太赫兹量子阱探测器研究
基于太赫兹技术的隐蔽武器探测成像系统研究
基于太赫兹技术的隐蔽武器探测成像系统研究一、太赫兹技术概述太赫兹技术，指的是在电磁波谱中，频率范围大约在0.1THz至10THz之间的波段。
这个波段位于微波与红外线之间，长期以来由于技术限制，被称为“太赫兹间隙”。
近年来，随着科技的进步，太赫兹技术得到了迅速发展，其独特的性质使其在多个领域展现出巨大的应用潜力，尤其是在安全检查和武器探测领域。
1.1 太赫兹波的特性太赫兹波具有穿透性强、非电离、对材料敏感等特点。
它能够穿透许多常见的材料，如塑料、纸张、布料等，而不会对被检测物体造成损害。
同时，太赫兹波的非电离特性意味着它不会像X射线那样对人体造成辐射伤害。
此外，太赫兹波对材料的敏感性使其能够区分不同物质，这对于识别和分类物质具有重要意义。
1.2 太赫兹技术的应用场景太赫兹技术的应用场景非常广泛，包括但不限于以下几个方面：- 安全检查：太赫兹波可以用于机场、车站等公共场所的安全检查，用于探测隐藏的武器、爆炸物等。
- 医学成像：太赫兹波可以用于皮肤癌等病变组织的检测，因为它能够提供比传统成像技术更清晰的图像。
- 材料科学：太赫兹波可以用来研究材料的微观结构，对于新材料的开发具有重要意义。
- 环境监测：太赫兹波可以用于大气污染物的监测，因为它能够检测到某些特定分子的特定频率。
二、隐蔽武器探测成像系统的需求分析随着全球安全形势的日益严峻，隐蔽武器探测成像系统的需求日益增长。
这类系统需要能够快速、准确地识别和定位潜在的威胁，以保障公共安全。
2.1 隐蔽武器的特点隐蔽武器通常设计得小巧、隐蔽，不易被常规的安检设备发现。
它们可能包括小型枪支、刀具、爆炸装置等。
这些武器的隐蔽性使得传统的金属探测器、X光机等设备难以有效检测。
2.2 探测成像系统的要求隐蔽武器探测成像系统需要满足以下要求：- 高灵敏度：系统必须能够检测到微小的异常，即使这些异常被隐藏在多层衣物或其他材料之下。
- 高分辨率：系统需要提供清晰的图像，以便操作人员能够准确识别和定位武器。
基于THz量子级联激光器和量子阱探测器的成像研究的开题报告
基于THz量子级联激光器和量子阱探测器的成像研究的开题报告一、研究背景与意义THz成像技术是开展肿瘤医学检测、化学分析、无损检测和安全控制等多个领域的重要手段。
近年来，THz量子级联激光器和量子阱探测器的出现对THz成像技术的提升起到了关键作用。
利用其高灵敏度和高速性能，对THz信号的采集和处理能力得到了快速提升。
目前，对基于THz量子级联激光器和量子阱探测器的成像研究还比较少，因此进行该方向的研究意义重大。
二、研究内容本课题将研究基于THz量子级联激光器和量子阱探测器的成像技术，主要内容包括：1. THz量子级联激光器和量子阱探测器的原理和结构。
2. THz成像中常用的成像技术，并分析各自的优缺点。
3. 利用THz量子级联激光器和量子阱探测器进行THz成像，分析其成像性能及其优越性。
4. 针对不同应用场景，优化THz成像系统的参数配置，探究成像效果的最优化。
三、研究方法本课题的研究方法主要包括实验和数值仿真两种：1. 实验：首先搭建THz量子级联激光器和量子阱探测器的实验平台，分析其性能特点和优劣；然后在实验平台上搭建THz成像系统，分析THz成像技术的成像分辨率、信噪比等性能指标。
2. 数值仿真：利用COMSOL Multiphysics软件建立成像系统模型，模拟不同参数配置下THz成像效果，分析参数对THz成像品质的影响，并对优化策略进行探究。
四、预期成果1. 获得THz量子级联激光器和量子阱探测器的性能参数。
2. 探究和比较THz成像技术的成像效果，并提出优化策略。
3. 建立THz成像系统模型，模拟不同参数配置下的成像效果，分析参数对成像品质的影响。
4. 对THz成像技术的应用场景进行分析和探讨，提出成像系统优化方案，为实际应用提供一定的参考依据。
五、可行性分析本课题的研究内容和研究方法都有较高的可行性，成像技术的应用价值受到广泛认可。
同时，硬件和软件技术的不断革新也为我们提供了丰富的工具和技术支持，加之实验平台所需仪器设备已具备，因此该课题具有充分的可行性。
量子阱红外探测器调研报告
量子阱红外探测器调研报告一、引言红外探测器在军事、民用等众多领域都有着广泛的应用，而量子阱红外探测器作为一种新型的红外探测器，因其独特的性能和优势，近年来受到了越来越多的关注。
二、量子阱红外探测器的工作原理量子阱红外探测器是基于量子阱结构的光电转换器件。
量子阱是一种在半导体材料中通过控制材料的生长和掺杂形成的特殊结构，其能态是量子化的。
当红外光照射到量子阱红外探测器上时，光子的能量被吸收，使得量子阱中的电子从基态跃迁到激发态。
通过外加电场，这些被激发的电子形成电流，从而实现对红外光的探测。
三、量子阱红外探测器的特点1、高灵敏度由于量子阱结构的特殊性质，使得量子阱红外探测器对红外辐射的吸收效率较高，从而具有较高的灵敏度。
2、宽光谱响应可以通过调整量子阱的结构和参数，实现对不同波长红外光的响应，具有较宽的光谱响应范围。
3、高速响应其响应速度较快，能够快速检测到红外信号的变化。
4、低功耗在工作时功耗相对较低，有利于设备的长时间运行和节能。
5、可集成性好可以与其他半导体器件集成在同一芯片上，便于实现系统的小型化和多功能化。
四、量子阱红外探测器的应用领域1、军事领域在军事侦察、导弹预警、目标跟踪等方面发挥着重要作用。
能够在夜间和恶劣天气条件下，探测到敌方的军事目标和活动。
2、航空航天用于卫星遥感、航天器的热控和姿态控制等。
3、安防监控在安防监控系统中，对人员和物体的监测和识别。
4、工业检测检测工业设备的温度分布、故障诊断等。
5、医疗领域例如在医学成像、疾病诊断等方面具有潜在的应用价值。
