第7章 激光器介绍
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的安全检查）。
可用于物质的光谱分析：大量极性分子的振动和转动能级正好处于THz波频段。
目前太赫兹光源的辐射功率普遍都比较低，因此发展高灵敏度、高信噪比 的太赫兹探测技术尤为重要。
太赫兹波探测器的研究背景及意义
Bolometer： < 4.2 K 容易受到各种热源的干扰 不便于携带
Golay cell： 灵敏度较差 探测效率较低 Schottky Diode： 0.1 THz ~ 1 THz
偏振特性
偏振特性：
天线具有良好的偏振特性。 THz电场平行于天线的长边时：
器件的响应最大。
THz电场垂直于天线的长边时：
器件的响应最小。
Room temperature GaN/AlGaN self-mixing terahertz detector enhanced by resonant antennas, Applied Physics Letters. 98, 252103 (2011)
0.0
photocurent (nA)
5 4 3 2 1 0 -4 -3
x10
903 GHz
300 K 77 K fit (300 K) fit (77 K)
验证测试光路和测试系统; 初步检测到微弱的光电流初步检
测到微弱的光电流；
响应度约为10 V/W; 跟自混频模型吻合； 低温下光电流增加（低温下电子
RV=25 V/W
-5 -4 -3
g
0.0
RV=180 V/W
-4 -3
g
-2
-1
0
-2
-1
0
Lds=8 um,VLg =2 um, Santenna=20 um x 45 um, Spad= 200 um x 200 um, (V) V (V)
Enhancement of Terahertz coupling efficiency by improved antenna design in GaN/AlGaN HEMT detectors, Chinese physics B ,21,10. (2012).
0
-2
-1
的迁移率增加) 11
Vg (V)
Characterization of a room temperature terahertz detector based on a GaN/AlGaN HEMTH, Journal of Semiconductors. 32, 064005 (2011).
gate
-3 -2 RV=1050 V/W -1
RV=250 V/W
filters0
Lds=5um, Lg=700 nm, Santenna=20 um x 45 um, Spad= 200 um x 200 um,
Room temperature GaN/AlGaN self-mixing terahertz detector enhanced by resonant antennas, Applied Physics Letters. 98, 252103 (2011)
回路接触电势
回路温差电势
2.热释电探测器
3.高莱探测器
4.太赫兹波探测器 太赫兹波探测器的研究背景及意义
宽频性：0.1THz~10THz(30um~3mm)。 透视性：对非极性物质有很强的穿透能力（对不透明物体进行透视成像）。 安全性：1THz光子的能量为4.1meV，约为X射线光子能量的1/100（可用于旅客
f=937 GHz P0=220 nW 300 K 77 K
Rv (V/W)
WPE W HEMT探测器真实能量： HEMT 57.4
6 4 2 0
77 K
300 K 77 K
R HEMT =PV(HEMT)/W (HEMT)
-4
-3
-2
-1
Vg (V)
以器件#4为例进行测量 室温下器件的响应度达
Patch antennas & Nano gate
Dipole antenna & Nano gate
Institute for High-Frequency and Communication Technology， University of Wuppertal 0.25 m-Si CMOS, 3x5 FPA (readout circuits integrated) 5.3 mA/W or 150 V/W @ 650 GHz NEP ~ 0.5 nW/Hz0.5 Self-mixing
f (GHz)
300 K 77 K
PE探测器
2
0 400 600
880
800
900 920
1000
940
1200
1400
1
f (GHz)
840 860
High-responsivity, low-noise, room-temperature, Frequency （THz） self-mixing terahertz detector realized using floating antennas on a GaN-based field-effect transistor, Applied Physics Letters. 100, 013506 (2012)
