太赫茲探測單元的制作方法
【專利摘要】根據(jù)本發(fā)明的第一方面，本發(fā)明涉及一種用于對包括在給定頻譜探測波段中的頻率的輻射進行探測的太赫茲探測單元，所述單元包括：極性半導(dǎo)體晶體結(jié)構(gòu)以使其形成至少一個晶體厚片，所述晶體(330)具有覆蓋所述頻譜探測帶的剩余射線譜帶，并且包括與電介質(zhì)裝置的至少一個界面；由厚片結(jié)構(gòu)(330)得到的耦合裝置，每個厚片形成光學(xué)天線，由所述界面支持的界面聲子極化激元(IPhP)與具有在頻譜探測帶內(nèi)頻率的入射輻射諧振耦合；以及分別與界面的第一和第二端部電接觸的至少一個第一和一個第二連接端子(301、302)，所述端部相互相對，并且所述連接端子將連接至用于在界面的相對端部之間測量晶體的阻抗變化的電子讀取電路。
【專利說明】太赫茲探測單元
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種太赫茲探測單元以及包括一個或多個所述單元的用于太赫茲輻射的探測器、以及一種太赫茲探測方法。
【背景技術(shù)】
[0002]太赫茲領(lǐng)域通常由具有在0.1與30THz之間頻率的輻射來定義。該頻帶覆蓋了電子領(lǐng)域和光子領(lǐng)域。太赫茲域中的器件遭遇到了固有操作限制:工作頻率對于基于電子的部件而言太高，并且對于光子而言能量太低而難以有效工作。然而，該頻域?qū)τ诶绯上窕蛘唠娡ㄐ蓬I(lǐng)域中的應(yīng)用而言具有很大的潛力，其中通常分配給電通信的頻率范圍達到飽和。特別地，在美國，上至0.3THZ的頻率范圍分配已經(jīng)飽和。這種應(yīng)用的潛力顯著地鼓勵了對于允許檢測在該頻率范圍內(nèi)的輻射的光電探測器的發(fā)展做出研究。
[0003]THz探測器可以被劃分為兩個主要類別，對于輻射強度敏感的非相干探測器，以及對于輻射幅值敏感并且允許進入其相位的相干探測器。例如作者為F.Sizov和A.Rogalski( “THz detector”， Progress in Quantum Optics,34,278-347(2010))、F.Sizov ( “THz radiation sensors”，Opto-electronics Review, 18 (I), 10-36)的文章以及作者為 J.L.Coutaz 的書籍(Optoelectronique THz, EDP Science (2008))展不了對于現(xiàn)有THz探測器的文獻回顧。相干探測器使用外差技術(shù)，其中探測到的THz信號與來自己知頻率的局部振蕩器的信號結(jié)合。隨后混合這兩個信號以獲得可以由低噪聲放大器進行放大的低得多的頻率的信號(通常在GHz范圍內(nèi))。保存關(guān)于THz信號的幅值和相位的信息。這種轉(zhuǎn)換是必需的，因為當(dāng)前沒有THz放大器。特別與直接或者非相干探測相比，該技術(shù)實現(xiàn)了對將要探測的頻率和相位的調(diào)制，表現(xiàn)出良好的靈敏度以及更好的信噪比，因為主要噪聲來自于局部振蕩器信號的波動，而不是來自于背景噪聲。然而，必需重視對于探測到的信號以及來自局部振蕩器信號的強烈抑制以實現(xiàn)這種類型的探測，這使得用于成像的由這種類型探測器組成的陣列的發(fā)展變得復(fù)雜化。在直接探測器中，特別是熱探測器是公知的，例如高萊(Golay)單元、熱電探測器、熱輻射計和微熱輻射計、肖特基二極管以及光導(dǎo)天線。作為示例，專利申請US2008/031509描述了由傳輸線組成的光導(dǎo)天線，其中傳輸線由設(shè)置在絕緣半導(dǎo)體上的兩個共面金屬導(dǎo)體形成。該線的一部分用作THz域下的天線。該器件用于超快時域采樣，使用由可見激光產(chǎn)生光子。對于大于幾10_η/ΗΖ1/2的噪聲等效功率(或NEP)，工作在環(huán)境溫度下的探測器的靈敏度并未超過幾1044V/W。在直接探測器之中，在低溫溫度下效率最高。
