【摘要】：太赫茲波是一段頻率介于紅外波和毫米波之間的電磁波,由于其頻段的特殊性,太赫茲波綜合了光學和微波電子學的特性。太赫茲技術在雷達、通信、無損檢測、生物醫(yī)學和環(huán)境檢測等眾多領域具有廣闊的應用前景。對太赫茲光源和太赫茲探測器的研究是當前推進太赫茲技術發(fā)展的兩大關鍵因素。受限于目前較弱的太赫茲光源輻射功率,太赫茲波的探測靈敏度就顯得尤其重要。室溫下工作的太赫茲波探測器靈敏度的提升對推進太赫茲波的應用有很重要的意義。本文結合太赫茲場效應混頻模型,以提高基于AlGaN/GaN高電子遷移率晶體管的太赫茲混頻探測器的光學和電學靈敏度為研究目標,通過增強太赫茲天線因子和提升光學耦合效率等方式提高了太赫茲混頻探測器的響應度,通過非相干太赫茲寬譜探測以及局域電場的表征驗證混頻模型的正確性。主要內容和結果如下:1、研究了各天線參數對太赫茲混頻探測的影響。以基于準靜態(tài)模型的太赫茲自混頻探測機理為基礎,對基于高電子遷移率晶體管的太赫茲混頻探測器的外差探測機理進行了闡述。對太赫茲探測器天線的作用進行了分析,得到各參數對探測器響應度的影響。其中天線的長度和寬度主要調控探測器的探測頻率,天線間距主要影響溝道內混頻電場強度,柵極長度主要調控溝道跨導。通過對天線參數進行針對性的優(yōu)化改善,將室溫下探測器的靈敏度提升一個數量級,室溫下噪聲等效功率達到10 pW/Hz0.5以下。2、設計天線尺寸,利用多個探測器組合的方式將探測器的探測頻段覆蓋至0.1-1 THz。本文采用FDTD方法設計天線尺寸,針對不同的太赫茲波傳輸的大氣窗口設計最優(yōu)天線尺寸,通過不同探測器天線的組合實現(xiàn)對0.1-1 THz太赫茲波的探測,彌補了單個太赫茲天線由于有限的帶寬無法實現(xiàn)對太赫茲波的全覆蓋探測的缺陷。3、研制了太赫茲探測器組件。通過仿真,得到太赫茲波在超半球硅透鏡和喇叭波導內的傳輸特性和電場分布特性,提煉出最優(yōu)集成參數,并將太赫茲探測器與硅透鏡或喇叭波導進行集成形成太赫茲組件,有效提升了太赫茲探測器對入射太赫茲波的有效吸收率,探測器的靈敏度提升至30倍。同時探測器和此類元件的集成還可以消除太赫茲響應中由芯片襯底厚度引起的干涉效應。探測器組件集成放大電路形成探測器模組,探測器模組的響應度可達到kV/W數量級,同時模組小巧便攜,方便使用。4、利用太赫茲天線耦合的場效應溝道中的局域太赫茲混頻電場,對太赫茲場效應混頻探測器的局域電場進行表征。利用超半球硅透鏡對太赫茲波的匯聚以及源漏電場對溝道電子氣的調控,實現(xiàn)探測器對太赫茲波的局部響應。得到的探測器中太赫茲響應分布和場效應混頻模型相吻合,直接驗證了理論模型的正確性。同時揭示出當前探測器結構存在不足:當入射光斑只能輻照到探測器的局部時可能會出現(xiàn)反相響應信號,不能正確反映被測光源的信息,為后續(xù)探測器結構優(yōu)化提供依據。5、首次實現(xiàn)了場效應混頻探測器對非相干太赫茲光的探測,驗證了場效應探測器不僅可探測連續(xù)相干太赫茲波,而且可探測非相干寬譜太赫茲波。利用0.34 THz、0.65 THz和0.9 THz多個頻段的場效應太赫茲探測器,在液氮環(huán)境下實現(xiàn)了對900 K黑體輻射的非相干太赫茲波的探測和成像演示。本文通過對器件模型進行分析,表征了各參數對器件性能的影響,并通過研究得到了最優(yōu)的參數值。結合超半球硅透鏡和喇叭波導的集成,場效應晶體管太赫茲探測器在室溫的光學噪聲等效功率可以達到10 pW/Hz0.5以下。實現(xiàn)了場效應探測器對非相干太赫茲波的探測,表征了探測器的寬譜特性。實驗演示了探測器對入射太赫茲波的局域響應,不僅驗證了混頻理論模型,還揭示出當前探測器結構的設計缺點,為后續(xù)探測器優(yōu)化提供依據。
【圖文】：

