張真真 黎華 曹俊誠

1)(中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所,中國科學院太赫茲固態(tài)技術(shù)重點實驗室,上海 200050)

2)(中國科學院大學,北京 100049)

1 引 言

太赫茲(terahertz,THz)波通常是指頻率為100 GHz—10 THz,相應波長在3 mm—30μm內(nèi),介于毫米波與紅外光之間的電磁波[1].THz波在電磁波譜中占有特殊的位置,處于電子學向光子學的過渡區(qū)域,其長波端與亞毫米波相重合,而短波端與遠紅外波段相重合[2].THz波與其他頻段的電磁波相比,具有許多獨特的優(yōu)點:THz波可以穿透塑料、衣物、紙張等材料,但對生物體沒有傷害,可以用于無損生物探測成像;THz波對于許多毒品和爆炸物的粉末都具有獨特的特征譜,可以用于毒品爆炸物的安全檢測等[3,4].此外,THz技術(shù)在信息通信技術(shù)領域、生物醫(yī)學、太空探測以及全球性環(huán)境檢測領域都具有非常廣泛的應用潛力.特別是近年來超材料的發(fā)展,為人們填補這一“THz空隙”提供了有力的技術(shù)支持,從而可以對THz應用進行更積極深入的探索[5?7].基于各種幾何結(jié)構(gòu)的微型諧振腔陣列,可以把自由空間傳播的電磁波限制在亞波長尺寸甚至納米尺寸的體積內(nèi).這個特性被用于高效表面檢測,超低暗電流量子阱探測器、調(diào)制器,以及超強光與物質(zhì)相互作用的研究[8].

高速THz探測器是快速成像、高速空間通信、超快光譜學應用技術(shù)以及外差探測的核心部件.傳統(tǒng)的THz探測器大多數(shù)基于熱效應,所以很難實現(xiàn)探測器高速工作.而基于半導體的THz探測器由于載流子弛豫過程快,在理論上被認為是可以實現(xiàn)高速工作的.但是在實際器件結(jié)構(gòu)中,受限于載流子渡越時間、載流子本征弛豫時間以及器件電阻-電容(RC)電路,很難實現(xiàn)1 GHz以上調(diào)制的THz光探測.THz光導天線是一種具有超快響應速度的常溫寬帶探測器,在時域光譜系統(tǒng)中,常用來做快速成像和成譜的探測;用于航空航天和大氣物理探測的超導熱電子測輻射熱儀(superconductive hot electron bolometer,SHEB)混頻器,即基于熱電子效應的平面超導薄膜混頻器,其頻率已經(jīng)由毫米波擴展到幾太赫茲[9];基于GaN/AlGaN異質(zhì)結(jié)等準二維電子氣和石墨烯二維電子(空穴)氣的天線耦合場效應晶體管( field e ff ect transistors,FET)探測器,具有低阻抗和高靈敏度的優(yōu)點,非常適合THz波段的室溫高速高靈敏度探測及大面積快速焦平面陣列成像[10?12].

THz量子阱探測器(quantum well photodetector,QWP)已被證明是一種超快和高靈敏度的光電探測器[13?15].這種器件是紅外量子阱探測器(quantum well infrared photodetector,QWIP)在THz波段的自然擴展,其利用半導體量子阱超晶格(一般是n型摻雜的GaAs/AlGaAs)中的子帶間躍遷吸收來產(chǎn)生光電流.光耦合方式是影響紅外QWIP和THz QWP性能的一個關(guān)鍵因素[16,17].好的耦合方式可以抑制器件的暗電流,優(yōu)化器件的響應率、極化靈敏度以及BLIP(background-noiselimited performance,背景輻射電流為主導的工作模式)工作性能[18,19].將雙面金屬微腔結(jié)構(gòu)與THz QWP相結(jié)合,不僅可以滿足子帶間躍遷選擇定則[20],實現(xiàn)光的正入射耦合,還可以提高器件的響應率和工作溫度.本文綜述了THz寬帶光導天線、肖特基勢壘二極管(Schottky barrier diode,SBD)混頻器、超導-絕緣體-超導(superconductorinsulator-superconductor,SIS)混頻器、SHEB混頻器、基于天線耦合的FET和THz QWP的原理及最新進展,分析了以上THz探測器在高速應用中的優(yōu)勢及不足.

