关键词：
太赫兹探测
分子束外延生长
等离激元共振
量子阱探测器
摘要：
太赫兹波是指频率在0.1-10 THz,对应的波长为3000-30mm的电磁波。该波段相比于与微波、毫米波具有更高的空间与时间分辨率;相比于红外波段,太赫兹波具有更高的穿透性,并且具有更宽的视场搜索范围。随着太赫兹源如太赫兹量子级联激光器等的快速发展和技术突破,作为太赫兹技术重要组成部分的太赫兹探测技术因缺乏足够研究手段而使得太赫兹技术的发展应用一直受到限制。目前应用较为普遍的太赫兹探测器有高莱管、硅测热辐射计、肖特基二极管直接探测等,然而因使用条件的限制以及探测性能的不足,如高莱管的响应时间慢,硅测热辐射计限于宽谱测量,肖特基二极管噪声等效功率高等,使得太赫兹探测技术一直难以得到突破,尤其在军事应用等对探测器性能有严格要求的领域难以实现应用。而基于固态半导体GaAs/AlGaAs体系太赫兹量子阱探测器的研究给太赫兹探测技术的突破带来新的途径,该类型探测器响应时间可到亚皮秒级,拥有高响应速度、高分辨率、工艺成熟、性能稳定以及易于集成等优点,尤其适合太赫兹波段的高速探测和成像应用。太赫兹量子阱探测器是满足发展太赫兹技术应用的核心,可为太赫兹成像和太赫兹通讯的发展提供必要的基础支撑,尤其在安全检测、医学诊断、军事探测等领域。随着光刻、蒸镀、刻蚀等半导体微纳加工技术的发展,使小尺寸光子耦合结构在太赫兹量子阱探测器中的集成应用成为可能。本论文主要的研究目的在于利用光子微纳结构的耦合作用获得高响应率的太赫兹量子阱探测器,此外为了提高目前太赫兹量子阱探测器的工作温度,论文也展示了相应的探索研究结果,因此该论文主要研究内容包括:分子束外延技术生长太赫兹量子阱探测器材料,基于表面等离极化激元共振模式增强太赫兹量子阱探测器的吸收,基于金属-介质-金属（MDM）微腔共振模式提高太赫兹量子阱探测器的性能,基于共振遂穿效应实现高温甚长波量子阱探测器,主要代表性的创新点如下:1、为获得跃迁类型为束缚态到准连续态（B-QC）的太赫兹量子阱探测器（该跃迁类型探测器综合性能最优）,通过能带计算的方法（考虑了多体效应的影响）得到了探测器的响应峰位、量子阱宽度、势垒层组份以及跃迁类型之间的关系。MBE实际生长参数的选取参考能带设计的结果。所生长的材料组份与厚度分别采用荧光光谱（PL）与扫描隧道显微镜（SEM）标定,通过半导体微纳加工手段流片获得太赫兹量子阱探测器（45度磨角器件）。成功制备了器件样品的响应峰位分别有45、46、47、49、51以及54mm,背景限温度12-16 K,峰值响应率0.1-0.24 A/W。2、为实现高响应率的太赫兹量子阱探测器并且同时满足简化制备工艺的要求,通过在顶部集成金属反射光栅的方法,制备了基于表面等离激元共振模式的太赫兹量子阱探测器。当太赫兹光从衬底端入射后,经过周期性金属光栅倒格矢的补偿,入射的太赫兹波与金属表面等离激元发生共振,激发出横向传播的等离极化激元（SPP）,由于近场效应的作用,在量子阱区域能够产生平行于量子阱生长方向的强电场分量,从而提高量子阱对太赫兹光光子的子带间吸收率。基于该原理的一维背入射金属光栅太赫兹量子阱探测器46mm处峰值响应率为0.82 A/W,相比标准器件提高了6倍,与理论计算的8.1倍相接近。此外实验测得的偏振消光比达到56,光谱峰值强度随入射光偏振角度的变化满足Malus定律。二维金属反射光栅耦合的金属光栅太赫兹量子阱探测器不具有偏振选择性,峰值响应率达到了1.2 A/W,相比标准器件提升了9倍多。该结构具有制备工艺简单,性能提高显著的特点,效果远优于传统的衍射光栅,为表面等离激元在太赫兹探测中的应用提供了新的思路。3、为进一步实现高响应率的太赫兹量子阱探测器并且满足器件制备与焦平面工艺相兼容的技术要求,研究了金属-介质-金属（metal-dielectric-metal,MDM）耦合微腔对太赫兹量子阱探测器性能提升的影响,相比于MDM结构在红外波段的应用,太赫兹波段可实现更厚的介质层应用（响应峰位为46mm的QWP中间量子阱层可生长15周期,介质层厚度2mm左右）。一维MDM微腔耦合的太赫兹量子阱探测器共振峰位46mm处的峰值响应率达到1.07 A/W,相比同结构的标准太赫兹量子阱探测器实验上提高22.3倍,偏振消光比达到了163,为目前文献报道的最高数值。该结构制备与焦平面工艺相互兼容,并且响应峰的位置受太赫兹波入射角度影响小,响应率的增强不依赖于金属微结构的周期性,为小尺寸台面与太赫兹量子阱焦平面探测器的成功制备提供了可能。4、根据理论模型的计算表明n型重掺杂的GaAs在太赫兹波段表现出类似于金属的光学性质,为了避免金属微腔结构在太赫兹探测过程中对入射光的过多损耗,采用量子阱的上下重掺杂电极层代替MDM结构的两个金属层,其中将上电极重掺杂层刻蚀成周期性光栅槽,则量子阱激活区夹于上下重掺杂
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