自动化学院,北京理工大学物理学院,香港理工大学应用物理系

  摘要:非制冷太赫兹成像探测技术作为太赫兹研究领域的重要组成部分,目前已成为各国研究的热点之一。本文综述了近年来国内外非制冷太赫兹成像探测技术的研究进展,着重介绍了基于光热效应的微辐射热计和基于光子效应的场效应晶体管太赫兹探测器及其成像技术研究进展,分析了非制冷太赫兹成像探测器的现状及发展前景,对于研究非制冷太赫兹成像探测技术及应用具有一定的参考价值。

  太赫兹(THz)波是介于微波和红外区间的电磁波频段,其频率范围通常定义在0.1~10THz,因其波段的特殊性,使其兼具了电子学和光子学的特点,不仅覆盖了许多生物大分子的振动和旋转频率,且包含了电子材料的低能激发频带。同时,THz波能以很小的衰减穿透陶瓷、塑料、碳板、布料、脂肪等非极性物质。因此,太赫兹波在天文学、信息通信、大气遥感、材料物理、医学成像、生命科学、安检等领域有着巨大的应用前景。

  太赫兹探测技术根据其获取被测信号的不同,分为相干探测和非相干探测(直接探测)。相干探测可以同时获取被测信号的强度与相位信息,探测方法包括光电导取样探测、外差探测、电光取样探测、空气等离子探测等:而非相干探测是直接获取被测信号的强度信息,探测技术主要基于光热效应和光子效应。光热效应探测是探测器将吸收的太赫兹辐射能量转换为温度、电阻率和探测▲●…△器材料自发极◆■化强度的变化,通过检测探测器的变化来实现探测,高莱探测器、测辐射热计和热释电探测器等是几种主要基于光热效应的太赫兹探测器。光子效应探测是通过吸收太赫兹辐射能量后产生光生电流和光生伏特效应来实现探测,如肖特基二极管、场效应晶体管(FET)、量子阱探测器(QWIP)和超导,绝缘体.超导混频器等是几种主要基于光子效应的太赫兹探测器。

  太赫兹波段的成像探测技术结合了微波/毫米波和X射线两者的优势:与微波/毫米波相比,太赫兹波具有较短的波长,使得成像能够比微波/毫米波成像获得更高的空间分辨能力;相比X射线,太赫兹辐射对非极性材料具有较强穿透能力,较低的光子能量,不会对有机组织产生电离破坏。同时,很多违禁品和危险爆炸物可以通过检测其在太赫兹波段所具有的“指纹谱”而被精确检出。因此,太赫兹成像应用在探查隐匿的易燃、易爆、金属武器和毒品等具有重要的意义,如美国Safeview公司研制出的Provision有源主动太赫兹成像系统,已经实际应用于车站、机场等许多公共场所的安全检测中,见图1所示。

  随着新型光电材料(如石墨烯、超材料)、探测器工艺和信号处理技术的发展,国内外已经掌握了许多新的非制冷太赫兹探测技术,如利用天线将能量耦合到探测器的探测单元上、石墨烯基场效应晶体管(GFETs)等。基于此,本文将对目前主要的太赫兹非制冷成像探测技术的原理、特点及研究进展进行综述,分析太赫兹非制冷成像探测技术及应用发展前景。

  太赫兹探测是太赫兹相关研究领域的基础,是太赫兹科学技术能够得以广泛应用的关键技术。1995年,贝尔实验室报道了首套太赫兹扫描透射成像装置,并首次进行了太赫兹成像。2002年,剑桥大学Kohler等成功研制了用于太赫兹探测系统的量子级联激光器(QCL)。同年,牛津大学Clery首次报道了人体中隐藏匕首的太赫兹波段扫描成像图。这些重要研究成果不断地激励着人们对太赫兹探测领域进行探索。目前,对太赫兹探测的研究主要集中在两个方向上:一是将相对成熟的红外探测技术应用到太赫兹探测领域;二是基于新原理、新材料的太赫兹探测方法。表1列举了目前研制的不同类型非制冷太赫兹探测器的性能参数。

