【2020】【论文笔记】太赫兹新型探测——太赫兹特性介绍、各种太赫兹探测器

前言

类型
$太赫兹+探测器$
期刊
$红外与毫米波学报$
作者
$张玉平,唐利斌,刘玉菲,KarSengTeng,吴刚,胡伟达,韩福忠$
时间
$2020$

---

         \;\\\;\\\;

THz波特性

太赫兹探测技术处于一个交叉的前沿领域，长波方向涉及电子学，短波方向涉及光子学

太赫兹处于宏观经典理论与微观量子理论的过渡区

宇宙中绝大多数物质都能辐射THz，这些天然的太赫兹源，通过太赫兹探测器就可以获取它们的信息

空间分辨率高、通信带宽大、方向性好、保密性强、安全性高、高穿透性

         \;\\\;\\\;

极性分子的指纹

许多极性大分子的振动及转动频率都在太赫兹波段,并且具有很强的吸收和谐振效应

由于不同物质以及不同分子对太赫兹波的吸收和散射是有很大区别的,并且这种差异性的吸收和散射是与极性分子—一对应的
         \;\\\;\\\;

非极性分子的透射

太赫兹对金属的穿透性和X光一样差

对塑料、陶瓷等非极性材料，THz有较强的穿透性

因为太赫兹波段的波长远大于灰尘的尺度，所以THz能在浓烟、风沙环境中低损耗传输

         \;\\\;\\\;

低能量

THz波的光子能量很低，1THz的太赫兹波能量只有$4.2meV$

比X射线的光子能量低7~8个数量级

不易对人体组织或生物细胞造成不可修复的损伤以及光化电离反应

光致电离：光子与原子或者分子相互作用形成离子的物理过程，这种过程要求光子的能量 $\ge$ 原子电离能

因为水对太赫兹波有强烈的吸收，当太赫兹波照射到人体表面时,它只能停留在皮肤表层,不会穿透到人体内部

         \;\\\;\\\;

无损检测（成像）

• 太赫兹波对非极性材料的高透过性,可以检测到可见光探测不到的内部缺陷
• 可以用于绝热材料,对于这种材料热成像很难正常发挥作用,从而弥补了热成像的不足
• 和射线相比,其能量很低,能为软材料提供更好的对比度
• 与超声波相比，它可以不接触物体表面便实现成像，而且在有些材料中声波极度衰减，太赫兹波对于这些材料却非常适用
• 太赫兹脉冲成像技术还被用于探测航天飞机隔离层泡沫材料中的缺陷。通过逐点扫描得到各部分的时域波形,然后分析波形的变化来判断缺陷的大小、形状﹑位置、种类

         \;\\\;\\\;

在通信领域

太赫兹波通信比微波通信具有更高的频率带宽，其通讯速度可高达10 GB/s。利用太赫兹通信可以实现大容量、高速度、高保密性和高安全性的无线通信

由于水对THz的吸收，所以太赫兹只适合近距离的局部通信

在太赫兹波谱的低频阶段(0.1 ~1 THz)存在着几个重要的大气透明窗口,可以利用这些透明窗口实现大容量的近距离太赫兹通信

由于在太空中水汽几乎不存在,所以太赫兹通信可以很好的应用于星际卫星间的通信。

         \;\\\;\\\;

THz探测器

THz探测器的分类

• $\stackrel{◯}{1}$非相干探测器（直接探测器）：制冷型 、 非制冷型（室温可工作型）
  按工作原理分为：热探测器（热释电探测器）、光子探测器（光电导型和光伏型）
• $\stackrel{◯}{2}$相干探测器 （外差探测器）

下面是四种探测器

         \;\\\;\\\;