2 THz光導天線

光導天線是目前THz波段最重要的常溫探測器之一.第一個飛秒激光抽運的皮秒級超短脈沖激光器的研制[21],使得用光電導方法[22]和電光方法[23]產(chǎn)生和探測THz波得到了很好的發(fā)展[24?26].典型光導開關(guān)的結(jié)構(gòu)如圖1(a)[27]所示,在半導體襯底上,制作間隙為幾微米的兩個平行金屬線,稱為Grischkowsky天線[28].當飛秒激光脈沖聚焦到天線陽極附近時,在半導體襯底內(nèi)部就會有光生載流子產(chǎn)生,這些載流子在電極之間的強電場作用下加速,向外輻射THz電磁波.襯底背面的高阻硅透鏡起到光斑匯聚的作用.

圖1 (a)光導天線輻射源和(b)光導天線探測器示意圖[27]Fig.1.Schematic diagrams of(a)photoconductive emitter antenna and(b)photoconductive detector[27].

THz光導天線探測器(圖1(b))的結(jié)構(gòu)和原理均與輻射源類似:飛秒激光觸發(fā)天線內(nèi)部產(chǎn)生光生載流子,入射THz輻射在天線兩電極之間引入一個瞬態(tài)電場,當激光脈沖在空間和時間上與入射THz波的電場一致時,就會產(chǎn)生與入射電場成正比的光電流.通過對激光脈沖進行延遲,就可以實時探測光導天線內(nèi)部光電流的變化.

THz成像[29]及光譜[30]技術(shù)中,時域光譜系統(tǒng)是最常用的探測系統(tǒng)[31,32].在該系統(tǒng)中,光導天線既可以作為THz源,也可以作為探測器.其原理如圖2所示,由飛秒激光器發(fā)出的光被分為兩束,一束打到光導天線上發(fā)出THz輻射,經(jīng)兩個離軸拋物面鏡反射及準直后,與另一束延遲了相位的激光一同入射到接收器上實現(xiàn)實時的成像及光譜探測.圖2中可以用光導天線代替QWP,作為THz探測器.

圖2 THz時域光譜系統(tǒng)示意圖[33,34]Fig.2.Schematic diagram of THz-time domain system[33,34].

光導天線的高頻性能受到低溫生長的GaAs(LT-GaAs)材料載流子壽命以及天線RC電路產(chǎn)生的寄生電容及輻射電阻的限制[35].Peytavit等[36]在不降低光電導體量子效率的情況下,減小了低溫GaAs層的厚度,利用雙面金屬結(jié)構(gòu)制作了一個法布里-珀羅諧振腔(F-P腔),得到了帶寬為1 THz的光導天線混頻器.圖3左側(cè)所示為圓形微腔的光導天線結(jié)構(gòu)示意圖,上下金屬板與中間厚度為0.28μm的LT-GaAs材料組成了一個雙面金屬介質(zhì)微腔,腔的上表面通過空氣橋與薄膜微帶線喇叭天線或貼片天線相連[37].對不同厚度介質(zhì)微腔的光導天線(圖3右側(cè))進行響應率計算和實驗測試,結(jié)果如圖4所示.在微腔介質(zhì)層厚度小于0.5μm時,混頻器的直流響應率大于0.1 A/W.由于THz波與介質(zhì)腔中的等離子體波發(fā)生共振增強,使腔內(nèi)電流密度可高達50 kA/cm2[36].這種金屬-介質(zhì)-金屬微腔結(jié)構(gòu)的THz光導天線混頻器,突破了RC電路寄生電容和寄生電阻對器件高頻應用的限制,改善了經(jīng)典平面結(jié)構(gòu)光導天線在高頻應用中的性能.

圖3 F-P諧振腔光導天線示意圖[36]Fig.3.Schematic diagram of the F-P cavity photoconductor antennas[36].