波長為３０邋ｐａｎ邋＿邋３邋ｍｍ，光譜中對應波數為３．３３邋ｃｍ－１邋－３３３．３３邋ｃｍ－１，逡逑光子能量為０．４１３邋ｍｅＶ＿邋４１．３５７邋ｍｅＶ，黑體溫度范圍為９６５．６７邋ｍＫ－９６．５７邋Ｋ。在逡逑頻譜中，太赫茲波介于微波和紅外波之間，如圖１．１所示。早期在不同研究領域逡逑太赫茲波段有不同的名稱，在光學領域被稱為遠紅外；在電子學領域，則稱其為逡逑亞毫米波、超微波等［１］。直到上世紀八十年代中后期才被正式命名為太赫茲波。逡逑因為太赫茲波不完全屬于傳統(tǒng)的電子學頻率，也不完全屬于光學頻率，早期因為逡逑缺乏有效的研究方法和研究設備，對太赫茲波的研究有限，形成了科學家口中的逡逑“太赫茲空隙”［２］。但正因為太赫茲波處于微波和紅外波的過渡階段，可以同時利逡逑用宏觀經典理論和微觀量子理論來對其進行探索。隨著對太赫茲波研究的深入，逡逑發(fā)現(xiàn)太赫茲波有眾多獨特的性質，在高速通信，生物醫(yī)學，無損檢測，安檢防護逡逑等眾多領域有廣闊的應用前景，，是國家安全和國民經濟的一個發(fā)展機遇。逡逑Ｍｉｃｒｏｗａｖｅｓ邐Ｉ邋Ｖｉｓｉｂｌｅ邋Ｘ邋ｒａｙ邋ｙ邋ｒａｙ逡逑ＭＦ

圖１．２幾種太赫茲熱輻射探測器⑷熱輻射計丨州（ｂ）熱釋電探測器丨５0１邋（Ｃ）氋萊探測器丨Ｍｌ逡逑者工作頻率低于１邋ＴＨｚ，后者主要工作在１邋ＴＨｚ以上。非相干探測時利用超導動逡逑態(tài)電感探測器（ＭＫＩＤｓ）、超導相變邊緣探測器（ＴＥＳ）和超導隧穿結（ＳＴＪ）檢測逡逑器。ＴＥＳ利用太赫茲波輻照下超導薄膜溫度與阻值的變化，形成電－熱反饋，利逡逑用高靈敏的電流計（通常為ＳＱＵＩＤ）來記錄檢測電流的變化。ＴＥＳ的ＮＥＰ可以達逡逑到ｌ0－２Ｇ＼Ｖ／Ｈｚａ５，主要用于射電天文領域。目前最大規(guī)模的ＴＥＳ檢測器陣列應逡逑用是安裝在美國的ＪＣＭＴ邋（Ｊａｍｅｓ邋Ｃｌｅｒｋ邋Ｍａｘｗｅｌｌ邋Ｔｅｌｅｓｃｏｐｅ）望遠鏡上的ＳＣＵＢＡ２逡逑探測器陣列［５３］。ＭＫＩＤ太赫茲檢測器是基于太赫茲輻照引起超導電子對密度的逡逑變化，進而導致超導薄膜制成的諧振腔的諧振頻率的變化。此種檢測器讀出簡單逡逑方便，便于形成大規(guī)模陣列。噪聲水平與ＴＥＳ相當［５４］。ＳＴＪ利用準粒子在太赫逡逑茲光子的輔助下，隧穿過勢壘，產生隧道電流。此探測器的檢測速度快于ＴＥＳ和逡逑ＫＩＤ，可應用于高能光子檢測中，可獲得高分辨率光譜。目前ＳＴＪ探測器的噪聲逡逑水平在邋１０＿１６邋Ｗ／Ｈｚａ５。逡逑
【學位授予單位】：中國科學技術大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TN386

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本文編號：2613316