非相干探测器 （直接探测器）

只能对信号的幅度进行测量

不会受到混频器的限制

可探测的波段较宽

缺点：灵敏度不高，只适合中低频谱分辨率探测

1. 制冷探测器（低温工作）：非本征Ge光电型探测器、量子阱探测器
   ——等效噪声功率一般$10^{-17}\sim 10^{-13}W/Hz$

2. 非制冷探测器（室温工作）：高莱探测器、热释电探测器、测辐射热计
   ——灵敏适中，等效噪声功率一般$10^{-10}\sim 10^{-9}W/Hz$，探测的波谱范围较宽

         \;\\\;\\\;

0.高莱探测器（灵敏度高于热释电探测器）

一种带有气体空腔的热膨胀式太赫兹探测器

当太赫兹辐射到气体腔内时，气体（氩气、氙气）吸收了太赫兹辐射的能量，体积发生膨胀，从而导致封闭气体腔的薄膜发生形变，通过测量薄膜的形变，即可实现对太赫兹波的测量

气体用氩气或氙气，是因为这些单原子的气体热导率小，可以减少热量损失

高莱探测器可以在室温下工作

探测频率范围宽

缺点：振动对它的影响很大（需要减震装置）

         \;\\\;\\\;

1.热探测器（热释电探测器）

$$吸收的THz辐射能*探测元件的电学/物理性质$$

因为吸收材料的热量变化需要一定的时间，所以热探测器的一个普遍特征就是其响应速度通常相对较慢

优点：只要有太赫兹辐射照射到吸收层上，就会产生热量，所以热探测器通常可以探测较宽的光谱范围

         \;\\\;\\\;

2.光子探测器

$$接收THz能量*改变探测器内原子或分子的内部电子状态\stackrel{光电效应}{*}电信号$$

2.1光电导探测器

主要是单光子探测，由于热的传递速率小于电信号的传输速率，所以与热探测相比，光电导探测器具有较高的响应率

缺点：暗电流比较大（这不利于提高探测器的响应率和探测率）、探测带宽有限

   \;

在太赫兹频率下，光子能量很小，这通常对应于浅杂质状态与半导体中的导带或价带之间的能隙

当光子能量大于半导体的带隙时，电子和空穴被光子撞击而激发，引起的电导率变化被称为固有激发

如果光子没有足够的能量来克服间隙能量，则仍然可以通过向半导体中添加杂质来引起光电导过程

这些过程可以产生非常接近导带或价带的施主或受主状态，并且低能量光子可以将电子激发出施主状态或进入受主状态

         \;\\\;\\\;

2.2光伏型探测器（最广泛研究的是FET）

有一个界面电场，这个电场可以由结型器件的内电场产生，也可以由外加电场产生。在这个界面电场的作用下，$\stackrel{◯}{1}$暗电流在一定程度上可以得到有效的抑制，并且界面电场的存在也$\stackrel{◯}{2}$有利于光生载流子的快速分离，从而提高探测器的响应速率

(比如场效应晶体管FET形式的THz探测器)

         \;\\\;\\\;

2.2.1场效应晶体管（FET）

场效应晶体管（FET）太赫兹光电探测器利用 等离子体共振原理来产生光生电压，从而实现对太赫兹信号的探测

当载流子迁移率$\mu$足够高时，太赫兹频率的短沟道场效应晶体管的动态特性由等离子体波控制

   \;
等离子体的集体振荡可以在$\stackrel{◯}{1}$具有反向偏置肖特基结的二维电子通道和$\stackrel{◯}{2}$具有周期性光栅栅极的双量子阱场效应晶体管中观察到

在流体动力学近似中，二维电子气2DEG中的等离子体模式频率为$${\omega }_o=\frac{\pi }{2L}\sqrt{\frac{e(V_g-V_{th})}{m}}$$

其中$L$是栅极长度，$V_g$是栅极电压，$V_{th}$是阈值电压，$m$是电子有效质量

FET中的二维等离子体振荡的谐振频率随着沟道尺寸的减小而增加
在亚微米栅极长度，谐振频率可达到太赫兹范围

   \;
场效应晶体管用于谐振和非谐振的THz探测，可以通过改变栅极电压$V_g$直接调谐

由于栅极电压调控电子通道的寄生电容，对截止频率、灵敏度的影响较小，所以可以发展高灵敏度、宽频THz探测器

（场效应晶体管的太赫兹探测器的材料体系比较丰富，并且这种器件适合用于集成电路等微系统中）

   \;