圖4 不同厚度LT-GaAs介質(zhì)微腔光導天線的響應率理論計算及實驗結(jié)果圖(其中紅色連續(xù)曲線為理論計算結(jié)果,紫色方框為實驗數(shù)據(jù);內(nèi)插圖為電子的弛豫時間)[36]Fig.4.Theoretical(solid line)and experimental(in squares)reponsivities as a function of LT-GaAs layer thickness[36].

3 THz波混頻器

THz波的外差探測在地球大氣研究領域具有非常重要的應用[38,39].THz混頻器可以用于行星和彗星的大氣層[40]以及生物醫(yī)學成像等領域的研究[41].外差探測的原理是:當兩個頻率相近的電流在同一個非線性電路中拍頻后,會產(chǎn)生一個新的和頻、差頻或倍頻的輸出信號.對外差探測器進行優(yōu)化可以使其在不同頻率進行探測,典型的THz外差探測器的拍頻信號在幾千兆赫茲.文獻[33]詳細介紹了外差探測系統(tǒng)的原理.外差探測技術(shù)在遠紅外及毫米波段相對成熟,近幾十年來逐漸向THz波段擴展.這是由于THz信號可以向低頻方向下轉(zhuǎn)換,即使缺乏有效的高頻放大器,依然可以實現(xiàn)外差探測.然而,在THz波段,只有少數(shù)幾種探測器具有較高的轉(zhuǎn)換效率和較低的噪聲[34],這些探測器包括SBD混頻器[42]、SIS混頻器[43]和SHEB混頻器等.

SBD混頻器是THz外差混頻技術(shù)的一種基本元器件[44].當金屬和半導體緊密接觸時,在半導體表面就會形成肖特基勢壘.當THz電場在肖特基勢壘中產(chǎn)生的電壓足夠大時,半導體中的電子就會穿過勢壘到達金屬,從而產(chǎn)生響應電流,這就是SBD工作的基本原理.電子的渡越時間是影響SBD混頻器超快特性的主要因素,因為電子必須有足夠的時間(THz電場的半個周期內(nèi))穿過耗盡區(qū)才能越過勢壘.此外,趨膚效應、載流子慣性和等離子體共振等也會對工作在THz頻段的SBD混頻器產(chǎn)生較大影響.SBD的截止頻率定義為串聯(lián)電阻與零偏壓下結(jié)電容相等時的頻率[45],與其他二極管不同的是,即使在截止頻率以上,SBD也可以用來做混頻[46].THz波段SBD最典型的芯片結(jié)構(gòu)是如圖5[47]所示“蜂巢”(“Honeycomb”)結(jié)構(gòu)[48].這種結(jié)構(gòu)將幾千個二極管集成在單個芯片上,可以使串聯(lián)電阻和并聯(lián)電容之類的寄生損耗最小化.目前,基于二維超材料結(jié)構(gòu)的SBD[49],已經(jīng)可以實時控制和調(diào)控THz輻射,其結(jié)構(gòu)如圖6所示[8].隨著先進半導體工藝的不斷發(fā)展,SBD可以與許多無源電路元器件(例如濾波器和波導等)集成在同一塊電路板上(如圖7所示[34]),使SBD的高頻應用更加方便.

圖5 “蜂巢”結(jié)構(gòu)SBD的掃描電子顯微鏡照片[47]Fig.5.Scanning electron microscopy image of GaAs Schottky barrier whisker contacted diode with honeycomb structure[47].

SIS混頻器的結(jié)構(gòu)如圖8所示,兩個超導電極中間有一層厚度約20 ?的絕緣層勢壘組成一個三明治結(jié)構(gòu),超導電極中的準粒子吸收光子后,穿過絕緣層勢壘發(fā)生隧穿效應[50].THz波段的SIS混頻器通常選用Nb或NbTiN材料來制作超導電極(兩種材料的禁帶寬度分別為0.7 THz和1.2 THz左右[51,52]),結(jié)區(qū)的面積約為1μm2,在結(jié)的兩側(cè)制作SiO2絕緣層可以在結(jié)頂部連接射頻調(diào)制電路時充當介質(zhì)層.目前,SIS混頻器主要用在1.3 THz以下THz波的空間外差探測[43].混頻器信號的帶寬通常會受到器件電阻和電容的限制,隨勢壘區(qū)厚度的增加而減小,與結(jié)面積無關(guān).例如,Nb/AlOx/Nb結(jié)的SIS混頻器帶寬約為100 GHz[53],把AlOx材料替換為AlN,可以降低勢壘的高度,使帶寬提高到約300 GHz[54].

