场效应晶体管太赫兹探测器在太赫兹成像领域的研究进展(下)

太赫兹(Terahertz,THz)波具有能量低、穿透性强、分辨率高等特性,因而THz成像技术在安全检测、医学诊断、无损探伤等领域具有广阔的应用前景。THz探测器作为THz成像系统的重要组成部分,其性能对成像分辨率、成像速度等有重要影响。由于具备可室温工作、易大面积集成、响应速度快等特性,场效应晶体管(Field Effect Transistor,FET)THz探测器在成像应用中潜力巨大。综述了近年来FET THz探测器在THz成像领域的研究进展(包括成像阵列、材料选择等方面),分析了设计和制造中存在的问题;指出天线和像素间距是限制大规模阵列化的重要因素,并在此基础上对未来的研究方向进行了展望;指出新的材料和结构设计将进一步改善器件性能,从而实现更快速、更清晰的THz成像。

场效应晶体管太赫兹探测器在太赫兹成像领域的研究进展(上)

太赫兹(Terahertz,THz)波具有能量低、穿透性强、分辨率高等特性,因而THz成像技术在安全检测、医学诊断、无损探伤等领域具有广阔的应用前景。THz探测器作为THz成像系统的重要组成部分,其性能对成像分辨率、成像速度等有重要影响。由于具备可室温工作、易大面积集成、响应速度快等特性,场效应晶体管(Field Effect Transistor,FET)THz探测器在成像应用中潜力巨大。综述了近年来FET THz探测器在THz成像领域的研究进展(包括成像阵列、材料选择等方面),分析了设计和制造中存在的问题;指出天线和像素间距是限制大规模阵列化的重要因素,并在此基础上对未来的研究方向进行了展望;指出新的材料和结构设计将进一步改善器件性能,从而实现更快速、更清晰的THz成像。

平面天线在场效应晶体管太赫兹探测器中的应用

为了提高场效应晶体管太赫兹探测器的响应度并降低噪声等效功率,需要对探测器集成平面天线的结构进行合理设计与优化,本文对集成平面天线结构的场效应晶体管太赫兹探测器的研究进行了深入调研。首先,对场效应晶体管太赫兹探测器的工作原理进行了分析,介绍了集成平面天线如何解决耦合太赫兹波效率低的问题。然后,介绍了一些常用的平面天线结构,包括偶极子天线、贴片天线、缝隙天线、grating-gate和其他类型的结构,比较了各种天线的性能以及引入后对太赫兹探测器响应度的影响。通过对比不同天线结构的探测器响应度和噪声等效功率等参数指标,发现:采用平面天线结构之后,场效应晶体管太赫兹探测器的响应度有了大幅度的提升,各种类型的天线对探测器响应度都有不同程度的提升。本文着重介绍了几种集成于场效应晶体管的平面天线结构,包括各种天线的性能和研究进展,最后分析了场效应晶体管太赫兹探测器存在的问题和发展趋势。

侧栅晶体管太赫兹探测器的物理模型、结构制备与直流测试

针对侧栅结构高电子迁移率晶体管(High Electron Mobility Transistors,HEMTs)太赫兹探测器,构建了器件的直流输运和太赫兹探测的物理模型。运用自对准工艺,成功制备了形态良好、接触可靠的侧栅结构,有效地解决了器件双侧栅与台面间的接触问题,最终获得了不同栅宽(200 nm、800 nm和1400 nm)的侧栅GaN/AlGaN HEMT太赫兹探测器。通过直流测试表征发现,不同器件的栅宽与其阈值电压之间呈现出明显的线性关系,验证了侧栅结构HEMT太赫兹探测器的直流输运模型。上述结果为完整的侧栅HEMT太赫兹探测器的理论模型提供了实验验证和指导,为侧栅HEMT太赫兹探测器的发展提供了重要支持。

异质结场效应晶体管太赫兹探测器非线性响应

基于描述AlGaN/GaN材料异质结中二维电子气(2DEG)浓度与漂移速度的流体动力学方程组,采用有限差分法对一维空间的非线性耦合偏微分方程组进行合适的时间和空间离散,计算场效应晶体管探测器在不同强度和不同频率入射太赫兹信号作用下的暂态响应波形及输出直流电压(漏源极之间的开路电压),并定量分析了在恒定栅源电压作用下探测器的实际输出(非线性响应)与现有的小信号线性理论之间的差异.对正弦电源作用下探测器的稳态响应进行了傅里叶级数展开,分析了基波和各次谐波幅值与入射信号强度之间的关系,研究结果为未来结合实验室大功率可调谐太赫兹源的实验研究奠定了理论基础.