五、量子阱红外探测器的发展现状目前，量子阱红外探测器的研究和开发取得了显著的进展。
在材料生长、器件结构设计和制备工艺等方面不断创新和优化。
国际上，一些发达国家在量子阱红外探测器的研究方面处于领先地位，已经推出了一系列高性能的产品。
我国在这一领域也取得了一定的成果，但与国际先进水平相比，仍存在一定的差距。
六、量子阱红外探测器面临的挑战1、材料生长的质量控制高质量的半导体材料生长是制备高性能量子阱红外探测器的关键，但在实际生长过程中，要实现材料的均匀性和一致性仍然存在一定的难度。
基于CMOS晶体管的太赫兹探测器研究进展
基于CMOS晶体管的太赫兹探测器研究进展付元旭;梁志茂;范菁;张广求;赵波【摘要】With the wide application of terahertz wave, terahertz detection technology has become the focus of attention. Terahertz detectors are mainly composed of Schottky diodes, quantum-well diodes and the CMOS transistor. The CMOS transistor has good responsivity, good signal to the noise ratio and high equivalent power. First, this paper introduces the terahertz detector and its technical index. Second, it gives an overall review of the improvement of the CMOS transistor in its structure and materials in recent years. Third, it discusses the application of the CMOS transistor and predicts its future development.%随着太赫兹波的广泛应用, 太赫兹探测技术成为研究的热点, 探测器件主要以肖特基二极管, 量子阱二极管, CMOS晶体管为主, CMOS晶体管探测器件具有响应度高, 信噪比好, 等效功率高等优点.首先介绍了太赫兹探测器的技术指标, 接着从结构及材料两方面对近年来CMOS晶体管的改进方案进行了综述对比, 最后介绍了太赫兹探测器的应用并对应用前景及未来发展方向进行了展望.【期刊名称】《云南民族大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2019(028)002【总页数】6页(P203-208)【关键词】太赫兹探测器;CMOS晶体管;器件响应度;等效噪声功率【作者】付元旭;梁志茂;范菁;张广求;赵波【作者单位】云南民族大学电气信息工程学院,云南昆明 650050;云南民族大学电气信息工程学院,云南昆明 650050;云南民族大学电气信息工程学院,云南昆明650050;云南民族大学电气信息工程学院,云南昆明 650050;云南民族大学电气信息工程学院,云南昆明 650050【正文语种】中文【中图分类】TN31随着太赫兹波的广泛应用，太赫兹探测技术也成为关注的焦点，太赫兹的光电相干探测技术、光电非相干探测技术、热辐射探测器技术也成为研究的热点，随着太赫兹探测技术的发展，太赫兹源也随之增多，如自由电子激光器，气体激光器，真空电子学太赫兹源，光电导太赫兹源，太赫兹半导体量子级联激光器，电子学太赫兹辐射源等等，采用的技术主要有光整流技术，光激发空气等离子技术，非线性差频技术等.探测器件主要以肖特基二极管，量子阱二极管，CMOS晶体管为主，它响应度高，信噪比好，等效功率高，是太赫兹探测器的核心部件.改进CMOS晶体管的结构、材料和形状来改进太赫兹探测器的技术指标(接收响应度和等效噪声功率)已成热点研究，主要研究基于两个方面，一是CMOS本身结构的改进[1-10],二是CMOS所用材料的改进，主流应用材料是石墨烯、纯净硅、相应比例的半导体材料杂质等[10-17].1 CMOS太赫兹探测器的技术指标1.1 器件响应度器件响应度与栅极偏置电压、输入阻抗有关[1]，根据式(1)可知提高输入阻抗或是减少栅极电压可以提高器件响应度[2].式中，RV为器件响应度， VDS为探测器漏端的输出电压(也表示太赫兹信号的大小)，VRF为表示太赫兹输入信号，VG为源漏端口电压，Vth为阈值电压.Rin为输入阻抗的实部.1.2 噪声等效功率表示MOSFET器件的噪声主要有热噪声和闪烁噪声[3].其中，闪烁噪声谱密度与频率成反比，通常在输入信号中加入调制频率可以降低闪烁噪声，当调制频率足够大时，闪烁噪声可以忽略不计，因此式(2)是MOSFET的噪声等效功率主要时热噪声[4]，即(2)式中，W是栅宽，L为栅长，μ为沟道载流子迁移率，Cox为栅氧化电容，Rin输入阻抗的实部， N1电流噪声功率谱密度， RI为电流响应，k为玻尔兹曼常数，T 为温度.反之， MOSFET闪烁噪声为主要噪声[5]，那计算等效功率如式(3)所示.(3)NV 电压噪声功率谱密度，RV 电压响应.2 基于调整CMOS晶体结构来改进太赫兹探测器图1所示是太赫兹探测器的CMOS晶体管，S为源极[6]、G为栅极[7]、D为漏极、Leff 和Ldrawn 是沟道隧穿区域，W是栅极长度[8].