Vg (V)
Vg (V)
3nd step: :三极子蝶形共振天线+微米栅器件的优化
SEM 图片
器件 的特 征尺 寸参 数 室温下不同器件的测试优化结果
Enhancement of Terahertz coupling efficiency by improved antenna design in
研究方法
模拟设计
器件加工
测试分析
结构优化
设计光刻板， 用FDTD模拟设 计适合自混频探 测原理的天线结 构和滤波器等。 首先从工艺制作 上证明单步工艺 的可行性，并进 行整体器件的加 工。
搭建THz探测的 电学和光学测试 系统（包括PCB 板，偏振片，三 维手动微动平台 等）
对测试结果进 行分析，并反馈 设计，优化器件
知识回顾
1.热电偶
1 2
回路中所产生的电动势，叫热电势。 热电势由两部分组成，即接触电势和温 差电势。
（2）温差电势
EA T , T0
（1）接触电势
T
A
接触电势
T0
EAB(T)
B EB T , T0
EAB(T0)
kT0 nA EAB (T ) ln e nB
T n T n T k EAB (T , T0 ) (T ln A T0 ln A 0 ) ( A B )dT T0 e nB T nB T0
光电流
1 ids G （ G （ （） 0 Vg）Vds + 0 Vg） Vg Vds cos 2
背景电流 栅控能力 天线耦合效率
a. 选用电子迁移率较高的材料
b. 设计高效的太赫兹混频天线
器件整体结构
天线
收集并增THz 电场跟HEMT器 件的相互作用， 进而提高 探测效率。
滤波器
隔离天线跟引 线电极，用以 保证天线的谐 振性能。
2nd step: :三极子蝶形共振天线器件对比
三极子蝶形共振天线 电学特性 +纳米栅
1.8
三极子蝶形共振天线+纳米栅+滤波器
光学特性
1.8
source 1.6
1.4
drain
source 1.6
1.4
drain
Photocurrent (nA)
1.0 0.8 0.6
Photocurrent (nA)
源自文库
1.2
Ohmic contacts
1.2 1.0 0.8 0.6
Ohmic contacts RV=1050 V/W
RV=250 V/W
nanogate 0.4 (700 nm)
0.2
Rx4
gate
-3 -2 -1 0
nanogate 0.4 (700 nm)
0.2
90 um
0.0 -4
90 um
0.0 -4
HEMT
工艺流程
1.裂片，清洗，光刻，ICP刻蚀
2.ALD生长AL2O3
3.欧姆窗口腐蚀
4.蒸金，剥离和退火
5.光刻制作电子束对准标记，
6.光刻，蒸金，剥离制作天线 和pad
蒸金，剥离，电子束曝光，蒸
金，剥离
测试及优化
测试装置图 测试电路连接示意图
参考探测器
Vg
choppe r
HR-Si BS
Rg
Pyroelectric Detector： 低速
Room temperature High responsivity Low NEP and High-speed
关于太赫兹探测器的一些最新研究进展
German team （U.R. Pfeiffer, E. Öjefors,
A. Lisauskas, D. Glaab, and H.G. Roskos, et al）
1st step: 双极子天线 to 三极子蝶形共振天线
双极子天线器件
1.0
三极子蝶形共振天线器件
1.6 1.4
0.8
1.2
Photocurrent (nA)
Photocurrent (nA)
0.6
1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0
RV=25 V/W
0.4
RV=180 V/W
0.2
Rx7
Ni (pA/Hz )
1/2
3 2 1 0 -4
77 K 300 K
-4
-3
-2
-1
0
Vg (V)
-3
-2
-1
Vg (V)
Ni = 4 TGds NEP = Ni / R V B
以器件#4为例进行测量 室温下器件的NEP达58 pW/Hz0.5。 低温下器件的NEP达到4p W/Hz0.5。
到了9.45x102 V/W。
#4：Spad=200 um, Lg=2 um, Lw=5um, Lds=4 um
低温下器件的响应度超
过了8 KV/W。
等效噪声功率
10-7
1/2
1.2
77 K
G (mS)
0.8 0.4 0.0
)
300 K
NEP (W/Hz
10-9 10-11 10-13
experimental @ 300 K experimental @ 77 K thermal @ 300 K thermal @ 77 K
G S
Amp.
A/V
iT
D Vds
检测 信号
Sig.
场 效 应 基 本 特 性 测 试 太 赫 兹 检 测 特 性 测 试
Lock-in Amp.
Ref.
