發(fā)布時間：2020-11-08 16:13

　　 探測器的研究是紅外(IR)與太赫茲(THz)領(lǐng)域的一個重要基礎(chǔ)內(nèi)容,紅外與太赫茲探測技術(shù)在成像,生物醫(yī)療,大氣遙感等領(lǐng)域的快速發(fā)展對探測器件提出了更高的要求,室溫工作、響應(yīng)速度快,靈敏度高,便于集成的紅外與太赫茲探測器件是目前亟需發(fā)展的方向。本文圍繞課題組提出的新型太赫茲探測機理-電磁誘導(dǎo)勢阱(EIW)機理,基于硅基材料制備了金屬-半導(dǎo)體-金屬(MSM)結(jié)構(gòu)的太赫茲光電探測器件,室溫下實現(xiàn)了對微波以及太赫茲波段的寬波段快速響應(yīng),并展現(xiàn)了優(yōu)異的器件性能。此外,首次提出了一種基于錳鈷鎳氧(MCNO)熱敏材料和能夠增強器件吸收效率的介質(zhì)-金屬-介質(zhì)吸收結(jié)構(gòu)的室溫寬波段紅外熱探測器。主要的內(nèi)容和創(chuàng)新點如下:(1)為進(jìn)一步發(fā)展電磁誘導(dǎo)勢阱探測機理的普適性以及實現(xiàn)太赫茲器件的光電集成,本文首次考慮將硅基材料應(yīng)用于電磁誘導(dǎo)勢阱理論。器件結(jié)構(gòu)簡單,易于COMS工藝兼容,這為實現(xiàn)高靈敏、可室溫探測太赫茲陣列器件提供了新的方向和研究方法。(2)基于具有SOI結(jié)構(gòu)的P型硅材料,通過半導(dǎo)體工藝制備了尺寸較小的具有金屬-半導(dǎo)體-金屬結(jié)構(gòu)的硅基探測器,并搭建了太赫茲測試系統(tǒng)對器件的響應(yīng)率、等效噪聲功率和時間常數(shù)等性能參數(shù)進(jìn)行表征。硅基探測器實現(xiàn)了寬波帶探測以及展現(xiàn)了優(yōu)異的器件性能,在微波波段(20-40 GHz)器件的響應(yīng)率為49.3kV/W的響應(yīng)率和0.38 pW/√Hz的等效噪聲功率(NEP),在亞太赫茲波段(0.165-0.173 THz)實現(xiàn)了3.3 kV/W的響應(yīng)率以及5.7 pW/√Hz的NEP值,器件的響應(yīng)快速,時間常數(shù)為810 ns.(3)錳鈷鎳氧材料對入射紅外窗口波段的吸收率不高,在寬波段范圍內(nèi)具有選擇性。因此,基于MCNO熱敏材料,本文首次設(shè)計并制備了介質(zhì)-金屬-介質(zhì)(Si_3N_4/NiCr/SiO_2)吸收層結(jié)構(gòu),增強了MCNO薄膜3-14μm紅外透明范圍內(nèi)的光吸收,提高M(jìn)CNO紅外器件的性能。(4)通過磁控濺射法和化學(xué)溶液法制備得到性能較好的MCNO薄膜,首先進(jìn)行薄膜的結(jié)晶性以及形貌的XRD和SEM測試分析,MCNO薄膜具有良好的結(jié)晶性以及負(fù)溫度系數(shù);然后再制備成具有吸收結(jié)構(gòu)和無吸收結(jié)構(gòu)的探測器,通過對MCNO薄膜器件進(jìn)行響應(yīng)率、噪聲、時間常數(shù)以及探測率的性能測試實驗可以發(fā)現(xiàn),與無吸收結(jié)構(gòu)的探測器相比,有吸收結(jié)構(gòu)的探測器的黑體響應(yīng)率、探測率性能都有明顯的提升。
【學(xué)位單位】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TN215;TN36
【部分圖文】：

第 1 章 引言第1章 引言由于半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，太赫茲波越來越受到人們的關(guān)注。太赫茲波于紅外和微波之間的電磁波，在電磁波譜中的位置如圖 1.1 所示，其頻率范常被認(rèn)為是在 0.1-10 THz（3 mm-30 μm）之間，還有的通常認(rèn)為是在 0.1z-30 THz（3 mm-10 μm）之間[1, 2]。1 THz 的電磁波輻射對應(yīng)的能量約為 0.4，與之對應(yīng)的黑體溫度約為 10 K. 這意味著任何物體在高于 10 K 的溫度下射太赫茲，這使得太赫茲波在探測領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

硅基太赫茲與紅外探測器研究統(tǒng)和英國 Thurvision 公司研制的 T4000/T5000 的無源太赫茲成像系統(tǒng)應(yīng)用到許多機場和地鐵站等場合；太赫茲波段的頻率比較高，其通信具好，安全性高，攜帶信息量大等特點，日本的 NTT 公司研制的 0.12 T信技術(shù)，其傳輸速率達(dá)到了 10 G bit/s[22]；太赫茲波段是許多生物大分A、RNA 分子振動和轉(zhuǎn)動能級的特征頻譜波段，因此可以利用太赫茲頻這些生物大分子內(nèi)部的分子作用來獲取物質(zhì)內(nèi)部的復(fù)雜結(jié)構(gòu)[23, 24]。

有合適的放大器，所以探測到的信號被傳輸?shù)礁偷念l率（1-30被低噪聲放大器放大�；旧�，這些系統(tǒng)是選擇性的（窄帶）測接探測信號的探測器基本上用于紫外，可見，紅外，亞毫米和技術(shù)視覺系統(tǒng)。太赫茲直接探測的原理如圖 1.3 所示，探測器率 WS的和背景輻射功率 WB，同時使用具有聚焦作用的光學(xué)器，喇叭等）收集大面積的輻射信號，將信號聚焦到探測器上。前放置一個光學(xué)濾波器，用來去除所需的信號波長之外的背景探測到的小信號經(jīng)過前置放大器放大，并且進(jìn)一步處理生成的信統(tǒng)的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)設(shè)計相對簡單，易于器件陣列集成。大多數(shù)成接檢測。
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本文編號：2875018