圖6 基于二維金屬超材料結(jié)構(gòu)的SBD THz探測器示意圖[8]Fig.6.Schematic diagram of two-dimensional metamaterial coupled SBD THz detcetor[8].

圖7 THz SBD顯微照片 (a)空氣橋結(jié)構(gòu)的SBD;(b)SBD陣列芯片[34]Fig.7.Photographs of(a)a bridged SBD and(b)a four-SBD chip arrayed in a balanced con figuration[34].

圖8 SIS混頻器截面示意圖[33,34]Fig.8.Schematic diagram of a typical SIS junction cross section[33,34].

與SBD和SIS混頻器不同,HEB是一種熱探測器.用作混頻器的測輻射熱儀(Bolometer)必須有超快的響應,混頻過程總的時間常數(shù)最多只有幾十皮秒.目前,只有InSb HEB[55]和SHEB的帶寬足夠?qū)?可以用于外差探測和對THz電磁波的直接探測[56].SHEB的帶寬有幾千兆赫茲,是THz頻段最常用的HEB混頻器,在原理上與HEB非常相似.HEB的響應速度由熱容C和熱導G的比值決定,因此要想讓HEB的響應時間足夠短,就需要HEB材料的熱導足夠高,熱容足夠小[57].當SHEB混頻器吸收入射光能量后,很小的溫度變化量就會引起超導體阻值很大的變化另外,入射光能量由超導體中的電子直接吸收,而不是像普通的HEB一樣經(jīng)過分立的輻射器吸收,這就是SHEB具有超快響應速度的原因.SHEB的工作原理如圖9所示[34],超導體中的單個電子接收到一個能量為hν的光子后,其溫度迅速增加,其他的電子也會經(jīng)歷同樣的吸收過程,從而使整個超導體的阻值發(fā)生變化,并通過電子-電子擴散與電子-聲子相互作用快速釋放能量,實現(xiàn)對入射光的超快探測.

圖9 SHEB實現(xiàn)超快探測的原理示意圖[34]Fig.9.Schematic diagram of SHEB principles[34].

基于高遷移率二維電子氣的天線耦合FET也具有高速探測的應用潛質(zhì).與雙極型FET相比,石墨烯FET(graphene FET,GFET)可以在空穴溝道或電子溝道條件下工作,因此具有很寬的柵極電壓范圍.此外,GFET的費米能級可以在石墨烯生長或器件工藝制作前進行預先設計,從而使其可以在不需要任何柵極電壓的條件下實現(xiàn)兩端探測[58].Qin等[59]利用如圖10所示的低阻抗、高靈敏度的常溫THz GFET探測器[58]實現(xiàn)了THz波的外差探測,二次諧波探測的中頻帶寬達到1 GHz.

圖10 (a)天線耦合的雙層GFET結(jié)構(gòu)示意圖;(b)GFET探測器的光學顯微照片;(c)GFET探測器的等效電路圖[58]Fig.10.(a)Schematic of the antenna-coupled GFET terahertz detector;(b)optical micrograph of the GFET detector;(c)circuit diagram of the GFET detector[58].