源极和栅极之间区域是太赫兹入射波入射区域，而栅极和源极之间的电压信号是太赫兹信号波的输出区域[9].CMOS结构改进研究主要以栅极长度调整[1]、漏极偏置电压调整[2]、CMOS衬底的改变[10]、沟道隧穿区域[11]的调整等方面.2.1 CMOS晶体管栅极的改进方案栅极的改变如表1所示，根据Tong Fang团队[25]实验或模拟得到结果，该结果可以显示栅极长度为90 nm和130 nm，频率高过1 THz时响应度和等效功率达到最佳，所以文献[5]提出超过1 THz频率时CMOS晶体管的栅长一般都采用90 nm和130 nm，而频率小于1 THz时等效功率与响应度是一个相互矛盾，要根据不同的要求和不同的系数指标来制定栅极的长度.所以研究的CMOS晶体管栅长的目的是提高太赫兹探测器的响应度和等效功率，解决响应度和等效功率的相对矛盾主要是通过调整维度，目前，三维集成体对栅极的研究将突破原有二维集成体，根据Xu团队[21]实验结论：“增大源与沟道隧穿的电场来决定栅极的形状；如高K 栅介质、双栅和环栅等栅结构”.表1 CMOS栅长度与频率关系及其响应度和等效功率CMOS栅长度/nm频率/(THz) 响应度(R)/(kV/W)等效功率/(pW/Hz )650.29258650.865140100653.00.52673902.5433663903.1330885 900.3651200200续表1CMOS栅长度/nm频率/(THz) 响应度(R)/(kV/W)等效功率/(pW/Hz )1304.923834301300.28250331300.292581300.2730018.71800.29 0.72612500.22020762500.65803002.2 CMOS晶体管漏极的改进方案根据张行行[24]提出的漏极偏置电压调整方案，如图2所示，通过加入Vdc 外加的偏置电压来增强漏极的电流值，从而提高CMOS晶体管的响应度和等效功率.此方法用在0.65 THz的太赫兹波接收上，响应度提高了32 %，平均功率增加10 %.该方案同时还考虑阻抗，温度、介电系数，噪声等因素，通过漏极电流改变，影响最大的就是阻抗，所以方案选取阻抗作为对电流的响应，通过Vgs 的电压变化来找出最优的选择方案.改变栅极和漏极电压的方案可能会使原有的CMOS晶体管寿命会受到一定的影响.2.3 CMOS晶体管衬底的改进方案COMS衬底的研究主要是结构和材料，结构主要以分层为主，一般CMOS衬底为2～5层，材料上使用石墨烯、高纯度硅、或是改变原有元素的比例等等.[23]提出一种四层衬底结构(如图3所示)，通过材料本身的介电参数来计算探测器中CMOS晶体管的响应度和等效功率.此方法主要通过介电参数与输入频率的关系，在通过输入频率来计算CMOS晶体管的响应度和等效功率，一般用于热辐射太赫兹探测器中.根据材料的不同，热探测器本身的性能也不同，要根据实际需要的探测器类型进行材料的选择.图3中ε 为介电参数.以上3个方面都是根据CMOS结构本身的特点，通过改变结构，来改进CMOS的响应度和等效功率，情况对比见表2.表2 CMOS结构改进方案对照表CMOS结构改进方案优点缺点栅极改进方案减少外加电压,增加载流子数量,提高CMOS对输入信号的响应度. 直接提高响应度,间接提高等效功率结构复杂,改进方案涉及参数和材料比较多漏极外加电压方案直接加入外加电压,增大了载流子数量,提高CMOS对输入信号的响应度响应度提高较多,等效功率提高较小,并有噪声影响. CMOS晶体管使用寿命缩短,噪声影响较大.衬底的改进方案通过衬底层面和材料增加载流子数量,提高CMOS对输入信号的相应,同时也提高了等效功率. 提高响应度同时也能提高等效功率,但材料石墨烯工艺复杂. 所用材料石墨烯工艺复杂3 CMOS晶体管材料改进方案CMOS结构中栅极主要以玻璃体，砷化铟等为主，衬底以石墨烯，石墨烯量子点，纯硅为主.Mallik[16]提出用砷化铟作为CMOS晶体材料实现1 THz的太赫兹信号接收，响应度达到60 V/W，栅极偏置电压可以达到-0.4 V.其主要衬底用的是石英玻璃，在室温下就可以探测，材料结构为In0.53Ga0.47As/In0.71Ga0.29As/InAs/In0.71Ga0.29As/In0.53Ga0.47As/InP双异质结结构.其优点载流子数量多，响应度高，等效功率高，本身可以达到接收频率在1 THz以上.石墨烯是一种二维材料，研究还是处于初始阶段，厚度只是相当于单层的碳原子，稳定的物理结构，可以制作出非常薄且十分坚固的晶体管，其性能是在短时间内载流子数量可以达到千级，Pfeiffer[17]利用石墨烯加入漏的方案，响应度达到74V/W，等效功率达到130SpW/Hz1/2，相对于400 GHz的砷化铟响应度提高了20%，等效功率提高了40%.石墨烯量子属于石墨烯的一种，较石墨烯，它有更高的电子迁移率，较长的热电子寿命，极快的电子取出速度，较宽的光谱吸收范围，可以从紫外线到可见光的全谱吸收，同时提高能量的转化效率，石墨烯量子直接提高CMOS电容特性，是载流子流向速度加强，更好更高效的吸收太赫兹能量.Cordelia Sealy 团队[18]2017年6月提出用石墨烯量子用在CMOS晶体管上，主要通过这种方式来提高响应度、低功耗、价格低廉，在常温即可使用.表3 CMOS晶体结构材料对照表CMOS晶体结构材料特点参数指标缺点砷化铟、氮化镓,砷化镓等化合材料易加工,易实现的化合物,目前可以达到1THz以上,但带宽窄,接收频谱范围固定. 响应度较高等效功率较高噪声较大能量吸收效率差接收频谱范围固定制备工艺相对简单,使用范围广,电路设计相对容易,产品较多.晶体硅(纯硅),玻璃硅较易加工,一般用在栅极或是栅下的沟道隧穿区域. 噪声较小等效功率高响应度较高能量吸收效率较差接收频谱范围窄制备工艺不复杂,目前制备在CMOS晶体结构中比较复杂,需要较好的材料合成.石墨烯不易加工,可以用在CMOS栅极、漏极、沟道隧穿区域.载流子数量较多. 等效功率高相应度高能量吸收效率高接收频谱范围宽制备工艺复杂,目前属于研发初级阶段,制备工艺方案不同一.