[0004]本發(fā)明的一個目的在于通過一種太赫茲探測器，其工作在環(huán)境溫度下并且表現(xiàn)出良好靈敏度以及低噪聲等效功率。本申請中描述的探測器是基于對界面聲子極化的使用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]根據(jù)第一方面，本發(fā)明涉及一種用于探測其頻率包括在給定頻譜探測波段內(nèi)的輻射的太赫茲探測單元，包括:[0006]-半導(dǎo)體極性晶體，其具有覆蓋所述頻譜探測波段的剩余射線波段以及具有至少一個與電介質(zhì)媒介的界面；
[0007]-稱合裝置，其允許由所述界面支撐的界面聲子極化(interfacephononpolariton) (IPhP)與包含在所述頻譜探測波段內(nèi)的頻率的入射福射的諧振I禹合；以及
[0008]-至少一個第一和一個第二連接端子，分別與所述界面的第一和第二相對端部電接觸，并且旨在連接至電子讀取電路，以用于測量所述界面的相對端部之間的晶體阻抗的變化。
[0009]在所謂晶體的剩余射線波段中的極性晶體的電介質(zhì)函數(shù)的諧振效應(yīng)因此用于生成工作在環(huán)境溫度下的效率顯著的太赫茲探測器。測量由晶體的自由載流子吸收入射太赫茲波所激勵的界面聲子極化激元而導(dǎo)致的阻抗變化，以便探測入射在探測單元上的發(fā)光強度。
[0010]有利地，極性晶體具有與電介質(zhì)媒介的至少兩個界面，所述界面足夠靠近以允許沿著每個界面?zhèn)鞑サ慕缑媛曌訕O化激元的耦合。兩個界面聲子極化激元模式的耦合特別地通過使得阻抗變化在半導(dǎo)體晶體中更加靈敏，而允許進一步加強電磁場的限制并且改進探測器的效率。
[0011]通常兩個界面之間的距離可以小于一百納米。
[0012]根據(jù)一個示例，半導(dǎo)體極性晶體是II1-V族半導(dǎo)體，例如砷化鎵(GaAs)、砷化鋁(AlAs)、磷化銦(InP)、砷化銦(InAs)、磷化鎵(GaP)、氮化鎵(GaN)等等。根據(jù)另一示例，半導(dǎo)體極性晶體是I1-VI族半導(dǎo)體，例如硒化鋅(ZnSe)、碲化汞(HgTe)、碲化鎘(CdTe)等等，或者是1-VII族半導(dǎo)體，例如氯化鈉(NaCl)、溴化鉀(KBr)等等。根據(jù)另一示例，半導(dǎo)體極性晶體是IV-1V族半導(dǎo)體，例如碳化硅(SiC)。此外，也可以使用三元合金(具有三種元素，諸如例如AlGaAs)、四元合金(具有四種元素,例如InGaAlAs)或者更多元合金。在以下說明中，術(shù)語半導(dǎo)體極性晶體包括所有這些材料。
[0013]根據(jù)變形例，極性晶體是摻雜的。極性晶體中的自由載流子的產(chǎn)生使得電介質(zhì)函數(shù)的諧振波段變寬和/或偏移。
[0014]根據(jù)本發(fā)明的探測單元的第一實施例，構(gòu)造極性晶體以形成一個或者多個晶體葉片，每個晶體葉片形成了意在與入射輻射耦合的光學(xué)天線，每個所述葉片的較大面形成了與電介質(zhì)媒介的兩個界面，連接端子與所述葉片的兩個相對端部電接觸。
[0015]根據(jù)一個示例，構(gòu)造極性晶體以形成多個葉片的組，沿著主方向布置。
[0016]根據(jù)另一示例，構(gòu)造極性晶體以形成多個葉片的組，沿著兩個基本上垂直的方向布置。
[0017]根據(jù)一個示例，構(gòu)造極性晶體以形成多個相同葉片的組，因此優(yōu)化葉片的形狀和尺寸以用于窄頻譜探測波段。
[0018]根據(jù)另一示例，構(gòu)造極性晶體以形成多個葉片的組，并且至少一部分葉片具有與其他葉片不同的形狀，允許探測頻帶變寬。
[0019]根據(jù)第一實施例的第一變形例，所述葉片垂直于襯底布置，所述襯底意在布置在垂直于入射輻射的入射平面的平面中。
[0020]例如，襯底自身由極性晶體形成并且通過在襯底中蝕刻而形成所述一個葉片或多個葉片。探測單元隨后包括與襯底接觸的第一連接端子，并且對于每個所述葉片還包括與所述葉片的與所述襯底相對的邊緣接觸的第二連接端子，在多個葉片的情況下第二連接端子的組電連接。