  高莱探测器是由M.J.E.Golay在1947年研制的,其在太赫兹频段也是有效的探测器之一。该探测器主要由输入窗口、吸收薄膜、气密室、活动膜层反射镜以及光电探测器等组成,其工作原理如图2(a)所示。太赫兹波经窗口入射到吸收薄膜并被吸收,进而加热气密室中的氙气,引起气体的热膨胀,使气密室背面的活动膜反射镜发生微小的变形,经发光二极管发出的光在反射镜上聚焦并被反射进光电探测器,由活动膜的变形造成的信号偏差来反映太赫兹波功率值的变化。高莱探测器在常温环境中具有优异的灵敏度,并在宽波长范围内具有平坦光学响应。

  2010年,M.A.Salhi等人采用2.52THz光泵浦气体激光器和太赫兹Golay cell成像探测器,引入光学共聚焦显微镜的原理搭建了远场太赫兹成像系统,该成像系统原理及实验结果如图2(b)所示。

  高莱辐射探测器的性能仅取决于吸收膜与探测器气密室气体的热交换所致的温度噪声,与其他探测器相比,具有较高的灵敏度,但其响应时间较长,对震动很敏感,多应用于实验室一类的环境条件下。

  图2 Golay cell的工作原理及其太赫兹成像系统原理示意图及相关实验结果

  电光晶体取样测量技术是基于光电材料的在THz波段的线性电光效应的探测技术。测试时,探测光束与THz光波同时照射探测晶体,THz光波的瞬间电场使电光晶体折射率发生各向异性的改变,导致探测光的偏振态发生变化。THz脉冲电场的时间波形通过调整探测光脉冲和THz脉冲之间的时间延迟后检测探测光在晶体中发生的偏振变化获得。探测光的偏振信息转化为强度信息是利用探测光在被调制前后,分别经过两个方向正交的偏振片机制得到,最后再利用CCD摄像头接受探测光信号。

  常用的电光晶体主要有CdTe、ZnTe、LiTa O3、LiNbO3和GaAs等。由于ZnTe的晶体二阶非线esu)和电光系数(r41=4.04pm/V)均较大,并且110晶向的ZnTe晶体在800nm附近激光脉冲作用下相位匹配最好,探测THz辐射的效率较高,目前采用ZnTe电光晶体进行THz光谱探测和成像的研究最为广泛。

  2008年,Zhang和Nick等搭建的THz电光取样成像系统,如图3(a)所示,图3(b)是塑料玩具手枪THz的实时成像图。

  电光晶体取样测量技术可以直接观测到太赫兹电场的二维强度分布,不需要光热效应以及光子效应,系统响应时间较短,但电光晶体的缺陷会影响成像质量。

  热释电探测器是基于热释电材料的探测器。热释电材料是一种具有自发极化的电介质,在温度恒定的情况下,材料的自发极化被体内的电荷和表面吸附电荷所中和,随着温度发生变化,材料的自发极化强度随温度发生明显变化。把热释电材料做成表面垂直于极化方向的平行薄片,并在两表面之间跨接外电阻,当辐射能量入射到薄片表面时,材料吸收能量而发生温度变化,致使材料极化强度变化。由于热释电材料的高电阻率,材料体内及表面吸附的电荷无法瞬时中和,在薄片的两表面之间形成瞬态电压,通过测量外接电路的电流大小,就可以测量入射辐射的强弱,电流的大小除了与薄片的温度变化率成正比外,还与热释电系数成正比。

  热释电探测器价格较低,响应光谱宽、功耗低、成像均匀性好,但一般需要调制且灵敏度低,只能检测太赫兹电磁波的变化,对强度恒定的太赫兹波需增加斩波装置来辅助检测。

  辐射热计探测技术首先由霍尼韦尔公司开发,探测器利用物体的电阻随温度的变化来测量入射辐射的能量,其具有探测单元可直接加工在CMOS读出集成电路上,可单片集成,结构紧凑,成本低和可靠性高等特点,在中红外成像的民用和军用市场上取得了巨大的成功。微辐射热计的单元微桥结构如图5(a)所示,它由悬空的桥面测温计、桥腿、桥墩、电极、读出电路和反射层构成。当附有温度传感材料的桥面测温计接收到太赫兹辐射,其电阻发生变▲★-●化,测量电阻就可得到入射信号的功率。室温下,微测辐射热计的温度传感材料主要有VOx和α无定型硅(α-Si)等,因此,THz波段的微测辐射热计研究也以VOx和α无定型硅(α-Si)为主。