石墨烯量子初级实验阶段,可以用在沟道隧穿区域,载流子数量多、载流子流速快,耐高温、低功耗. 等效功率高响应度高能量吸收效率可以达到70%,是目前所有材料种吸收效率最高的一种材料.接收频谱范围也是目前为止最宽的一种材料制备工艺复杂,目前研发初始阶段,有待于一步改进和试验阶段.4 CMOS晶体管的应用进展及前景4.1 CMOS晶体管在太赫兹天线应用CMOS晶体管在太赫兹探测器中应用最多的就是在太赫兹探测器的天线组件部分，目前使用较多的天线是微带天线(如图1)[24]用12行×9列的探测器单元组成的微带天线(如图4)，根据不同环境和情况可以进行调整，每个单元组成主要通过CMOS晶体的使用制作而成，并用量子级联激光器作为发射源，可以用于3 THz，根据[10]研究结论，目前实验研究探测器范围1 T～3.8 T之间.该天线用于步进式扫描图像.分辨率和成像效果好于其它成像天线.许多学者根据入射频率或是入射谱密度调整Patch天线的形状和内部结构，如把接收器形状变成菱形、圆形、椭圆形等，调整不同的内部结构，还有一些调整CMOS晶体管的衬底材料和内部结构性材料组成，这些都使原有的性能得到较大的提高.除了上面的主流微带天线之外还有更多的CMOS系列天线，如图5中是相关的几种天线，图5中的(a)single-dipole 天线, (b)dual-dipole 天线, (c)four-leaf-clover 天线,(d)bow-tie 天线4种天线的形状，其中以bow-tie antenna 为例[21]，如图3所示用CMOS为基础元件建立的bow-tie 天线.通过以上4种天线的结构设定是根据CMOS衬底的材料为依据，再根据天线自身的寄存电容性的性能为基础的，所以每一种天线的架构都是有不同的限定.例如图3为例[22],首先要考虑到天线的基本参量，天线的阻抗、寄存电容、温度、入射频率、入射角度等等.所以根据以上参数的最佳量化可以计算出CMOS天线的基本结构参量，栅极和源极半径、漏极的长宽和相关的CMOS内部结构参数.研究探测器本身的判定的依据主要是等效噪声功率和探测器的响应度，这2个参数有跟输入阻抗、输入功率、温度、材料、CMOS的偏置电压等等有关系.天线仿真实验的输入阻抗一般取50 Ω[23].因为参数相互影响又相互关联，所以在仿真情况下要看那个参数对系统指标参数影响比较大，某些参数要选择固定值.目前对小型天线的研究还处于研发阶段[24]，因为小型天线的滤波和天线本身的产生的噪声将直接影响到探测器接收信号的强度和信号的准确性，如果天线在1 THz 以上的高频信号使用性能有所改善，太赫兹探测器将会有很大的技术性突破.4.2 CMOS晶体管发展前景展望目前小型集成化电路不断的发展，同时要求CMOS晶体尺寸越来越小，功能也要求越来越多，达到通信、网络、电子器件等电子产品的小型化，但终端设备功能可以取代中心性通信，可以达到无中心化网络通信，所以太赫兹探测器本身不但有探测功能还应该有判断功能、存储功能，通信功能等等，从结构发展方向上，未来用三维集成体CMOS晶体管可以使器件变的更小、更稳定、工艺更为灵活，从材料发展方向上，未来使用石墨烯中的石墨烯量子使太赫兹吸收能量多、外加电源小、响应度高、噪声小、频谱宽、功耗小等优点，未来CMOS晶体的将实现集成最小化、稳定性能好、响应度高、等小功率高等优点，更好的应用于太赫兹探测器.参考文献:【相关文献】[1] BHOWMIK B, PATTANAIK M, SRIVASTAVA P. A low power low noise two stage CMOS operational amplifier for biopotential signal acquisition system[J]. International Journal of Emerging Technology and Advanced Engineering, 2013, 3:224-228.[2] CHEN F, YANG J, LI Z. Modeling of an uncooled CMOS THz thermal detector with frequency‐selective cross‐dipole antenna and NMOS temperature sensor[J]. Microwave and Optical Technology Letters, 2017, 59(12):3160-3166.[3] D’ASCENZO N, BROCKHERDE W, DREINER S, et al. Design and Characterization of a Silicon Photomultiplier in 0.35-μm CMOS[J]. IEEE Journal of the Electron Devices Society, 2018, 6:74-80.[4] DENG Y, YAKO M, ZHANG Z, et al. A Low-Loss Crossing of Silicon Waveguides for Optical Switches on CMOS Platform[J]. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, 2018, 24(6):1-5.[5] DOMINGUES S, PERENZONI D, PERENZONI M, et al. CMOS Integrated Lock-in Readout Circuit for FET Terahertz Detectors[J]. Journal of Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves, 2017, 38(6):679-688.