ITHz-Vg 响应度 等效噪声功率 响应频谱 响应速度 偏振特性
BWO: 0.85 THz~0.95 THz , P~50nW Chopper：0~4 KHz PE detector: 6x103 V/W @317 Hz
GaN/AlGaN HEMT detectors, Chinese physics B ,21,10. (2012).
响应度
2.0
PE探测器真实能量：
Ri (A/W)
VPE
RPE
为PE响应电压 为PE响应度
VPE WPE RPE
1.5 1.0 0.5 0.0 8
300 K @ x 30
77 K
光谱响应
3
i (normalized) (normalized) i Photocurrent （ nA）
antenna response
2 1
3
x100
antenna response
300 K 77 K
interference
HEMT 探测器
2
800 850 900
0
1
3
950 x100
1000
Japan (2010)）
Panasonic Corp. （ Tohoku University,
68th Device Research Conference 2010, Nano T-gate (80 nm) GaN/AlGaNHEMT R ~ 1100 V/W @ 1000 GHz. 5 Resonant detection
I-V 电导 跨导
测试及优化_无特意设计天线结构
0.6 0.5 0.4 G (300 K) G (77 K) dG/dVg (300 K) dG/dVg (77 K) 0.4 1.2
G (mS)
0.8
0.3 0.2 0.1 0.0 6
dG/dVg (a.u.)
Spad=100 um, Lg=2 um, Lw=8 um, Lds=8um
响应速度
PE detector
Bolometer
HEMT detector
远高于4KHz
以器件#4为例进行测量 室温下铁电探测器的响应速度低
于500 Hz
室温下测辐射热计在4 KHz的调
接近4KHz < 500Hz 制频率下，衰减了将近10倍。
室温下HEMT探测器的响应速度
远高于4 KHz
结构，最终实现
高灵敏度，高响 应度和较低的 NEP。
自混频探测的模型及原理
CMOS or HEMT
（） Vds = Vds cos Vds Vds Vds （ +） Vg = Vg cos Vg Vg Vg
工作原理图
ids G （ 0 Vg）Vds
可用于物质的光谱分析：大量极性分子的振动和转动能级正好处于THz波频段。
目前太赫兹光源的辐射功率普遍都比较低，因此发展高灵敏度、高信噪比 的太赫兹探测技术尤为重要。
太赫兹波探测器的研究背景及意义
Bolometer： < 4.2 K 容易受到各种热源的干扰 不便于携带
Golay cell： 灵敏度较差 探测效率较低 Schottky Diode： 0.1 THz ~ 1 THz
偏振特性
偏振特性：
天线具有良好的偏振特性。 THz电场平行于天线的长边时：
器件的响应最大。
THz电场垂直于天线的长边时：
器件的响应最小。
Room temperature GaN/AlGaN self-mixing terahertz detector enhanced by resonant antennas, Applied Physics Letters. 98, 252103 (2011)
0.0
photocurent (nA)
5 4 3 2 1 0 -4 -3
x10
903 GHz
300 K 77 K fit (300 K) fit (77 K)
验证测试光路和测试系统; 初步检测到微弱的光电流初步检
测到微弱的光电流；
响应度约为10 V/W; 跟自混频模型吻合； 低温下光电流增加（低温下电子
RV=25 V/W
-5 -4 -3
g
0.0
RV=180 V/W
-4 -3
g
-2
-1
0
-2
-1
0
Lds=8 um,VLg =2 um, Santenna=20 um x 45 um, Spad= 200 um x 200 um, (V) V (V)
Enhancement of Terahertz coupling efficiency by improved antenna design in GaN/AlGaN HEMT detectors, Chinese physics B ,21,10. (2012).