  2005年,Wei等人最早报道了用BAE Systems公司160×120的SCC500L VOx室温微测辐射热计焦平面探测器(像元尺寸:46um×46um),实现了实时、连续波太赫兹成像,从测试结果的THz图像中可清晰看到装在信封中的刀片,测试装置和结果如图5(b)所示。2006年,该小组使用BAE公司的320×240的微测辐射热探测器(像元尺寸:28um×28um),对信封中指纹及铅笔字实现了太赫兹连续波反射和透射成像,噪声等效功率为3.2×10-11 W∙Hz-1/2。同年,他们实现了对25m远的干豆荚实时透射成像探测。2008年,俄罗斯科学家实现了基于VOx的太赫兹微测辐射热探测器的室温探测及成像,噪声等效功率为2×10-10W∙Hz-1/2。2008年,NEC公司最早优化VOx太赫兹探测器探测单元的微桥结构,其通过在双层微桥的项层增加一层金属太赫兹吸收层来调制THz辐射入射时的等价探测阻抗。2011年,NEC公司研制了VOx微测辐射热计焦平面探测器。2012年,NEC公司推出手持式太赫兹焦平面相机IRV_T0831,(像元数:320×240,响应范围:1~7THz,在4THz频率下NEPI×10-10 W∙Hz-1/2),如图5(c)所示。2009年,加拿大INO公司把VOx微测辐射热计微桥的桥腿设计成“回”型结构,加长了桥腿,明显增强了桥面测温计与读出电路的绝热性能,提高了器件的性能。此外,他们也采用了类似NEC的技术,在桥顶上加入厚度优化的金属薄膜吸收层,增强对太赫兹辐射的吸收,其报道的器件在3THz频率下的NEP达到7×10-11W∙Hz-1/2。在国内研究中,2012年北京理工大学与山东烟台睿创微纳技术公司联合开展了VOx太赫兹探测器的研究,设计出耦合了“+”天线的焦平面微测辐射热计探测器,并于2012年底首◇=△▲次实现了实时的THz焦平面成像,但成像质量需要进一步提高。

  法国研究机构CEA-Leti在基于α-Si的微测辐射热计的研究中取得了一系列重要的研究成果。2005年,其首先报道了在α-Si微测辐射热计热敏电阻的阵列上耦合天线的设计,通过耦合天线,加强了器件对太赫兹辐射的吸收,其设计的目标是在频率0.2~1THz内,NEP为1×10-12 W∙Hz-1/2,设计原理见图6(a)。2010年,CEA-Leti设计并制作了第一个耦合天线元的非制冷α-Si微测辐射热计太赫兹芯片,并集成在CMOS读出电路(ROIC)上,如图6(b)所示,该器件结构★△◁◁▽▼紧凑,能实现实时数据采集。随后,CEA-Leti开发了太赫兹实时反射成像系统,它的光源为QCL,探测器为由FPGA卡驱动,耦合天线α-Si微型测辐射热计,图6(d)、(e)为成像系统,图6(f)为该系统实时获取的THz图像。2011年,CEA-Leti设计了一种单片多光谱探测器,探测器由可见光二极管、红外探测器和α-SiTHz微辐射热计组成,用于室温下可见光、红外和太赫兹波段成像。各波段探测器灵敏度分别为:可见光光电二极管VIS的动态范围为80dB,IR的NETD=50mK,THz微辐射热计的NEP小于1×10-11 W∙Hz-1/2。图6(g)为多光谱探测器原理,图6(h),(i)为该器件实时成像测试过程截图和从输出视频中获取的图像。2012年,CEA-Leti设计了新的天线耦合测辐射热计,通过适当的天线裁剪来解决太赫兹响应范围的问题,器件单元结构如图6(c)。器件通过两个“+”字放置的天线有效耦合入射辐射的两个交叉偏振分量,两个天线的感应电流通过匹配负载电阻的焦耳热加热悬浮膜,该器件的单元间隔设计成50um,同时设计了一个11um的SiO2层和金属反射膜构成的介质谐振腔,以优化探测灵敏度。该探测器天线尺寸和形状可以不受选择限制,以匹配不同的频率和偏振特性,此设计可以在保持性能和制造产量不变情况下,为任何目标频率量身定做器件结构。