[6] DUBEY A K, NAGARIA R K. Enhanced Gain Low-Power CMOS Amplifiers:A Novel Design Approach Using Bulk-Driven Load and Introduction to GACOBA Technique[J]. Journal of Circuits, Systems and Computers, 2018:1850204.[7] GAN K J, HUANG C H, YEH W K, et al. Design of multi-threshold threshold gate using MOS-NDR circuits suitable for CMOS process[J]. Analog Integrated Circuits and Signal Processing, 2018, 96(3):409-416.[8] GENERALOV A A, ANDERSSON M A, YANG X, et al. A 400-GHz graphene FET detector[J]. IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology, 2017, 7(5):614-616. [9] HAO Y, YANG L, MA X, et al. High-performance microwave gate-recessedAlGaN/AlN/GaN MOS-HEMT with 73% power-added efficiency[J]. IEEE Electron Device Letters, 2011, 32(5):626-628.[10] IKAMAS K, CIBIRAITE D, LISAUSKAS A, et al. Broadband Terahertz Power Detectors Based on 90-Nm Silicon CMOS Transistors with Flat Responsivity up to 2.2 THz[J]. IEEE Electron Device Letters, 2018, 39(9):1413-1416.[11] IKAMAS K, LISAUSKAS A, BOPPEL S, et al. Efficient Detection of 3 THz Radiation from Quantum Cascade Laser Using Silicon CMOS Detectors[J]. Journal of Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves, 2017, 38(10):1183-1188.[12] KIM D Y. Reduction of Low Frequency Noise Impact to Terahertz Detectors in CMOS[J]. IEEE Microwave and Wireless Components Letters, 2017, 27(2):150-152.[13] LEE M J, XIMENES A R, PADMANABHAN P, et al. A back-illuminated 3D-stackedsingle-photon avalanche diode in 45nm CMOS technology[C]//Electron Devices Meeting (IEDM), 2017 IEEE International. IEEE, 2017:16.6. 1-16.6. 4.[14] LIU Z, LIU L, ZHANG Z, et al. Terahertz detector for imaging in 180-nm standard CMOS process[J]. Science China Information Sciences, 2017, 60(8):082401.[15] LIU Z, LIU L, WU N. Design of 1-THz field effect transistor detectors in 180-nm standard CMOS process[C]//International Symposium on Photoelectronic Detection and Imaging 2013:Terahertz Technologies and Applications. International Society for Optics and Photonics, 2013, 8909:89091E.[16]MALLIK A, CHATTOPADHYAY A. Tunnel field-effect transistors for analog/mixed-signal system-on-chip applications[J]. IEEE Transactions on Electron Devices, 2012,59(4):888-894.[17] PFEIFFER U R, GRZYB J, SHERRY H, et al. Toward low-NEP room-temperature THz MOSFET direct detectors in CMOS technology[C]//Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves (IRMMW-THz), 2013 38th International Conference on. IEEE, 2013:1-2.