4 THz QWP

THz QWP是一種基于子帶間躍遷的單極器件,具有較高的響應速率,非常適合高頻和高速的探測應用[60].THz QWP的有源區(qū)由多個周期的量子阱組成,每個周期包含一層摻雜的GaAs材料(量子阱層)和一層AlGaAs材料(勢壘層).THz QWP的探測原理為:當THz波入射到器件的光敏面時,位于量子阱中的束縛電子吸收光子能量后躍遷到接近勢壘邊的準連續(xù)態(tài),這些光生載流子在外加偏壓的作用下形成光電流,通過測量光電流信號的變化就可以實現(xiàn)對THz光的探測.通過調(diào)節(jié)有源區(qū)的勢壘高度、量子阱寬度以及材料的摻雜濃度等參數(shù)可以設計不同峰值響應頻率的QWP器件[61].然而,由于多體效應的影響[62],THz QWP的摻雜濃度一般較低,導致光吸收效率較小,限制了器件的高頻應用.在理論方面,研究多量子阱中的載流子動力學輸運過程對抑制器件的暗電流具有重要意義[63?67].另外,為了提高QWP的響應率,人們一直在積極探索新的耦合方式.例如:一維或二維金屬衍射光柵耦合[16],微納結(jié)構(gòu)諧振腔耦合[68,69],以及表面等離子極化激元耦合[70?72]等.通過優(yōu)化理論設計參數(shù)及改善工藝條件,THz QWP器件的性能已經(jīng)有了大幅的提高[73,74].

THz QWP是一種窄帶探測器,其具有較強的光譜分辨本領,在某些應用中不需要濾光片[75].目前已證明,中紅外QWIP的響應速率高達幾十吉赫茲[76].2010年,中國科學院太赫茲固態(tài)技術(shù)重點實驗室的曹俊誠課題組首次利用連續(xù)工作模式的THz量子級聯(lián)激光器(QCL)作為發(fā)射源,THz QWP作為接收器,實現(xiàn)了音頻信號的THz無線傳輸,系統(tǒng)帶寬約為580 kHz,傳輸頻點為4.1 THz,傳輸距離為2 m[77].

2017年,Li等[78]對THz QWP結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化,采用基于微帶線的高速封裝,實現(xiàn)了6.2 GHz調(diào)制帶寬的高速THz QWP.在該實驗中,THz QWP采用45?角臺面結(jié)構(gòu),并采用特性阻抗為50 ?的微帶線封裝,用于提取高速調(diào)制信號.為了驗證THz QWP的高速響應特性,采用THz QCL作為抽運光,如圖11(a)所示[78].THz QCL在連續(xù)波模式下工作,其腔長為6 mm,對應的往返頻率為6.2 GHz.當THz QCL器件處于多縱模激射情況時,所發(fā)射的THz光是被調(diào)制的,調(diào)制頻率即為往返頻率6.2 GHz.THz QCL在探測器端面的光斑如圖11(a)左下插圖所示,光斑直徑約300μm.為了保證THz QWP能夠完全接收全部THz光,采用的器件臺面尺寸為400μm×400μm,如圖11(a)的右上插圖所示.高速調(diào)制的THz光入射到THz QWP之后會轉(zhuǎn)化成光電流,該電流也是被高速調(diào)制的.為了檢測調(diào)制包絡,采用了40 GHz調(diào)制帶寬的Bias-T(T型偏置器),之后采用低噪聲放大器對信號進行放大,最后在頻譜分析儀上進行信號測量.圖11(b)為測量結(jié)果,其中上圖為THz QCL的激光發(fā)射譜和THz QWP的光響應譜,可以看出THz QCL處于多縱模工作模式,激光器和探測器的波長完全匹配.圖11(b)左下圖為采用THz QWP測量得到的THz光調(diào)制頻率6.2 GHz,該結(jié)果表明THz QWP的響應帶寬達到6.2 GHz,可實現(xiàn)高速探測,同時THz QWP可以被用作THz混頻器.基于該方法,可以采用THz QWP對THz QCL的模式穩(wěn)定性進行全光學測量,如圖11(b)右下圖所示.進一步,基于該方法,Zhou等[79]成功實現(xiàn)了基于THz QWP混頻器的成像.該成像技術(shù)的主要優(yōu)勢是可以將THz光下轉(zhuǎn)換到微波波段,從而采用成熟的微波信號放大、濾波等技術(shù)進行高質(zhì)量的成像.

