【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(xué)和微波電子學(xué)的特性。太赫茲技術(shù)在雷達(dá)、通信、無(wú)損檢測(cè)、生物醫(yī)學(xué)和環(huán)境檢測(cè)等眾多領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。對(duì)太赫茲光源和太赫茲探測(cè)器的研究是當(dāng)前推進(jìn)太赫茲技術(shù)發(fā)展的兩大關(guān)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(cè)靈敏度就顯得尤其重要。室溫下工作的太赫茲波探測(cè)器靈敏度的提升對(duì)推進(jìn)太赫茲波的應(yīng)用有很重要的意義。本文結(jié)合太赫茲場(chǎng)效應(yīng)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(cè)器的光學(xué)和電學(xué)靈敏度為研究目標(biāo),通過(guò)增強(qiáng)太赫茲天線因子和提升光學(xué)耦合效率等方式提高了太赫茲混頻探測(cè)器的響應(yīng)度,通過(guò)非相干太赫茲寬譜探測(cè)以及局域電場(chǎng)的表征驗(yàn)證混頻模型的正確性。主要內(nèi)容和結(jié)果如下:1、研究了各天線參數(shù)對(duì)太赫茲混頻探測(cè)的影響。以基于準(zhǔn)靜態(tài)模型的太赫茲自混頻探測(cè)機(jī)理為基礎(chǔ),對(duì)基于高電子遷移率晶體管的太赫茲混頻探測(cè)器的外差探測(cè)機(jī)理進(jìn)行了闡述。對(duì)太赫茲探測(cè)器天線的作用進(jìn)行了分析,得到各參數(shù)對(duì)探測(cè)器響應(yīng)度的影響。其中天線的長(zhǎng)度和寬度主要調(diào)控探測(cè)器的探測(cè)頻率,天線間距主要影響溝道內(nèi)混頻電場(chǎng)強(qiáng)度,柵極長(zhǎng)度主要調(diào)控溝道跨導(dǎo)。通過(guò)對(duì)天線參數(shù)進(jìn)行針對(duì)性的優(yōu)化改善,將室溫下探測(cè)器的靈敏度提升一個(gè)數(shù)量級(jí),室溫下噪聲等效功率達(dá)到10 pW/Hz0.5以下。2、設(shè)計(jì)天線尺寸,利用多個(gè)探測(cè)器組合的方式將探測(cè)器的探測(cè)頻段覆蓋至0.1-1 THz。本文采用FDTD方法設(shè)計(jì)天線尺寸,針對(duì)不同的太赫茲波傳輸?shù)拇髿獯翱谠O(shè)計(jì)最優(yōu)天線尺寸,通過(guò)不同探測(cè)器天線的組合實(shí)現(xiàn)對(duì)0.1-1 THz太赫茲波的探測(cè),彌補(bǔ)了單個(gè)太赫茲天線由于有限的帶寬無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)太赫茲波的全覆蓋探測(cè)的缺陷。3、研制了太赫茲探測(cè)器組件。通過(guò)仿真,得到太赫茲波在超半球硅透鏡和喇叭波導(dǎo)內(nèi)的傳輸特性和電場(chǎng)分布特性,提煉出最優(yōu)集成參數(shù),并將太赫茲探測(cè)器與硅透鏡或喇叭波導(dǎo)進(jìn)行集成形成太赫茲組件,有效提升了太赫茲探測(cè)器對(duì)入射太赫茲波的有效吸收率,探測(cè)器的靈敏度提升至30倍。同時(shí)探測(cè)器和此類(lèi)元件的集成還可以消除太赫茲響應(yīng)中由芯片襯底厚度引起的干涉效應(yīng)。探測(cè)器組件集成放大電路形成探測(cè)器模組,探測(cè)器模組的響應(yīng)度可達(dá)到kV/W數(shù)量級(jí),同時(shí)模組小巧便攜,方便使用。4、利用太赫茲天線耦合的場(chǎng)效應(yīng)溝道中的局域太赫茲混頻電場(chǎng),對(duì)太赫茲場(chǎng)效應(yīng)混頻探測(cè)器的局域電場(chǎng)進(jìn)行表征。利用超半球硅透鏡對(duì)太赫茲波的匯聚以及源漏電場(chǎng)對(duì)溝道電子氣的調(diào)控,實(shí)現(xiàn)探測(cè)器對(duì)太赫茲波的局部響應(yīng)。得到的探測(cè)器中太赫茲響應(yīng)分布和場(chǎng)效應(yīng)混頻模型相吻合,直接驗(yàn)證了理論模型的正確性。同時(shí)揭示出當(dāng)前探測(cè)器結(jié)構(gòu)存在不足:當(dāng)入射光斑只能輻照到探測(cè)器的局部時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)反相響應(yīng)信號(hào),不能正確反映被測(cè)光源的信息,為后續(xù)探測(cè)器結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供依據(jù)。