基于场效应晶体管的太赫兹探测器中天线设计的一种有效方法（英文）

在场效应晶体管太赫兹探测器中,合理的天线设计可以增强晶体管和太赫兹波之间的耦合效率,从而提高太赫兹探测器的响应度.提出一种基于晶体管栅极边缘沟道电场的仿真来设计平面天线的方法.这种方法尤其适用于太赫兹波段晶体管输入阻抗不容易得到的情况.通过流片完成的基于氮化镓高电子迁移率晶体管的太赫兹探测器的响应度测试证实了这种方法的有效性.集成碟形天线和双偶极子天线的太赫兹探测器最大响应度分别在170.7 GHz(1568.4 V/W)和124.3 GHz(1047.2 V/W)频点处测得,这个测试结果接近基于晶体管栅极边缘沟道电场的仿真结果.

太赫兹互补金属氧化物半导体场效应管探测器理论模型中扩散效应研究

针对基于经典动力学理论传统模型中忽略扩散效应的问题,通过对基于玻尔兹曼理论的场效应管传输线模型的理论分析,建立了包含扩散效应的太赫兹互补金属氧化物半导体(CMOS)场效应管探测器理论模型,研究扩散效应对场效应管电导及响应度的影响.同时,将此模型与忽略了扩散效应的传统模型进行了对比仿真模拟,给出了两种模型下的电流响应度随温度及频率变化的差别.依据仿真结果,并结合3σ原则明确了场效应管传输线模型中扩散部分省略的依据和条件.研究结果表明:扩散部分引起的响应度差异大小主要由场效应管的工作温度及工作频率决定.其中工作频率起主要作用,温度变化对差异大小影响较为微弱;而对于工作频率而言,当场效应管工作频率小于1 THz时,模型中的扩散部分可以忽略不计;而当工作频率大于1 THz时,扩散部分不可省略,此时场效应管模型需同时包含漂移、散射及扩散三个物理过程.本文的研究结果为太赫兹CMOS场效应管理论模型的精确建立及模拟提供了理论支持.

集成AlGaN/GaN HEMT混频探测器的太赫兹矢量测量系统

矢量测量是表征太赫兹波段天线与准光系统波束特性的主流技术。该文介绍了一种基于AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(High-electron-mobility transistor, HEMT)混频探测器的太赫兹矢量测量系统。该系统核心器件为以准光-波导为耦合方式的高灵敏度太赫兹混频探测器,在340 GHz频率外差模式下,其噪声等效功率达-113 dBm/Hz。为了抑制系统相位噪声,搭建了基于二次下变频原理的硬件电路。通过对固定位置天线的长时间测量,表明系统相位稳定度优于4°,系统最小可测功率达到119 nW。基于相干AlGaN/GaN HEMT混频探测器实现了太赫兹连续波幅度和相位分布测量,该工作为后续阵列化太赫兹矢量测量提供了基础。

太赫兹探测器读出电路的单电子晶体管制备

射频单电子晶体管具有高电荷灵敏度和高读出速率的特点,可用于超导太赫兹单光子探测器产生的微弱电荷信号的读出。采用绝缘体上硅(SOI)材料制备的硅基单电子晶体管具有结构可控、工艺可重复的优点。但是,目前单电子晶体管的成品率约为30%,难以满足探测器阵列化的需求。为进一步提高单电子晶体管成品率,首先采用电子束零宽度线曝光工艺精确设定单电子晶体管的图形,其次对感应耦合等离子体刻蚀工艺中的气氛比例进行优化,实现电子束曝光图形的良好转移。最后通过降低氧化温度进一步保持了图形转移的准确度。单电子晶体管的隧穿势垒宽度得到了良好的控制,使成品率提高到90%,增强了单电子晶体管作为阵列化超导太赫兹单光子探测器读出电路的可行性。