[18] SEIFRIED M, VILLARES G, BAUMGARTNER Y, et al. Monolithically Integrated CMOS-Compatible III-V on Silicon Lasers[J]. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, 2018, 24(6):1-9.[19] WANG C C, WANG D S, CHEN S Y. 56.67 fJ/bit single-ended disturb-free 5T loadless 4 kb SRAM using 90 nm CMOS technology[J]. Analog Integrated Circuits and Signal Processing, 2018, 96(3):435-443.[20] XU L, GUAN J, BAI X, et al. A novel CMOS multi-band THz detector with embedded ring antenna[J]. Journal of Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves, 2017, 38(10):1189-1205.[21] XU L, GUAN J, BAI X, et al. A novel CMOS multi-band THz detector with embedded ring antenna[J]. Journal of Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves, 2017, 38(10):1189-1205.[22] YANG J R, HAN S T, BAEK D. Differential CMOS Sub-Terahertz Detector with Subthreshold Amplifier[J]. Sensors, 2017, 17(9):2069.[23] ZHANG B, YAN W, LI Z, et al. Analysis of Substrate Effect in Field Effect Transistor Terahertz Detectors[J]. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, 2017,23(4):1-7.[24] ZHANG Xing-xing, JI Xiao-li, LIAO Yi-ming, et al. Performance enhancement of CMOS terahertz detector by drain current[J]. Chinese Physics B, 2017, 26(09):495-499.。
太赫兹波探测器的研究进展
太赫兹波探测器的研究进展作者：仝文浩睢丙东王保柱来源：《科技风》2018年第01期摘要：太赫兹波具有瞬态性、宽带性、穿透性和低能性等独特的性质，在材料研究、信息传输、环境检测、国土安全、医疗健康等方面有着非常广阔的应用前景。
作为应用的关键，太赫兹探测器因此得到了各国研究人员的极大重视。
本文重点介绍了太赫兹的探测技术并对其进行总结和分类，并在此基础上分析了太赫兹探测器的发展趋势。
关键词：太赫兹；探测器太赫兹波（简称THz）的波长在0.03～3mm、频率在0.1～10THz范围内。
相对于其他波段来说，太赫兹波具有独特的优势。
例如，太赫兹波的低能性使其能够用于无损检测；强穿透性使得直接探测物品内部信息成为可能。
但是长期以来，由于太赫兹发射源和太赫兹探测技术的匮乏使得人们并未充分利用太赫兹技术的优势。
对于太赫兹探测器来说，其探測的主要难度主要在于太赫兹光子能量低使得易于收到背景噪声的影响。
从上世纪80年代起，随着一系列新技术和新材料的发展，太赫兹技术从此得以快速发展。
1 太赫兹探测技术的分类1.1 相干探测技术相干探测的优势在于灵敏度高、频谱分辨率高，其劣势在于结构比较复杂、成本高，主要有光电导天线采样法、自由空间电光采样法和外差法。
光电导天线采样法是利用光电导天线可以探测太赫兹脉冲，得到太赫兹脉冲的时域波形和频谱[1]。
其原理是使用半导体光电导天线作为太赫兹接收元件，探测激光脉冲照射到光电导天线的光电导间隙时激发光生载流子，如果恰好太赫兹源发出的脉冲电场入射到天线的表面，就会将载流子驱向天线的两极形成电势差，使得外接的电流指示器产生相应示数。
目前最常用的光导天线是在低温生长的砷化镓上制作的[2]，光电导天线探测器的最大带宽约为 2THz。
自由空间电光采样法：其探测原理是利用探测光与太赫兹辐射所激发的线性电光效应[3]。
太赫兹波经过电光晶体引起电光晶体折射系数的变化使得线偏振的探测光产生相位延迟，相位延迟的程度和太赫兹脉冲强度成正比。
太赫兹光电探测技术的应用研究
太赫兹光电探测技术的应用研究太赫兹（THz）波是介于微波和红外线之间的电磁波。
它的频率范围是0.1到10 THz，对于大部分物质来说，太赫兹波穿透性强、非离子性、对生物组织无害，因此可以被用于医学、生物学、化学、无损检测等领域。
太赫兹波的电磁波频率非常高，一般的电子元器件很难进行发射、接收、调制和检测。
因此，太赫兹的光电探测技术至关重要。
太赫兹光电探测技术是近年来发展起来的一种拥有很高潜力的技术。
它的原理是基于光电效应和太赫兹电磁波的作用。
当太赫兹波照射到物质表面，会产生电场效应，引起载流子的迁移和激发。