  南京大学超导电子学研究所一直致力于基于Nb5N6材料的微测辐射热计太赫兹器件的研制。2014年,他们报道了基于Nb5N6材料的探测器,电压响应率为428V/W,对应噪声等效功率NEP为2.3×10-11W∙Hz-1/2。2014年,瑞典哥德堡科技大学Bevilacqua等报道了由YBa2Cu3O7-x(YBCO)薄膜耦合平面螺旋型天线的微测辐射热计,频率响应范围为100GHz到2THz。分别在1.6THz、0.7THz、400 GHz和100GHz对器件进行了测试,最大的响应率为70V/W,最小噪声等效功率为5×10-11 W∙Hz-1/2。

  微辐射热计技术相对成熟,制作工艺简单,易于与读出电路集成形成大规●模阵列,具有较宽的频率探测范围,是目前商品化程度较高的室温太赫兹成像探测技术。

  肖特基二极管(SBD)被广泛应用于紫外、可见光和红外探测,其具有易制作、无高温扩散等许多优于pn结的优势。当器件受光照后,表面阻挡层吸收光子,产生电子,空穴对,在内电场作用下,电子移向半导☆△◆▲■体,空穴移向金属,形成光生电势。由于肖特基二极管在势垒区产生载流子,传输主要是基于多数载流子,而pn结的电流传输须由少数载流子经过扩散才能到达结区,因此肖特基二极管可以减少载流子扩散时间以及在扩散中的复合损失。肖特基二极管的结构最开始是触丝型的,到现在发展成平面结构,如图7(a)所示。这个结构的优化,提高了器件的工作频率上限和灵敏度。

  2010年,巴黎圣母院大学的Liu和Hesler等研制了一种采用零偏置肖特基二极管的宽带太赫兹探测器,探测器集成了硅衬底透镜和平面四臂正弦天线GHz频率范围内,响应率为300~1000V/W。探测器覆盖4个频带,最高可达600GHz,噪声等效功率为5~20×10-12W∙Hz-1/2。2013年,韩国Han S.P.等提出基于InGaAs的肖特基二极管阵列太赫兹探测器,用于太赫兹实时成像,如图7(c)~(d),其报道的平均响应率为98.5V/W,平均等效噪声功率为1×10-10 W∙Hz-1/2。北京理工大学研制的肖特基二极管THz探测器件如图7(e),截止频率为2.6THz,探测器耦合了平板天线并集成了高阻透镜。

  为实现探测器的低成本、高集成度、高稳定度的目标,有学者研究了把商用CMOS工艺和太赫兹肖特基二极管结合起来。2005年,美国佛罗里达大学S.Sankaran研究组首次实现了基于商用130nm CMOS工艺的肖特基二极管,用于毫米波和远红外探测,图7(f)为肖特基势垒二极管的横截面和布局示意图。2011年,Han和Zhang等采用130nm CMOS工艺制作了带有片上贴片天线GHz肖特基二极管探测器阵列,采用多栅分离(PGS)技术将二极管串联电阻降到最小,探测器的电压响应率和NEP分别为250V/W和3.3×10-11 W∙Hz-1/2,图7(g)为利用该探测器形成了一组信噪比为48 dB的THz图像。2012年Han等使用130nm数字CMOS技术的集成的280GHz的4×4肖特基二极管成像探测器阵列,如图7(h)所示,在不需要复杂光学透镜和反射镜的情况下实现了电子扫描多像素成像,测量的响应率为5.1kV/W,NEP为2.9×10-11W∙Hz-1/2。国内目前尚无基于CMOS的肖特基二级管太赫兹探测器的相关研究报道。

  肖特基二极管太赫兹探测器的灵敏度高、响应率快,可在室温下工作。但寄生电容在高频时会使器件的性能迅速下降,因此器件的工作频率很难扩展至高频波段。对此,实现宽频集成天线与肖特基二极管阵列的耦合是太赫兹肖特基二极管阵列探测器的研究方向之一。