[0021]根據(jù)另一示例，對于每個晶體葉片，探測單元包括與襯底相鄰的葉片的第一邊緣接觸的第一連接端子，以及與襯底相鄰并且與第一邊緣相對的葉片的第二邊緣接觸的第二連接端子，在多個葉片的情況下一方面第一連接端子與另一方面第二連接端子的組連接。
[0022]根據(jù)第一實施例的第二變形例，所述一個葉片或者多個葉片布置在平面中并且形成懸掛在襯底之上的膜片，膜片的平面意在布置在垂直于入射輻射的入射平面的平面中。
[0023]例如，對于每個葉片，所述單元包括與布置在襯底上的葉片的第一邊緣電接觸的第一連接端子，以及與布置在襯底上并且與第一邊緣相對的葉片的第二邊緣電接觸的第二連接端子，在多個葉片的情況下一方面第一連接端子與另一方面第二連接端子的組連接。
[0024]根據(jù)本發(fā)明的探測單元的第二實施例，極性晶體形成了由具有高能隙的半導(dǎo)體電介質(zhì)材料的至少一個第一和一個第二阻擋層所包圍的至少一個薄層，以與極性晶體層形成至少一個量子阱。
[0025]例如，耦合裝置包括光學(xué)納米天線和鏡子的組以便形成光學(xué)諧振腔，所述量子阱位于光學(xué)諧振腔內(nèi)。
[0026]有利地，耦合裝置額外地包括間隔體以適應(yīng)所述光學(xué)諧振腔的寬度。
[0027]根據(jù)第二實施例的單元可以包括與極性晶體的薄層的兩個相對邊緣電接觸的至少一個第一和一個第二連接端子。
[0028]根據(jù)第二方面，本發(fā)明涉及一種太赫茲探測器，包括根據(jù)第一方面的一個或者多個探測單元，以及適于測量每個探測單元的所述連接端子之間晶體的阻抗變化的電子讀取電路。
[0029]根據(jù)第三方面，本發(fā)明涉及一種用于探測包含在半導(dǎo)體極性晶體的剩余射線波段中的太赫茲頻率的入射輻射的方法，包括以下步驟:
[0030]-在極性晶體與電介質(zhì)材料的界面處諧振耦合入射太赫茲頻率輻射與界面聲子極化激元；
[0031]-測量所述界面的兩個相對端部之間的晶體的阻抗變化，所述阻抗變化由晶體的自由載流子吸收所激勵的界面聲子極化激元而導(dǎo)致的。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0032]在閱讀由附圖示出的以下說明時，本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點將變得顯而易見，其中:
[0033]圖1是示意性說明了本發(fā)明的實施方式的示意圖。
[0034]圖2A和2B是分別示出了對于GaAs中的兩種摻雜水平而言作為波長函數(shù)的電介質(zhì)函數(shù)的實部與虛部的發(fā)展演化的曲線圖。
[0035]圖3A至3D示出了根據(jù)本發(fā)明的第一實施例、根據(jù)兩個變形例的太赫茲探測單元。
[0036]圖4A示意性示出了在根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的太赫茲探測單元中的界面聲子極化激元的耦合，而圖4B示出了在圖4A所示類型器件中計算得到的反射率作為波長的函數(shù)的曲線圖。
[0037]圖5示出了在根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的太赫茲探測單元中的極性晶體與電介質(zhì)之間界面附近處計算得到的電場強度。
[0038]圖6示意性示出了根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的探測單元的變形例。
[0039]圖7A和7B示出了圖6中所示類型的探測單元的實施方式的兩個示例。
[0040]圖8示出了根據(jù)本發(fā)明第二實施例的太赫茲探測單元。
[0041]圖9A和9B示出了圖8中所示類型的探測單元的實施方式的兩個示例。
【具體實施方式】