这些载流子可以被探测器收集和测量，实现对太赫兹波的探测。
太赫兹光电探测技术的应用广泛，其中一些应用可以被用于以下领域。
1.医学诊断太赫兹光电探测技术可以用于医学影像学，能够检测人体的内部组织和病变的信息。
相比于传统的X射线和磁共振成像，太赫兹光电探测技术更加安全、非侵入性，可以提供更为详细的组织信息和早期疾病的侦测。
2.食品安全太赫兹光电探测技术可以用于食品安全检测。
因为太赫兹波可以穿透绝大部分的物质，包括食物、纸、塑料等，可以对食品的内部和表面进行检测，发现其质量问题。
同时，太赫兹光电探测技术还可用于检测食品中的化学物质成分和含量。
3.安防领域太赫兹光电探测技术可以用于安防领域，进行安全检测。
因为太赫兹波可以穿透普通材料，如纸、衣物和塑料，太赫兹光电探测器可以检测到人体下方的物品，可以用于探测隐藏的危险物品，如爆炸物和毒品。
4.电子科技由于太赫兹光电探测器可以检测到太赫兹波的电磁信号，并在毫秒级时间内响应，因此可以被用于高速电子器件和电路的测试和诊断。
太赫兹光电探测技术还可以被应用于高频电磁波的测量和调制。
在以上的应用中，太赫兹光电探测技术还有以下的优点：1. 收集散射信号常规的太赫兹波探测技术是通过向被测样品发送单一的太赫兹波信号，然后侦测信号的反射或透射。
太赫兹光电探测技术可以收集太赫兹波与样品相互作用的特殊散射信号，可以获得更为详细的信息。
美国西北大学提出一种用于探测太赫兹辐射的电压可调量子点光电探测器
而得 到调 节。在 正入 射 时，其
峰 值 探 测 波 长 可 以 用 一Ｖ 至 ５
２ 的栅 极 电压 从 约 ５ 调 到 Ｖ ０
约 ９ （．Ｔ ｚ至 ３ Ｔ ）。 ０ ｍ ６０ Ｈ ． Ｈｚ ３
在 ７Ｋ 时 ，探 测 的 峰 值 吸 收 ７ 系 数 约 在 １。ｍ－ ０ｃ １量 级 ，光 电
同性 轮 廓 图
４ （００１５０ （ｐ ） ｏ： ． ８ ３２１）５ １１６ｐ，ｄｉ０１ １ ０ ８０２ ７７４／５１５Ｏ ／０２３２／３１／５１１）
口 高 国 龙
ＩＦ Ａ Ｅ （ Ｏ Ｔ Ｌ）Ｖ Ｌ３ ， ｏ１ ， Ｏ Ｔ２ １ Ｎ Ｒ Ｒ Ｄ Ｍ Ｎ ＨＹ ／ ｏ ． Ｎ ．０ Ｃ ０ ０ １
明器 。
图 １ Ｇ １０ ＶＳ ０ ０的远 距 离成 像 系 统 的外 形
口 高 国 龙
美 国西 北大 学 提 出 一种 用 于探 测 太 赫 兹 辐 射 的 电 压 可 调 量子 点 光 电 探 测 器
被 大 概 定 义 为 １至 ＩＴ Ｏ Ｈｚ 频 率 范 围 的太 赫 兹 区在 许 多领 域 具 有 潜 在 的应 用 ，如 化 学 敏 感 、 医 学成 像 以及 自 由 空 间 光 通 信 等 。目前 ， 赫 兹 光 可 以用 太 诸 如 肖特 基 二 极 管 混 频 器 、非
探测器 的峰值 探测 率可达到 约
Ｇａ ｅ ｔ
ｌ ｌ ㈨
，ａ ●。 Ｇ ｔ ｅ
１ ９ｍ ２ ｚ／ｗ ＿。 ０ ｃ Ｈ １２
。
与 通 过 自组
装 生 长 形 成 的量 子 点相 比，美
国 西 北 大 学 研 究 人 员 提 出 的
这 种 方 法 的优 点 是 ，形 成 的量 子 点 的大 小 非 常 均 匀 ，为 探 测
基于太赫兹量子阱光电探测器的成像技术研究进展
较于其他探测器，THz QWPs 作为成像系统接收器时，系统具有成像分辨率高、成像速度快、成像信噪比高、结构紧
凑等优势。本文综述了基于 THz QWPs 的成像研究进展，并对成像系统核心指标的影响因素进行了分析和总结。采用
更稳定的装置固定 THz QWPs，提升器件响应速度、探测灵敏度、阵列规模，可以有效提升系统各项核心性能。
关键词：太赫兹；量子阱；光电探测器；成像
中图分类号：QTP29；O441.4
文献标志码：A
引用格式：符张龙，李锐志，李弘义，等. 基于太赫兹量子阱光电探测器的成像技术研究进展[J]. 光电工程，2020，
47(5): 190667
Research progress of imaging technology based on terahertz quantum well photodetector
—————————————————— 收稿日期：2019-11-02； 收到修改稿日期：2020-03-12 基金项目：国家重点研发计划(2017YFF0106302)；国家自然科学基金资助项目(61927813，61975225，61875220，61775229)；中
太赫兹量子阱光探测器电子输运特性的MC模拟
太赫兹量子阱光探测器电子输运特性的MC模拟
徐琳;景为平;茅惠兵
【期刊名称】《微电子学》
【年(卷),期】2009(39)2
【摘要】半导体器件的MC(蒙特卡罗)模拟是深入研究小尺寸器件的物理过程中必不可少的工具。
设计了一种基于三能带近似模型的MC平台,用来研究太赫兹场作用下GaAs/Al0.03Ga0.97As量子阱光探测器内部电子的输运特性。
在这个平台的基础上,很好地研究了太赫兹作用下量子阱光探测器在低温和低电场时的电子输运特性。
【总页数】5页(P267-271)
【关键词】蒙特卡罗模拟;太赫兹器件;量子阱;探测器
【作者】徐琳;景为平;茅惠兵
【作者单位】华东师范大学电子科学与技术系,上海200062;南通大学江苏省专用集成电路设计重点实验室,江苏南通226007
【正文语种】中文
【中图分类】TN431.2
【相关文献】
1.太赫兹量子阱光电探测器光栅耦合的模拟与优化 [J], 张戎;郭旭光;曹俊诚
2.基于太赫兹量子阱探测器的太赫兹量子级联激光器发射谱研究 [J], 谭智勇;郭旭光;曹俊诚;黎华;韩英军
3.太赫兹场辅助的单量子阱自旋共振输运 [J], 张存喜;王瑞;孔令民