5、首次實(shí)現(xiàn)了場(chǎng)效應(yīng)混頻探測(cè)器對(duì)非相干太赫茲光的探測(cè),驗(yàn)證了場(chǎng)效應(yīng)探測(cè)器不僅可探測(cè)連續(xù)相干太赫茲波,而且可探測(cè)非相干寬譜太赫茲波。利用0.34 THz、0.65 THz和0.9 THz多個(gè)頻段的場(chǎng)效應(yīng)太赫茲探測(cè)器,在液氮環(huán)境下實(shí)現(xiàn)了對(duì)900 K黑體輻射的非相干太赫茲波的探測(cè)和成像演示。本文通過(guò)對(duì)器件模型進(jìn)行分析,表征了各參數(shù)對(duì)器件性能的影響,并通過(guò)研究得到了最優(yōu)的參數(shù)值。結(jié)合超半球硅透鏡和喇叭波導(dǎo)的集成,場(chǎng)效應(yīng)晶體管太赫茲探測(cè)器在室溫的光學(xué)噪聲等效功率可以達(dá)到10 pW/Hz0.5以下。實(shí)現(xiàn)了場(chǎng)效應(yīng)探測(cè)器對(duì)非相干太赫茲波的探測(cè),表征了探測(cè)器的寬譜特性。實(shí)驗(yàn)演示了探測(cè)器對(duì)入射太赫茲波的局域響應(yīng),不僅驗(yàn)證了混頻理論模型,還揭示出當(dāng)前探測(cè)器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)缺點(diǎn),為后續(xù)探測(cè)器優(yōu)化提供依據(jù)。
【圖文】：

波長(zhǎng)為３０邋ｐａｎ邋＿邋３邋ｍｍ，光譜中對(duì)應(yīng)波數(shù)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(lǐng)域逡逑太赫茲波段有不同的名稱(chēng)，在光學(xué)領(lǐng)域被稱(chēng)為遠(yuǎn)紅外；在電子學(xué)領(lǐng)域，則稱(chēng)其為逡逑亞毫米波、超微波等［１］。直到上世紀(jì)八十年代中后期才被正式命名為太赫茲波。逡逑因?yàn)樘掌澆ú煌耆珜儆趥鹘y(tǒng)的電子學(xué)頻率，也不完全屬于光學(xué)頻率，早期因?yàn)殄义先狈τ行У难芯糠椒ê脱芯吭O(shè)備，對(duì)太赫茲波的研究有限，形成了科學(xué)家口中的逡逑“太赫茲空隙”［２］。但正因?yàn)樘掌澆ㄌ幱谖⒉ê图t外波的過(guò)渡階段，可以同時(shí)利逡逑用宏觀經(jīng)典理論和微觀量子理論來(lái)對(duì)其進(jìn)行探索。隨著對(duì)太赫茲波研究的深入，逡逑發(fā)現(xiàn)太赫茲波有眾多獨(dú)特的性質(zhì)，在高速通信，生物醫(yī)學(xué)，無(wú)損檢測(cè)，安檢防護(hù)逡逑等眾多領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景，，是國(guó)家安全和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的一個(gè)發(fā)展機(jī)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(cè)器⑷熱輻射計(jì)丨州（ｂ）熱釋電探測(cè)器丨５0１邋（Ｃ）氋萊探測(cè)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(cè)時(shí)利用超導(dǎo)動(dòng)逡逑態(tài)電感探測(cè)器（ＭＫＩＤｓ）、超導(dǎo)相變邊緣探測(cè)器（ＴＥＳ）和超導(dǎo)隧穿結(jié)（ＳＴＪ）檢測(cè)逡逑器。ＴＥＳ利用太赫茲波輻照下超導(dǎo)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(jì)（通常為ＳＱＵＩＤ）來(lái)記錄檢測(cè)電流的變化。ＴＥＳ的ＮＥＰ可以達(dá)逡逑到ｌ0－２Ｇ＼Ｖ／Ｈｚａ５，主要用于射電天文領(lǐng)域。目前最大規(guī)模的ＴＥＳ檢測(cè)器陣列應(yīng)逡逑用是安裝在美國(guó)的ＪＣＭＴ邋（Ｊａｍｅｓ邋Ｃｌｅｒｋ邋Ｍａｘｗｅｌｌ邋Ｔｅｌｅｓｃｏｐｅ）望遠(yuǎn)鏡上的ＳＣＵＢＡ２逡逑探測(cè)器陣列［５３］。ＭＫＩＤ太赫茲?rùn)z測(cè)器是基于太赫茲輻照引起超導(dǎo)電子對(duì)密度的逡逑變化，進(jìn)而導(dǎo)致超導(dǎo)薄膜制成的諧振腔的諧振頻率的變化。此種檢測(cè)器讀出簡(jiǎn)單逡逑方便，便于形成大規(guī)模陣列。噪聲水平與ＴＥＳ相當(dāng)［５４］。ＳＴＪ利用準(zhǔn)粒子在太赫逡逑茲光子的輔助下，隧穿過(guò)勢(shì)壘，產(chǎn)生隧道電流。此探測(cè)器的檢測(cè)速度快于ＴＥＳ和逡逑ＫＩＤ，可應(yīng)用于高能光子檢測(cè)中，可獲得高分辨率光譜。目前ＳＴＪ探測(cè)器的噪聲逡逑水平在邋１０＿１６邋Ｗ／Ｈｚａ５。逡逑
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：TN386

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本文編號(hào)：2613316