太赫兹辐射FET功率探测器的分布式准静态模型

以经典FET准静态模型为基础,提出了FET分布式准静态模型,并推导出栅源耦合NMOS FET太赫兹辐射功率探测器的微分方程及其解析解。应用该模型计算得到的直流电压响应与集总模型和水动力模型的计算结果一致;与集总模型相比,泄漏长度偏差小于3.5%;与水动力模型相比,输入阻抗偏差小于10%,明显优于集总模型,且新的输入阻抗表达式不包含任何拟合系数,形式更加简单实用。该模型将经典FET准静态模型推广到太赫兹频段,并降低太赫兹频段FET电路仿真工具的开发成本。

基于CMOS晶体管的太赫兹探测器研究进展

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.

基于AlGaN/GaN场效应晶体管的太赫兹焦平面成像传感器

太赫兹波成像技术在人体安检、医学成像、无损检测等领域具有广泛的应用前景。文中面向高速、高灵敏度和便携式太赫兹成像应用需求,设计实现了一种基于AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管自混频检测机制的太赫兹焦平面成像传感器。该焦平面成像传感器由探测器阵列芯片和CMOS读出电路通过倒装互连实现,阵列规模达到32×32。探测器阵列中具有对管差分功能的像元设计通过提高探测器的电压响应度和抑制共模电压噪声,提高了焦平面成像的灵敏度。焦平面成像传感器的输出模拟信号通过片外的模数转换(ADC)芯片转化为数字信号,由现场可编程门阵列(FPGA)采集后通过Camera Link图像数据与通信接口发送到计算机。利用该焦平面成像传感器,演示实现了太赫兹光斑、太赫兹干涉环和太赫兹光照下的旋转塑料叶片的视频成像,帧频达到30 Hz。

蝶形天线增强的HEMT室温太赫兹探测器

介绍了一种基于GaN/AlGaN高电子迁移率晶体管(HEMT)的高速、高灵敏度室温太赫兹探测器。在太赫兹波辐射下,HEMT源漏端产生直流光电流,并能被栅压灵敏地调控。探测器中新颖的蝶形天线设计使接收到的太赫兹电场得到显著增强,提高了探测器的响应度。通过测量探测器对不同偏振方向的太赫兹光的响应,有效验证了蝶形天线对太赫兹电场的增强作用。室温下,探测器的等效噪声功率约为5×10-10W/Hz21,平均响应度达42mA/W。实验结果表明,光电流的产生与二维电子气沟道的场效应特性和入射太赫兹波电场在电子沟道中的分布密切相关。自混频理论能很好地描述实验结果。

基于硅透镜集成的高灵敏度室温太赫兹探测器

提出了一种基于硅透镜集成的高灵敏度GaN/AlGaN高电子迁移率晶体管(HEMT)的太赫兹模组探测器。在太赫兹波辐照下,超半球硅透镜可以有效提高太赫兹波收集效率和消除被测器件的衬底干涉效应,进而提高探测器的灵敏度。对集成有直径为6 mm超半球硅透镜的太赫兹探测器件进行了仿真和测试。研究发现在频率为600和900 GHz的太赫兹波辐照下,硅透镜中心区域的太赫兹电场分别增加到原来的5.9倍和6.8倍。在300 K下器件的响应度和噪声等效功率分别为4.5 kV/W和30 pW/Hz0.5,在77 K下器件的响应度达到100 kV/W,噪声等效功率降至1 pW/Hz0.5。

HEMT太赫兹探测器的二维电子气特性分析

采用分子束外延技术(MBE)对GaAs/Al_xGa_(1-x)As二维电子气(2DEG)样品进行了制备,样品制备过程中,通过改变Al的组分含量、隔离层厚度、对比体掺杂与δ掺杂两种方式,在300 K条件下对制备的样品进行了霍尔测试,获得了室温迁移率7.205E3cm^2/Vs,载流子浓度为1.787E12/cm^3的GaAs/Al_xGa_(1-x)As二维电子气沟道结构,并采用Mathematica软件分别计算了不同沟道宽度时300 K、77 K温度下GaAs基HEMT结构的太赫兹探测响应率,为HEMT场效应管太赫兹探测器的研究和制备提供了参考依据.