  THz场效应晶体管(FET)探测器基于FET中的等离子体共振原理,FET中的等离子体振荡的谐振频率会随器件沟道尺寸的减小而增大,当FET的栅长在亚微米时,其谐振频率可达太赫兹范围,当迁移率足够高时,太赫兹频段下短沟道FET的动力学行为主要表现为等离子波,当等离子波振荡过阻尼,FET就能作为一种有效的宽带太赫兹探测器。FET探测太赫兹辐射的工作原理如图8中所示:在源漏电极之间施加以稳定的源漏电流,入射的THz辐射光激发FET沟道内的等离子★◇▽▼•体振荡,源漏极边界条件的非对称与等离子体波的非线性在漏极端产生一个恒定的电压降,它正比于辐射功率。场效应晶体管与利用子带间跃迁的光子器件相比,等离子体波是一种电子的集体激发模式,能够与太赫兹波发生共振,并在电荷输运中表现为光电流或光电压。等离子体波探测器并不需要在低温下工作,且具有一定的频率分辨能力。同时,场效应晶体管与热力学探测器相比,有更快的响应率。近几年,等离子波特性成功地应用于谐振和非谐振频宽的太赫兹探测。此特性可用来制成高响应、高灵敏度的THz信号探▪…□▷▷•测器。

  1996年,M. Dyakonov等首次报道场效应晶体管在THz波段下的探测。1998年,LU和Shurrms等制备了第一个基于场效应晶体管的太赫兹探测器。随后,国际上相继报道了基于场效应晶体管方面的研究,其主要研究方向为大规模阵列芯片、与太赫兹天线耦合、与光路传输元件的结合和新材料体系如石墨烯等的应用。

  用于太赫兹探测的场效应晶体管主要有互补金属一氧化物半导体场效应晶体管(CMOS-FET)和等离子体高电子迁移率晶体管(HEMT)。

  CMOS工艺是现代集成电路制造的主流技术,其可提供低成本、成熟和高可靠性的制造工艺,并具有低功耗和在芯片上可集成大量晶体管等优点。将THz焦平面探测器的制造与CMOS技术结合是THz探测的重要技术之一。

  2004年W. Knap等首次应用CMOS-FET在室温下太赫兹波段的检测,工作频率为120 GHz。2006年,该团队应用CMOS-FET太赫兹探测器进一步将工作频率提高到700 GHz。随后,各国研究者从事太赫兹波段CMOS-FET的改进工作,其研究方向主要为设计▼▼▽●▽●并优化天线与探测器的耦合和发展焦平面阵列等。2008年,Pfeiffer等报道了一种已用在商用0.25um CMOS工艺中来制造视频成像的太赫兹焦平面阵列(FPA)。该器件由单元尺寸为150um×150um的3×5元焦平面探测器芯片、片上天线、非相干功率检测电路和1.6MHz带宽的43dB放大器组成。在0.6THz时,像素的响应率为50kV/W,噪声功率为4×10-10 W∙Hz-1/2。图9(a)~(b)为其报道器件的显微照片和THz图像。2011年,H.Sherry等报道了集成超半球硅微透镜的CMOS太赫兹焦平面器件。该FPA采用65nmCMOS工艺和SOL工艺来实现。0.65THz时带有透镜的探测器的最小噪声等效功率NEP为1.74×10-11 W∙Hz-1/2,图9(d)~(e)为其报道的器件的显微照片和其测试的装在信封中回形针,磁带和糖果条的THz图像。2011年,F.Schuster等报道了低成本的130nm硅CMOS工艺制作的太赫兹探测器。该器件由CMOS场效应晶体管和耦合弓形天线GHz左右的重要大气窗口和室温下,其响应率均在5kV/W以上,噪声等效功率小于1×10-11 W∙Hz-1/2。此外,他们还通过实验证明了同样的探测器在很宽的频率范围内(0.27~1.05THz)都是有效的。图9(c)为▼▲其THz探测器结构显微照片。2012年,H.Sherry研究组研制的32×32元集成了天线的CMOS FET太赫兹相机,照相机集成有一硅★-●=•▽透镜,其等效噪声功率为4.7×10-10W∙Hz-1/2。图9(f)~(g)为THz◁☆●•○△相机照片和芯片的显微照片。2017年,中国科学院半导体研究所超晶格与微结构国家重点实验室刘力源等报道了用180nm标准CMOS工艺制作由集成片上贴片天线和NMOS晶体管作为整流元件组成的CMOS太赫兹探测器。在0.94THz光源的照明下,响应率和NEP分别为31V/W和1.1×10-9 W∙Hz-1/2。图9(h)~(i)为探测器的模具照片和用于表征探测器的测量装置。同年,该课题组又报道了一款基于标准CMOS工艺并集成了低噪声信号处理电路的太赫兹器件,如图9(j)~(k)所示。器件采用了自主设计的THz天线、高电压响应晶体管和太赫兹波段匹配网络。课题组同时验证了集成了低噪声斩波式仪表放大器和高精度的SD-ADC器件信号处理电路有效性。器件在常温工作条件下,频率为860 GHz时,响应率为3.3 kV/W,噪声等效功率为1.06×10-10 W∙Hz-1/2。图9(l)是测试的树叶和隐藏在信封内的物体太赫兹成像结果。