0
-2
-1
的迁移率增加) 11
Vg (V)
Characterization of a room temperature terahertz detector based on a GaN/AlGaN HEMTH, Journal of Semiconductors. 32, 064005 (2011).
gate
-3 -2 RV=1050 V/W -1
RV=250 V/W
filters0
Lds=5um, Lg=700 nm, Santenna=20 um x 45 um, Spad= 200 um x 200 um,
Room temperature GaN/AlGaN self-mixing terahertz detector enhanced by resonant antennas, Applied Physics Letters. 98, 252103 (2011)
回路接触电势
回路温差电势
2.热释电探测器
3.高莱探测器
4.太赫兹波探测器 太赫兹波探测器的研究背景及意义
宽频性：0.1THz~10THz(30um~3mm)。 透视性：对非极性物质有很强的穿透能力（对不透明物体进行透视成像）。 安全性：1THz光子的能量为4.1meV，约为X射线光子能量的1/100（可用于旅客
f=937 GHz P0=220 nW 300 K 77 K
Rv (V/W)
WPE W HEMT探测器真实能量： HEMT 57.4
6 4 2 0
77 K
300 K 77 K
R HEMT =PV(HEMT)/W (HEMT)
-4
-3
-2
-1
Vg (V)
以器件#4为例进行测量 室温下器件的响应度达
Patch antennas & Nano gate
Dipole antenna & Nano gate
Institute for High-Frequency and Communication Technology， University of Wuppertal 0.25 m-Si CMOS, 3x5 FPA (readout circuits integrated) 5.3 mA/W or 150 V/W @ 650 GHz NEP ~ 0.5 nW/Hz0.5 Self-mixing
f (GHz)
300 K 77 K
PE探测器
2
0 400 600
880
800
900 920
1000
940
1200
1400
1
f (GHz)
840 860
High-responsivity, low-noise, room-temperature, Frequency （THz） self-mixing terahertz detector realized using floating antennas on a GaN-based field-effect transistor, Applied Physics Letters. 100, 013506 (2012)
Vg (V)
Vg (V)
3nd step: :三极子蝶形共振天线+微米栅器件的优化
SEM 图片
器件 的特 征尺 寸参 数 室温下不同器件的测试优化结果
Enhancement of Terahertz coupling efficiency by improved antenna design in
研究方法
模拟设计
器件加工
测试分析
结构优化
设计光刻板， 用FDTD模拟设 计适合自混频探 测原理的天线结 构和滤波器等。 首先从工艺制作 上证明单步工艺 的可行性，并进 行整体器件的加 工。
搭建THz探测的 电学和光学测试 系统（包括PCB 板，偏振片，三 维手动微动平台 等）
对测试结果进 行分析，并反馈 设计，优化器件
知识回顾
1.热电偶
1 2
回路中所产生的电动势，叫热电势。 热电势由两部分组成，即接触电势和温 差电势。
（2）温差电势
EA T , T0
（1）接触电势
T
A
接触电势
T0
EAB(T)
B EB T , T0
EAB(T0)
kT0 nA EAB (T ) ln e nB
T n T n T k EAB (T , T0 ) (T ln A T0 ln A 0 ) ( A B )dT T0 e nB T nB T0
光电流
1 ids G （ G （ （） 0 Vg）Vds + 0 Vg） Vg Vds cos 2
背景电流 栅控能力 天线耦合效率
a. 选用电子迁移率较高的材料
b. 设计高效的太赫兹混频天线
器件整体结构
天线
收集并增THz 电场跟HEMT器 件的相互作用， 进而提高 探测效率。
滤波器
隔离天线跟引 线电极，用以 保证天线的谐 振性能。
2nd step: :三极子蝶形共振天线器件对比
三极子蝶形共振天线 电学特性 +纳米栅
1.8
三极子蝶形共振天线+纳米栅+滤波器
光学特性
1.8
source 1.6
1.4
drain
source 1.6
1.4
drain
Photocurrent (nA)
1.0 0.8 0.6
Photocurrent (nA)
源自文库
1.2
Ohmic contacts
1.2 1.0 0.8 0.6
Ohmic contacts RV=1050 V/W