在THz波段,將體積超小的線性雙面金屬-介質(zhì)微腔與不同類型的探測器結(jié)合,可以克服材料本身的載流子動力學缺陷,使器件實現(xiàn)超快的響應[80].Shackleford等[81]在金屬-半導體-金屬結(jié)構(gòu)的光探測器上接觸層表面制作了納米尺度的金屬光柵,這種結(jié)構(gòu)使入射光子以表面等離子體極化激元的方式進入到器件中,增加了入射光通量,增強了器件的光電流,從而提高了器件的響應率和響應速度.Todorov等用模式方法(modal method,一種專門研究自由站立層狀金屬光柵及相關(guān)周期性結(jié)構(gòu)的理論方法[82])對表面具有周期性金屬光柵的金屬-介質(zhì)-金屬結(jié)構(gòu)的光學特性進行了系統(tǒng)的研究,并制作出了基于以上金屬微腔結(jié)構(gòu)的THz頻段探測器[83].從光柵法向正入射的光被耦合入金屬微腔中(不同的幾何和材料參數(shù)決定不同的共振頻率),光的偏振方向被有效地改變從而順應了子帶間躍遷選擇定則,其理論和實驗充分證明了金屬微腔耦合結(jié)構(gòu)器件的子帶間吸收效率明顯增強[84,85].

圖11 (a)THz QWP高速調(diào)制實驗裝置;(b)THz波的快速探測結(jié)果[78,79]Fig.11.(a)Experimental setup of the fast terahertz detection using a microwave transmission line equipped terahertz QWP;(b)fast detection of terahertz light[78,79].

通過在表面制作不同的微納結(jié)構(gòu)來提高器件工作溫度、耦合效率和響應速度等技術(shù)指標,是近年來THz QWP研究的熱門領域[82,85?87].Paulillo等[88]報道了一個工作波長為100μm(3 THz)的三維開口環(huán)結(jié)構(gòu)高速Q(mào)WP探測器,如圖12(a)所示,每一個單元都是一個開口環(huán)形天線,將THz輻射饋入體積約為20μm3的有源區(qū)內(nèi).開口環(huán)結(jié)構(gòu)的微型諧振腔可看作一個亞波長的LC振蕩電路,半導體有源區(qū)可看作微米尺寸的電容器.除了固有的較短的RC時間常數(shù)外,共振LC幾何結(jié)構(gòu)也給了光學諧振腔很多的設計自由度,例如:可以通過臨界耦合和自由空間的阻抗匹配來設計損耗與輻射的耦合;通過外部輻射源來調(diào)制探測器的頻率;通過設計天線來選擇吸收方向等.該陣列結(jié)構(gòu)每個圓環(huán)的直徑只有4μm,約為探測波長(2—4 THz)的1/25.陣列的表面積為350μm×300μm,包含300個微腔單元,探測器的暗電流在納安量級,光學響應速度約為3 GHz.通過對該微腔陣列探測器的射頻響應測試(結(jié)果如圖12(b)所示),表明器件可以工作在至少2.5 GHz的高速調(diào)制速度下.

亞波長雙面金屬介質(zhì)微腔結(jié)構(gòu)的優(yōu)點有兩個:第一,可以增加表面有效光吸收區(qū)域的天線效應;第二,亞波長的雙面金屬結(jié)構(gòu)可以將光限制在一個很小的體積范圍內(nèi),腔的模式與QWP峰值響應頻率達到很好的共振吸收,使得光與QWP有源區(qū)發(fā)生很強的相互作用[82].為了量化分析兩個特性,可以引入兩個物理量:天線的收集面積Acoll和聚焦因子F[89].這兩個量只與結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)有關(guān),可以用來優(yōu)化任何探測器有源區(qū)的性能[90].在微腔陣列中,每個諧振腔的有效光子收集區(qū)域Acoll都比本身的幾何面積大,從而在很大程度上提高了有源區(qū)的光吸收效率,有效減小了器件的暗電流(暗電流與器件臺面的幾何尺寸有關(guān)),使得這種微腔陣列結(jié)構(gòu)對提高THz探測器的工作溫度具有巨大的潛力.

圖12 (a)亞波長meta-atom THz探測器示意圖(上圖為單個微腔QWP探測器的示意圖;下圖左側(cè)為微腔陣列的幾何結(jié)構(gòu)的掃描電子顯微鏡照片,右側(cè)上圖為一個陣列,右側(cè)下圖為單個微腔);(b)分別在帶寬為0.5,1.5和2.5 GHz的速率下,用QCL驅(qū)動的THz QWP微腔陣列的射頻響應[88]Fig.12.(a)Schematic diagram of the sub-wavelength meta-atom detector(top),optical microscopy image of the meta-atoms arranged in array geometry(bottom left panel),scanning electron microscopy picture of the same array(bottom right top panel)and close view of a single meta-atom(bottom right bottom panel);(b)normalized radio-frequency spectra acquired when the QCL is driven at 0.5,1.5,and 2.5 GHz[88].