  III-V族半导体异质外延薄膜,通过对其进行调制掺杂,容易在室温下获得高浓度的二维电子气,其电子迁移率较高,是制作室温高迁移率晶体管的理想材料。目前已经较为成熟的HEMT器件的材料体系有AIGaN/GaN、InGaN/GaN、AIGaAs/GaAs、AIGaAs/InGaAs、AIGaAs/lnGaAs/lnP等。

  2012年,Takayuki等提出了InGaAs基HEMT太赫兹探测器,其研究指出太赫兹辐射和晶体管的低效耦合是限制器件响应率的主要因素。他们设计的器件耦合了平面碟形天◆◁•线,增强吸收效率,测得响应率为26.1V/W,等效噪声功率为1.5×10-11 W∙Hz-1/2。2014年,Kurita等人提出基于InAIAs/lnGaAs/lnP材料的非对称双光栅HEMT太赫兹探测器,通过非对称双栅结构的•☆■▲设计,增强了太赫兹辐射的耦合,器件非对称双栅的显微结构如图10(a)所示。300K时,在200GHz和292GHz的辐射下,测得响应率为20kV/W,等效噪声功率小于1×10-12 W∙Hz-1/2。研究表明,InAIAs/lnGaAs/lnP材料强的非线性整流效应,以及太赫兹辐射与等离子较强的耦合作用,是Kurita设计的探测器具有较好性能的主要原因。2017年,中科院苏州纳米所孙云飞等提出了一种基于集成硅透镜的高灵敏度GaN/AIGaN高电子迁移率晶体管的太赫兹模组探测器,如图10(b)所示。探测器集成的超半球硅透镜可以有效提高太赫兹波收集效率,消除干涉效应,同时耦合了天线以提高探测器的灵敏度。研究组对太赫兹探测器件进行了仿线 GHz的太赫兹波辐照下,硅透镜中心区域的太赫兹电场分别到原来的5.9倍和6.8倍,在室温下,探测器的响应率为4.5 kV/W,噪声等效功率为3×10-11 W∙Hz-1/2。在77K下,响应率为100 kV/W,噪声等效功率降至1×10-12 W∙Hz-1/2,综合指标已经优于高莱探测器和热释电探测器等商用探测器,成像演示效果如图10(c)所示。

  石墨烯是单层碳原子按•●蜂窝状晶格结构排列而成的二维平面材料,具有独特的电学、光学、机械、热学和量子特性。作为一种新型光电纳米材料,其优异的光电性能如高载流子迁移率、低等离子体传播衰减、等离子体振荡频率覆盖宽和可在包含太赫兹频段的0~0.3eV范围内人为调谐石墨烯的禁带宽度等使其成为用于太赫兹等离子体场效应晶体管检测器件研制的理想材料。

  日本东北大学在石墨烯基场效应晶体管THz探测器的研究中取得了一系列重要进展。Ryzhii研究组通过检测太赫兹辐照产生的光生电流来对太赫兹波进行检测,并于2009年和2010年先后提出了采用双层石墨烯沟道的背栅式场效应晶体管,如图11(a)所示,以及多层石墨烯的p-i-n结的场效应晶体管,如图11(b)所示。