RV=250 V/W
nanogate 0.4 (700 nm)
0.2
Rx4
gate
-3 -2 -1 0
nanogate 0.4 (700 nm)
0.2
90 um
0.0 -4
90 um
0.0 -4
HEMT
工艺流程
1.裂片，清洗，光刻，ICP刻蚀
2.ALD生长AL2O3
3.欧姆窗口腐蚀
4.蒸金，剥离和退火
5.光刻制作电子束对准标记，
6.光刻，蒸金，剥离制作天线 和pad
蒸金，剥离，电子束曝光，蒸
金，剥离
测试及优化
测试装置图 测试电路连接示意图
参考探测器
Vg
choppe r
HR-Si BS
Rg
Pyroelectric Detector： 低速
Room temperature High responsivity Low NEP and High-speed
关于太赫兹探测器的一些最新研究进展
German team （U.R. Pfeiffer, E. Öjefors,
A. Lisauskas, D. Glaab, and H.G. Roskos, et al）
1st step: 双极子天线 to 三极子蝶形共振天线
双极子天线器件
1.0
三极子蝶形共振天线器件
1.6 1.4
0.8
1.2
Photocurrent (nA)
Photocurrent (nA)
0.6
1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0
RV=25 V/W
0.4
RV=180 V/W
0.2
Rx7
Ni (pA/Hz )
1/2
3 2 1 0 -4
77 K 300 K
-4
-3
-2
-1
0
Vg (V)
-3
-2
-1
Vg (V)
Ni = 4 TGds NEP = Ni / R V B
以器件#4为例进行测量 室温下器件的NEP达58 pW/Hz0.5。 低温下器件的NEP达到4p W/Hz0.5。
到了9.45x102 V/W。
#4：Spad=200 um, Lg=2 um, Lw=5um, Lds=4 um
低温下器件的响应度超
过了8 KV/W。
等效噪声功率
10-7
1/2
1.2
77 K
G (mS)
0.8 0.4 0.0
)
300 K
NEP (W/Hz
10-9 10-11 10-13
experimental @ 300 K experimental @ 77 K thermal @ 300 K thermal @ 77 K
G S
Amp.
A/V
iT
D Vds
检测 信号
Sig.
场 效 应 基 本 特 性 测 试 太 赫 兹 检 测 特 性 测 试
Lock-in Amp.
Ref.
ITHz-Vg 响应度 等效噪声功率 响应频谱 响应速度 偏振特性
BWO: 0.85 THz~0.95 THz , P~50nW Chopper：0~4 KHz PE detector: 6x103 V/W @317 Hz
GaN/AlGaN HEMT detectors, Chinese physics B ,21,10. (2012).
响应度
2.0
PE探测器真实能量：
Ri (A/W)
VPE
RPE
为PE响应电压 为PE响应度
VPE WPE RPE
1.5 1.0 0.5 0.0 8
300 K @ x 30
77 K
光谱响应
3
i (normalized) (normalized) i Photocurrent （ nA）
antenna response
2 1
3
x100
antenna response
300 K 77 K
interference
HEMT 探测器
2
800 850 900
0
1
3
950 x100
1000
Japan (2010)）
Panasonic Corp. （ Tohoku University,
68th Device Research Conference 2010, Nano T-gate (80 nm) GaN/AlGaNHEMT R ~ 1100 V/W @ 1000 GHz. 5 Resonant detection
I-V 电导 跨导
测试及优化_无特意设计天线结构
0.6 0.5 0.4 G (300 K) G (77 K) dG/dVg (300 K) dG/dVg (77 K) 0.4 1.2
G (mS)
0.8
0.3 0.2 0.1 0.0 6
dG/dVg (a.u.)
Spad=100 um, Lg=2 um, Lw=8 um, Lds=8um
响应速度
PE detector
Bolometer
HEMT detector
远高于4KHz
以器件#4为例进行测量 室温下铁电探测器的响应速度低
于500 Hz
室温下测辐射热计在4 KHz的调
接近4KHz < 500Hz 制频率下，衰减了将近10倍。
室温下HEMT探测器的响应速度
远高于4 KHz
结构，最终实现
高灵敏度，高响 应度和较低的 NEP。
自混频探测的模型及原理
CMOS or HEMT
（） Vds = Vds cos Vds Vds Vds （ +） Vg = Vg cos Vg Vg Vg
工作原理图
ids G （ 0 Vg）Vds