基于天线优化的GaN/AlGaN HEMT太赫兹探测器

介绍了一种基于天线优化的GaN/AlGaN高电子迁移率晶体管(HEMT)的高灵敏度室温太赫兹探测器。在太赫兹波辐射下,太赫兹天线可以高效收集太赫兹波的能量进而提高探测器的性能指标。利用有限时域差分(FDTD)法对太赫兹天线的特征尺寸(源、漏极天线之间的间距Lw以及栅极天线的栅长Lg)进行了优化研究。研究结果表明当Lg一定时,探测器的响应度随着Lw的减小而增大,并从实验上制备出了响应度为9.45×102 V/W的室温GaN/AlGaN HEMT太赫兹探测器。对优化后的器件进行了1×9线阵列探测器的制备和测试,探测器的电学特性一致性较好,响应度仅有约10%的误差。

HEMT太赫兹探测器响应度和NEP的检测与分析

在0.8～1.1 THz内,对AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)太赫兹探测器的响应度和噪声等效功率进行了具体测试和分析。在太赫兹波辐射下,HEMT太赫兹探测器源漏端产生能被栅压灵敏调控的直流光电流。该型探测器在300 K和77 K下的电流响应度分别为83 mA/W和4.1 A/W,电压响应度分别为4 kV/W和50 kV/W,噪声等效功率分别达到22 pW/Hz0.5和1 pW/Hz0.5。采用两种较为典型的测量方法,通过对实验结果的比较,确定了影响该类型探测器的响应度和噪声等效功率的主要因素,并提出了增强响应度和降低噪声等效功率的具体措施。

蝶形天线增强的InP基室温HEMT太赫兹探测器研究

采用分子束外延技术制备了InP基HEMT样片,室温下样片迁移率达10 289 cm2/(V·s)。通过光刻、腐蚀、磁控溅射、点焊等工艺技术制备出了蝶形天线耦合的太赫兹探测器件。器件采用的蝶形天线经HFSS软件仿真优化后,天线S11参数为-40 d B,电压驻波比(VSWR)为1.15,增益可达6 dB,并与二维电子气沟道实现阻抗匹配。在VDI公司0.3 THz肖特基二极管太赫兹源辐照下进行器件测试,测试结果表明,室温下器件噪声等效功率(NEP)为40 nW/Hz1/2,探测响应度46 V/W,器件响应时间优于330μs。

源漏偏置电压对AlGaN/GaNHEMT太赫兹探测器灵敏度的调控

天线耦合的场效应晶体管(FET)太赫兹自混频探测器通常工作在零源漏偏压下,设置恰当的栅极电压可获得最佳的灵敏度。测试分析了天线耦合AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)太赫兹自混频探测器的源漏偏置电压对太赫兹自混频响应度和噪声的调控作用。研究结果表明,源漏偏置电压在增强响应度的同时也大幅度增强了探测器输出的噪声,特别是1/f噪声,但是在适当的偏置电压下探测器的噪声等效功率(NEP)仍可低于零偏压下的NEP,最佳NEP分别为50pW/√Hz和30pW/√Hz。因此,HEMT自混频探测器在源漏偏置电压下可实现更高的灵敏度,并具有更低的输出阻抗和更高的响应速度。

碟形天线耦合的CVD石墨烯室温太赫兹探测器

基于本征高迁移率、无能隙光谱以及非特征频率吸收的特性,石墨烯在太赫兹频段的调制器和探测器应用被予以厚望。制备了碟形天线耦合的CVD石墨烯场效应晶体管太赫兹探测器,实现了室温的高灵敏太赫兹探测。采用Au膜辅助转移技术屏蔽了有机物对石墨烯的沾污,配合自对准工艺控制了栅源间寄生效应,石墨烯器件场效应迁移率达7000 cm^(2)/(V·s),且在室温下表现出较高的太赫兹探测灵敏度,0.3 THz频率下器件的电压响应率为50 V/W,噪声等效功率为58 pW/Hz0.5。