  2012年,他们还提出了基于等离子体效应理论,利用石墨烯高载流子迁移率、对等离子体的传播衰减弱等特点的双层石墨烯异质结构,每层石墨烯有单独的电极结构,并耦合各自的天线(c)所示。通过石墨烯层间隧穿电流的非线性变化,与入射太赫兹波激发的等离子体振荡实现对太赫兹波的检测。2012年,Vicarelli小组提出将天线耦合到石墨烯场效应晶体管,如图11(d)所示,该设计提高了检测灵敏度,实现了太赫兹连续波的室温检测和大面积高速成像,实验的空间分辨力为0.5mm,如图11(d)所示。2014年,Zak等制成耦合平面碟形天线的石墨烯场效应晶体管THz探测器,响应率达到14V/W(0.6THz),NEP5.05×10-10W∙Hz-1/2;同年,Davide等研制出基于双层石墨烯的场效应晶体管THz探测器,响应率为1.2V/W(0.29~0.38THz),NEP2×10-9 W∙Hz-1/2。

  等离子振荡的场效应晶体管可以通过获得较高的沟道电子浓度,提高等离子体振荡的频率。其等离子体共振的频率随着栅长的减小而增大,改变栅长可增大探测范围。等离子共振在高频段可以在室温下实现。等离子波传播速度快,器件的响应时间短:结构简便、易于加工和容易集成化。

  超材料(METAMATERIALS)是一种特殊设计的微纳人工合成材料,它由周期性或非周期性人造微结构排列而成,具备自然材料未有的超常物理性质。在某一频率范围内,超材料的阻抗与电磁波阻抗相匹配,使其在同频率范围内共振形成禁带,入射至超材料的这一频率的电磁波就会被吸收。超材料是一种由人工设计的复合共振单元结构,它的超常电磁特性与结构单元相关,单元的尺寸远小于工作波长,即为亚波长结构,尺寸从纳米量级到微米量级,可以很容易地设计、调整超材料的工作频率。

  2008年波士顿大学Tao等设计了世界上第一款THz超材料吸收器,其结构为顶层、底层构成一个复合结构,如图12(a)所示。通过优化,可以实对入射THz波接近100%的吸收。2013年,美国海军学院报道了集成在3.8THz附近▪▲□◁高吸收率的超材料吸收体的SiOx和Al双材料悬臂梁太赫兹阵列成像探测器,经测试得悬臂梁的灵敏度为4.2︒/uW,实验装置原理图和实验测试结果如图12(b)所示。

  由于超材料在谐振频率处的色散普遍较高,致使多数基于超材料的太赫兹功能器件的工作频率均为窄带,限制了其使用范围,现已有通过设计多个平面吸收体和纵向多层结构以增加带宽的报道。

  图12 超材料吸收器的结构示意图、双材料悬臂梁阵列太赫兹探测器及实验结果

  随着太赫兹技术的快速发展,国外太赫兹探测技术已经走向商用,如美国的Safeview公司的Provision有源主动太赫兹成像系统、日本的NEC的手持式THz焦平面相机、加拿大的INO公司的手持式THz焦平面相机、英国Thruvision公司的T8000无源太赫兹成像系统和爱尔兰Farran公司的有源太赫兹人体检测成像系统等。而国内非制冷太赫兹探测技术和非制冷太赫兹探测器在工艺水平和性能参数上与国外相比还有一定差距,且未形成产业规模。

  本文综述了几种国内外非制冷太赫兹成像原理及系统发展的现状,特别是基于光热效应的微辐射热计和基于光子效应的太赫兹场效应管探测器及其成像技术研究进展。可以看出:把相对成熟的红外探测技术应用到太赫兹领域,是较为可行、有效的技术途径。但是,由于太赫兹辐射波长较红外辐射波长过长,辐射能量较小,照搬红外探测技术无法解决太赫兹探测的具体问题。

  1)利用太赫兹天线,将THz能量耦合到探测器的探测单元上,以提高太赫兹波收集效率;

  3)采用新材料(石墨烯、超材料等),不断发展基于新原理、新材料的探测方法和实际器件研制;

  4)把低成本、高成熟度、高可靠性的Si制造工艺引入太赫兹探测技术,加快太赫兹探测技术的发展和实用化的进程。返回搜狐,查看更多

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