• 场效应晶体管FET有两种类型：结场效应晶体管 、 金属-氧化物半导体场效应晶体管

         \;\\\;\\\;

2.2.2场效应晶体管+CMOS

场效应晶体管形式的太赫兹探测器可以很好地与 CMOS 技术兼容，极大的降低器件的尺寸

传统的Si基CMOS太赫兹探测器大多是通过结的形式来实现的，现在无结形式的太赫兹探测器也已经出现

无结的探测器可以作为双端器件在零栅极偏置模式下工作，从而简化读出电路

在传导通道完全打开的范围内，即低电阻状态下，它们的光电响
应特性与栅极电压之间的关系也显示出其显著的探测性能，其响应度达到 $70V/W$

另外，除了CMOS技术，还可以使用：一维半导体纳米线、InSb、石墨烯等材料制作场效应晶体管THz探测器

         \;\\\;\\\;

3.测辐射计探测器

• 以前最早应用是一个安装在电桥中的热敏电阻

• 现在最常见的是半导体doped硅或锗的（低温下工作）、基于金属材料及碳材料的（室温下效果不好）、基于无氧化二钒$V_2{O}_5$的、基于$Nb或NbN$的超导和半导体的（超导和半导体对温度变化敏感）

超导辐射热计的声子-电子制冷机制，极大的提高了其响应速度，弛豫时间为 $10^{-5}\sim 10^{-10}s$

• 超导体测辐射热计不仅可以作为直接探测器，还可以作为外差探测器（极低温$100\sim 300mK$）

         \;\\\;\\\;

相干探测器 （外差探测器）

可以探测信号的幅度和相位

通过将太赫兹信号与本振信号外差混频至一个中间频率，再把这个中间频率信号进行放大从而来实现对太赫兹信号的探测
$$中频：V_{IF}=|V_{RF}-V_{LO}|$$只要本振信号（LO）稳定，该组件就会保留原始信号的频谱和相位信息

缺点：受到本征信号的限制（难以进行大规模阵列集成）、探测范围窄

相干探测器的核心是非线性I-V特性的混频器
（肖特基二极管混频器、超导体-绝缘体-超导体隧道结混频器）

         \;\\\;\\\;

肖特基二极管太赫兹探测器

利用金属和半导体接触形成的肖特基结原理制成

肖特基势垒结构最开始是触丝型的，现在的主要是具有高集成度的平面结构。这个结构的优化，使得其频率上限和灵敏度提高很大
$$触丝型*平面型$$

肖特基二极管太赫兹探测器的灵敏度高、响应率高，并且在室温下
可工作

缺点：工作频率不高(1THz以内)

通过宽频集成天线提高肖特基二极管太赫兹探测器的工作频率范围

基于 InGaAs 的肖特基二极管通常用于零偏压下，主要是因为在零偏压下其具有大的导通电压，并可以获得出色的噪声系数和更低的功耗

InGaAs肖特基二极管还降低了更高频率下的转换损耗，因为其迁移率较高，所以串联电阻较低

         \;\\\;\\\;

其他THz探测器

氖管或辉光放电探测器可以通过其电流的变化来探测太赫兹
辐射，其响应度在$10\sim 100V/W$

隧道结探测器在 1960s 就被报道了，其既可以用于直接探测也可
以用于外差式探测，但由于其非线性的I-V特性，隧道结主要被用作外差探测的混频器
         \;\\\;\\\;