圖13 (a)貼片天線微腔陣列結(jié)構(gòu)的THz QWP顯微照片;(b)微腔陣列的掃描電子顯微鏡照片及幾何參數(shù)示意圖;(c)45?斜面耦合QWP和微腔QWP的響應率與電壓關(guān)系圖[90]Fig.13.(a)Optical microscope of THz QWP;(b)scanning electron microscopy images of cavity array detector with indications of the main parameters of the array;(c)responsivity peak vs voltage for the 45?mesa QWP and micro-cavity array QWP[90].

巴黎第七大學的Todorov課題組[82,84,89,91,92]一直致力于亞波長光學微腔結(jié)構(gòu)的THz近場增強效應的研究.2014年,基于微腔天線陣列的探測波長為9μm的中紅外QWIP研制成功,將QWIP的BLIP工作溫度提高了10 K[92].2015年,Palaferri等[90]報道了一個峰值探測頻率為5 THz的貼片天線微腔陣列耦合的QWP.貼片天線的寬度和長度的設計保證了基本的電磁波TM100/TM010腔模與QWP子帶間躍遷能量發(fā)生共振.微腔的腔?？杀硎緸?ν=c/2sneff,其中c為真空中的光速,s為微腔單元的尺寸(如圖13(b)所示),neff為半導體材料的有效折射率[82].將微腔耦合結(jié)構(gòu)的QWP(如圖13(a)所示)與45?拋光臺面結(jié)構(gòu)做對比,可以看出響應率峰值提高了數(shù)倍(圖13(c)).2017年,該課題組報道了一種基于微腔結(jié)構(gòu)的室溫工作的紅外QWIP外差探測器,用兩個QCL拍頻,得到了4 GHz帶寬的外差信號[93].亞波長雙面金屬介質(zhì)微腔結(jié)構(gòu)的QWP在響應率、非極化靈敏度和BLIP工作性能上都有很大的提升.

5 結(jié) 論

THz高速探測器是高速空間通信及大規(guī)?？焖俪上駪玫暮诵牟考?THz寬帶光導天線具有超快的響應速度和下降時間,非常適合快速成像成譜應用,雙面金屬圓形微腔結(jié)構(gòu)的THz光導天線混頻器,可突破RC電路寄生電容電阻對器件高頻應用的限制,改善經(jīng)典平面結(jié)構(gòu)光導天線在高頻應用中的性能.室溫工作的SBD作為混頻器可響應THz光,其中頻帶寬可達到40 GHz,主要缺點是需要毫瓦量級的本征振蕩信號.SHEB是一種低溫探測器,靈敏度高,原則上可實現(xiàn)單光子探測,但是其中頻帶寬最寬只能達到幾個吉赫茲.新型的高遷移率二維電子GFET可實現(xiàn)THz波與等離激元的共振增強,設計自由度和集成度高,是高速常溫探測應用中非常有潛力的器件.THz QWP的響應率高、相應速度快,且緊湊易集成,目前已實現(xiàn)6.2 GHz的中頻帶寬,采用微腔技術(shù)有望實現(xiàn)更高的探測速度.

本文列出的多種高速THz探測器在響應頻段、工作溫度、靈敏度、中頻帶寬等參數(shù)上各有優(yōu)缺點.為了滿足多元化的應用需求,將來高速THz探測器的發(fā)展趨勢可能是多種不同高速探測器的集成.另外,為了追求更高的中頻帶寬,往往需要采用更小的器件探測單元,這一方面會增大器件工藝難度,另一方面器件變小之后必然會導致響應靈敏度變差(由于THz光斑較大).綜上所述,在高速THz探測器的研究上還有很多物理和技術(shù)上的難題有待進一步地研究與開發(fā).

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