[0042]圖1是在實施方式的示例中示意性示出了根據(jù)本發(fā)明的太赫茲探測器的示意圖。在該示例中，根據(jù)本發(fā)明的太赫茲探測器I被入射太赫茲輻射2照射。探測器I通常包括探測單元，其具有包括半導(dǎo)體極性晶體的有源材料10和耦合裝置30，以及用于測量阻抗(Z)并且能夠與用于熱輻射計中的讀取電路進行比較的電子讀取電路20。例如，電流源可以與探測單元串聯(lián)，并且可以測量在單元的端子處的電勢的變化。
[0043]極性晶體10包括與電介質(zhì)媒介(圖1中未示出)的界面，電介質(zhì)媒介例如為真空、空氣、或者行為類似于在入射太赫茲輻射2的預(yù)定頻率附近的電介質(zhì)的材料。
[0044]通常，其基本晶格的原子具有不同電負性的晶體被稱為極性晶體。在極性晶體中，原子相對于其他原子的運動 影響了極化度并且因此影響了電介質(zhì)函數(shù)。極性晶體在稱作剩余射線波段的頻帶中相對于光學(xué)聲子而表現(xiàn)出在它們電介質(zhì)函數(shù)中的諧振。在該剩余射線波段中，電介質(zhì)函數(shù)的實部是負的。材料隨后在光學(xué)上表現(xiàn)為金屬(其反射率急劇增大)并且可以支持表面聲子極化激元，在光學(xué)聲子和電磁波之間的組合，所述表面聲子極化激元在極性晶體與電介質(zhì)媒介之間的界面處傳播。電介質(zhì)函數(shù)的諧振可以通過洛侖茲模型來很好地建模，并且電介質(zhì)函數(shù)可以根據(jù)Bom等人(M.Bom和K.Huang “晶格的動力學(xué)理論”，牛津大學(xué)快報，紐約，1954，(第12和23頁))而寫為:
[0045]
【權(quán)利要求】
1.一種用于對包括在給定頻譜探測波段中的頻率的輻射進行探測的太赫茲探測單元(I)，包括: -半導(dǎo)體極性晶體(10)，具有覆蓋所述頻譜探測波段的剩余射線波段并且具有與電介質(zhì)媒介的至少一個界面； -耦合裝置(30)，允許由所述界面支撐的界面聲子極化激元(IPhP)與包括在所述頻譜探測波段中的頻率的入射輻射(2)的諧振耦合；以及 -至少一個第一和一個第二連接端子(301、302)，分別與所述界面的第一和第二相對端部電接觸，并且旨在連接至用于測量所述界面的所述相對端部之間的所述晶體的阻抗變化的電子讀取電路。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的探測單元，其中所述極性晶體具有與電介質(zhì)媒介的至少兩個界面，所述界面足夠接近以允許沿著每個所述界面(333、334)傳播的界面聲子極化激元的耦合。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的探測單元，其中所述兩個界面之間的距離小于一百納米。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項所述的探測單元，其中所述極性晶體(10)是摻雜的。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項所述的探測單元，其中構(gòu)造所述極性晶體以形成一個或多個晶體葉片(330、630)，每個所述晶體葉片形成旨在與所述入射輻射耦合的光學(xué)天線，每個所述葉片的大側(cè)面與所述電介質(zhì)媒介形成兩個界面，連接端子與所述葉片的兩個相對端部接觸。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的探測單元，其中構(gòu)造所述極性晶體以形成沿著主方向布設(shè)的多個葉片的組。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的探測單元，其中構(gòu)造所述極性晶體以形成沿著兩個大致垂直方向布設(shè)的多個葉片的組。
8.根據(jù)權(quán)利要求5至7中的任一項所述的探測單元，其中構(gòu)造所述極性晶體以形成多個相同葉片(330、630)的組。
9.根據(jù)權(quán)利要求5至7中的任一項所述的探測單元，其中構(gòu)造所述極性晶體以形成多個相同葉片(330、630)的組，并且至少一部分所述葉片具有與其他葉片不同的形狀，從而允許探測頻帶變寬。