THz探测器制备材料

$基于IIIA\sim VA族的半导体材料$

• 光电导探测器：用低温生长材料，如$GaAs,InP$
• 测辐射计：$InSb,Si,Ge$
• 热释电探测器：有热释电性的材料，如$LiTa{O}_3,LiNb{O}_3,DTGS(氘化硫酸三甘肽)$
• 一些有优异的光电性质的新型材料也用于THz探测器的制备：$一维碳纳米管、石墨烯、过渡金属二硫化物、黑磷、拓扑绝缘体材料和一些其他的二维材料$

         \;\\\;\\\;

碳纳米管

分为单壁碳纳米管、双壁碳纳米管、多壁碳纳米管

碳纳米管具有很大的比表面积以及高的载流子迁移率（$10000\sim 50000c{m}^2/V\cdot s$）和热稳定性。碳纳米管具有大的电子平均自由程，且其器件的开关频率位于太赫兹范围

很难制备具有高度单一取向性的碳纳米管阵列

         \;\\\;\\\;

石墨烯graphene

在室温下也具有很高的载流子迁移率，可以用于制备快速响应的室温光电探测器

石墨烯零带隙的能带结构，使其非常适合于作为宽频带太赫兹探测器的光敏材料

石墨烯光电探测响应率低

• 可以通过天线来增强对THz波的吸收
• 可以改善石墨烯的结构来提高响应率
• 可以把石墨烯和其他材料（如零维量子点、过渡金属二硫化物）复合来提高响应率

         \;\\\;\\\;

过渡金属二硫化物TMDs

一种新型的半导体材料，材料的层与层之间通过范德华力结合

$\stackrel{◯}{1}$高的载流子迁移率 $34000c{m}^2/V\cdot s$

$\stackrel{◯}{2}$强的非线性光学响应特性

$\stackrel{◯}{3}$容易通过范德华力与其他材料结合

TMDs 比如$Mo{S}_2,MoS{e}_2$二维材料的直接带隙$0.4\sim 2.3eV$，可以很好的与石墨烯互补，而且它们的带隙可调

         \;\\\;\\\;

黑磷BP

一种类石墨烯二维材料，其带隙大于石墨烯，六角分布的磷原子排列成非平面的褶皱结构

这种特殊的原子结构使其产生固有的面内各向异性，导致黑磷具有独特的角度依赖导电性，且在可见光到近红外的范围内存在固有的光学各向异性

         \;\\\;\\\;

拓扑绝缘体

拓扑绝缘体材料不同于传统绝缘体和金属，其内部是绝缘体，表面受时间反演对称性保护的金属态

时间反演对称性保护：
？？？

这种表面态由体电子态的拓扑性质决定，不易受到体系中缺陷和杂质的影响，因此，电子能有序的通过在拓扑绝缘体的通道，彼此之间没有碰撞，也没有能量的损失

拓扑绝缘体的表面态还使其具有一个特殊的能带结构

对于传统的绝缘体，材料的费米能级处于导带和价带之间，材料存在着一个大的带隙

而拓扑绝缘体在能级结构上，这些表面态就像桥梁一样把价带和导带连接起来
（这种能级结构是由能带结构的拓扑性质所决定的，受到时间反演对称性的保护，不受杂质或缺陷的影响，因此，具有很好的稳定性）

   \;

• 拓扑绝缘体的吸收光谱的响应区间非常大（ $800\sim 2000nm$），甚至在太赫兹波段都有响应

• 通过把拓扑绝缘材料和其它材料复合，实现材料性能的互补，从而制备出更高性能的器件

         \;\\\;\\\;

太赫兹天线

PCA是光电导天线，常常用于THz成像

天线可以在馈点处将自由空间传播的太赫兹波转变为射频电流，再通过阻抗变换把这个电流信号传送到探测器上

器件衬底的厚度不同，会对天线具有不同程度的干涉效应

常见的太赫兹探测器天线有双极化漏透镜天线、叉指式天线、金属级天线、光电导天线、对数螺线天线、对数周期天线、平面双缝天线、平面螺旋天线、蝴蝶型天线

         \;\\\;\\\;

问题

什么是时间反演对称性保护？

         \;\\\;\\\;