4.基于太赫兹量子阱光电探测器的成像技术研究进展 [J], 符张龙; 曹俊诚; 李锐志; 李弘义; 邱付成; 谭智勇; 邵棣祥; 张真真; 顾亮亮; 万文坚
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
这 些 耦 合 器 能有 效 改 变 入 射 光 场 的极 化 方 向 ， 使 之 符 合 量 子 阱 子带 跃 迁 选 择 定 则 ， 并 使 光 场 在 多 量 子 阱 吸 收 区 局 域 增强 ， 提高耦合 效率 ， 从而提 高Ｔ Ｈｚ Ｑ Ｗ Ｐ的 探 测 灵 敏 度 。 ３ ） 在Ｔ Ｈ ｚ Ｑ ＷＰ中 ， 发现纵 光学（ Ｌ ０） 声 子 频 率 处 反 常 光 响 应峰 ， 采用 Ｌ Ｏ声 子 辅 助光 场 局 域 增 强 模 型解 释 了 这一 反 常 响应 峰 的起 源 。
ｃ ａ ｐ ｔ ｕ ｒ ｅ ｍｏ ｄ ｅ １ ． Ｓ ｅ ｃ ｏ ｎ ｄ ， ｔ ｈ ｒ ｅ ｅ ｔ ｙ ｐｅ ｓ ｏ ｆ ｌ ｉ ｇ ｈ ｔ ｃ ｏ ｕ ｐ ｌ ｅ ｒ ｓ ｆ ｏ ｒ ｔ ｅ ｒ ａ ｈ ｅ ｒ ｔ ｚ ＱＷ Ｐ ｓ ａ ｒ ｅ ｉ ｎ ｔ ｒ ｏ ｄ ｕ ｃ ｅ ｄ ． Ａｔ ｒ ｅ ｓ ｏ ｎ ａ ｎ ｔ ｆ ｒ ｅ ｑ ｕ ｅ ｎ ｃ ｉ ｅ ｓ ， ｔ ｈ ｅ
关键词 探测器； 太赫兹 ； 量子阱； 金 属 光栅
Ｏ４ ７ ２ ＋ ． ８ 文献标识码 Ａ
中 图分 类 号
ｄｏｉ ：】 ０． ３７８ ８ ／ ＬＯ Ｐ５２． ０９２ ３ ０２
Ｒｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ ｏ ｎ Ｔｅ ｒ ａ ｈ ｅ ｒ ｔ ｚ Ｑｕ ａ ｎ ｔ ｕ ｍ－ Ｗｅ ｌ ｌ Ｐ ｈ ０ ｔ ０ ｄ ｅ ｔ ｅ ｃ ｔ ０ ｒ ｓ
ｐｏｌ ａ ｒ ｉ ｚａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏｆ ｔ ｈｅ ｌ ｉ ｇｈｔ ｉｅ ｆ ｌ ｄ ｉ ｓ ｅｆ ｆ ｅ ｃ ｔ ｉ ｖｅ ｌ ｙ ｔ ｕｎｅ ｄ ｂ ｙ ｔ ｈｅ ｌ ｉ ｇ ｈｔ ｃｏｕｐｌ ｅ ｒ ｓ ｔ ｏ ｆ ｕｌ ｉｌ ｆ ｌ ｔ ｈｅ ｓ ｅ ｌ ｅ ｃｔ ｉ ｏｎ ｒ ｕｌ ｅ ｆ ｏｒ ｉ ｎｔ ｅ ｒ ｓ ｕｂｂａ ｎｄ
以 下 方 面 取 得 的 主要 进 展 ： １ ） 通过考 虑多体效应 ， 解决 了 Ｔ Ｈｚ ＱＷＰ峰 值 响 应 频 率 精 确 设 计 及 多 量 子 阱 能 带 结 构 的
优化 ； 采 用 自洽 发 射 一 俘获模型 ， 研究 了 Ｔ Ｈｚ Ｑ Ｗ Ｐ电子 输 运 问 题 。 ２ ） 提 出三 种 基 于 金 属 光 栅 的 Ｔ Ｈｚ ＱＷＰ 光耦合 器 ，
ｃ ａ ｌ ｃ ｕｌ ａｔ ｅ ｄ ａ ｎｄ ｏｐｔ ｉ ｍｉ ｚ ｅ ｄ ａ ｃｃ ｕｒ ａ ｔ ｅ ｌ ｙ； ｔ ｈｅ ｅｌ ｅ ｃｔ ｒ ｏｎ ｔ ｒ ａ ｎｓ ｐｏｒ ｔ ｂｅ ｈａ ｖｉ ｏｒ ｉ ｓ ｅ ｘｐｌ ｏｒ ｅ ｄ ｗｉ ｔ ｈｉ ｎ ｔ ｈｅ ｓｅ ｌ ｆ — ’ ｃｏ ｎｓ ｉ ｓ ｔ ｅ ｎ ｒ ａ ｃ ｔ Ｔｅ ｒ ａ ｈ ｅ ｒ ｔ ｚ ｑ ｕ ａ ｎ ｔ ｕｍ— ｗｅ ｌ ｌ ｐ ｈｏ ｔ ｏ ｄ ｅ ｔ ｅ ｃ ｔ ｏ ｒ ｓ（ ＴＨｚ ＱＷ Ｐ ｓ ）ａ ｒ ｅ ｐ ｈ ｏ ｔ ｏ ｎ — ｔ ｙ ｐ ｅ ｄ ｅ ｔ ｅ ｃ ｔ ｏ ｒ ｓ ｗｏ ｒ ｋ ｉ ｎ ｇ ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ａ ｈ ｅ ｒ ｔ ｚ
激 光 与 光 电 孑 学 进 展
５ ２ ，０ ９ ２ ３ ０ ２ （ ２ ０ ｌ ５ ）
Ｌ ａ ｓ ｅ ｒ ＆ ０ｐ ｔ ｏ ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｎ ｉ ｃ ｓ Ｐ ｒ ｏ ｇ ｒ ｅ ｓ ｓ
￣２ ０ １ ５ （ 中 国激 光》 杂 志 社
太 赫 兹量 子 阱探 测 器 研 究
郭旭光 顾亮亮 符张龙 张 戎 谭智勇 曹 俊 诚
中 国科 学 院上 海 微 系 统 与 信 息 技 术 研 究 所 太 赫 兹 固态 技 术 重 点 实验 室 ， 上海 ２ ０ ０ ０ ５ ０
摘要
太 赫 兹 量 子 阱探 测 器 （ Ｔ Ｈｚ Ｑ ＷＰ ） 是 一 种 工 作 于 太 赫 兹 频 段 的 光 子 型 探 测 器 。本 文 回顾 了 Ｔ Ｈ ｚ Ｑ ＷＰ近 几 年 在
Ｇｕｏ Ｘｕｇ ｕａ ｎ ｇ Ｇｕ Ｌ ｉ ａ ｎ ｇ ｌ ｉ ａ ｎｇ Ｆｕ Ｚ ｈａ ｎｇ ｌ ｏｎｇ Ｚｈａ ｎｇ Ｒｏ ｎｇ Ｔａ ｎ Ｚ ｈｉ ｙｏ ｎｇ Ｃａ ｏ Ｊ ｕ ｎｃ ｈｅ ｎ ｇ
Ｋｅ ｙ Ｌａ ｂ ｏ ｒ ａ ｔ ｏ ｒ ｙ ｏ ｆ Ｔ ｅ ｒ ａ ｈ ｅ ｒ ｔ ｚ Ｓ ｏ ｌ ｉ ｄ ～ Ｓ ｔ ａ ｔ ｅ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ， Ｓ ｈ ａ ｎｇ ｈ ａ ｉ Ｉ ｎ ｓ ｔ ｉ ｔ ｕｔ ｅ ｆ Ｍｉ ｏ ｃ ｒ ｏ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ａ ｎ ｄ Ｉ ｎ ｆ ｏ ｒ ｍ ａｔ ｉ ｏ ｎ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ， Ｃｈ ｉ ｎｅ ｓ ｅ Ａｃ ａ ｄ ｅ ｍｙ ｆ ｏ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎｃ ｅ ｓ ， Ｓ ｈ ａ ｎ ｇ ｈ ａ ｉ ２ ０ ０ ０ ５ ０ ， Ｃｈ ｉ ｎａ