10.根據(jù)權(quán)利要求5至9中的任一項所述的探測單元，包括襯底(300)，并且其中所述一個葉片或多個葉片垂直于所述襯底(300)布設(shè)。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的探測單元，其中所述襯底是極性晶體的，并且通過在所述襯底(300)中進行蝕刻形成所述一個葉片或多個葉片，所述探測單元包括與所述襯底接觸的第一連接端子(301)，并且對于每個所述葉片還包括與所述葉片的與所述襯底相對的邊緣接觸的第二連接端子(302)，在多個葉片的情況下第二連接端子的組電連接。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的探測單元，對于每個所述葉片，包括與所述葉片的相鄰于所述襯底的第一邊緣接觸的第一連接端子(301)，以及與所述葉片的相鄰于所述襯底并且與所述第一邊緣相對的第二邊緣接觸的第二連接端子(302)，在多個葉片的情況下一方面所述第一連接端子和另一方面所述第二連接端子的組電連接。
13.根據(jù)權(quán)利要求5至9中的任一項所述的探測單元，包括襯底出00)，并且其中所述一個或多個葉片布設(shè)在平面中并且形成懸掛在所述襯底(600)之上的膜片，所述膜片的平面大致平行于所述襯底的平面。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的探測單元，對于每個所述葉片，包括與設(shè)置在所述襯底上的所述葉片的第一邊緣電接觸的第一連接端子(601)，以及與設(shè)置在襯底上的所述葉片的第二邊緣電接觸的第二連接端子(602)，所述葉片的第二邊緣與所述第一邊緣相對，在多個葉片的情況下一方面所述第一連接端子和另一方面所述第二連接端子的組電連接。
15.根據(jù)權(quán)利要求1至4中的任一項所述的探測單元，其中所述極性晶體形成在被具有高能隙的半導(dǎo)體電介質(zhì)材料的至少一個第一和一個第二阻擋層(811、812)所圍繞的至少一個薄層(810)，以便與所述極性晶體層形成至少一個量子阱。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的探測單元，其中所述耦合裝置(30)包括光學(xué)納米天線(834)和鏡子(836)的組以形成光學(xué)諧振腔，所述量子阱位于所述光學(xué)諧振腔內(nèi)。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的探測單元，其中所述耦合裝置(30)還包括間隔體以適用于所述光學(xué)諧振腔的寬度。
18.根據(jù)權(quán)利要求15至17中的任一項所述的探測單元，包括與極性晶體的薄層的兩個相對邊緣電接觸的至少一個第一和一個第二連接端子。
19.一種太赫茲探測器，包括根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項所述的一個或多個探測單元，以及適于測量每個所述探測單元的所述連接端子之間的晶體的阻抗變化的電子讀取電路(20)。
20.一種用于對包括在半導(dǎo)體極性晶體(10)的剩余射線波段中的頻率的入射太赫茲輻射(2)進行探測的方法，包括步驟: - 在所述極性晶體(10)與電介質(zhì)材料(11)的界面處將所述入射太赫茲頻率輻射(2)與界面聲子極化激元諧振耦合； -測量所述界面的兩個相對端部之間的所述晶體的阻抗變化，所述阻抗變化是由所述晶體的自由載流子吸收因此激勵的所述界面聲子極化激元所導(dǎo)致的。
【文檔編號】G01J5/20GK103733354SQ201280018130
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2012年2月14日 優(yōu)先權(quán)日:2011年2月14日
【發(fā)明者】S·瓦桑, F·帕爾多, J-L·珀盧阿爾, J-J·格雷費, A·阿爾尚博, F·馬基耶 申請人:國立科學(xué)研究中心