專利名稱：太赫茲單光子探測器及其探測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種太赫茲單光子探測器及其探測方法，尤其涉及一種利用半導(dǎo)體量 子點(diǎn)形成的太赫茲單光子探測器及其探測方法。
背景技術(shù)：
太赫茲(THz，ITHz = IO12Hz)波段通常是指頻率從IOOGHz到IOTHz，相應(yīng)的波長 從3毫米到30微米，介于毫米波(亞毫米波)與紅外光之間頻譜范圍相當(dāng)寬的電磁波譜區(qū) 域。太赫茲光子對應(yīng)能量范圍為0. 14meV到41. 4meV,該能量與分子和材料的低頻振動和 轉(zhuǎn)動能量范圍相匹配，這些決定了太赫茲波在電磁頻譜中的特殊位置以及在傳播、散射、反 射、吸收、穿透等方面與毫米波、紅外線顯著不同的特點(diǎn)和應(yīng)用。太赫茲技術(shù)為人們對物質(zhì) 的表征和操控提供很大的自由空間，并且在信息領(lǐng)域的高空間和時(shí)間分辨率探測、成像與 信號處理、量子信息處理、大容量與高保密通信、射電天文探測、大氣與環(huán)境監(jiān)測、實(shí)時(shí)與安 全的生物與醫(yī)學(xué)診斷等領(lǐng)域有著重大應(yīng)用前景。但長期以來，由于缺乏有效的太赫茲源和 探測方法，導(dǎo)致太赫茲頻段的電磁波未得到充分的研究和應(yīng)用，被稱為電磁波譜中的“太赫 茲空隙”。在開發(fā)和利用太赫茲波段時(shí)，太赫茲信號的探測具有舉足輕重的意義。目前在太 赫茲頻段有以下三種主要探測方式(1)利用電光晶體的非線性效應(yīng)進(jìn)行差分探測，此種方式具有靈敏度高、可以同時(shí) 探測THz輻射強(qiáng)度和相位，但這種探測僅能與特定的太赫茲輻射產(chǎn)生方式相配合，而且體 積較大，不易與半導(dǎo)體器件電路集成，具有很大的局限性。(2)熱電探測器，這類探測器在太赫茲頻段響應(yīng)率較低，或者需要在液氦溫度下工 作，響應(yīng)慢，而且沒有光譜分辨本領(lǐng)，無法應(yīng)用于太赫茲在線檢測和太赫茲通信等領(lǐng)域。(3)光子型探測器，比如太赫茲量子阱探測器，具有響應(yīng)速度快、探測靈敏度高和 較強(qiáng)的光譜分辨本領(lǐng)等特點(diǎn)，但暗電流較大，無法探測微弱太赫茲輻射。以上三種類型的太赫茲探測器目前基本都不具有單光子精度，無法實(shí)現(xiàn)物體輻射 的極微弱太赫茲光的靈敏探測。另一方面，目前的單光子探測器一般工作在X射線、紫外 光、可見光和近紅外光譜區(qū)域，是探測微弱的電磁輻射的一種不可或缺的有力手段，主要的 器件有光電倍增管和雪崩光電二極管，但這些器件的工作原理決定了其工作頻率很難降到 太赫茲區(qū)域。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種容易與探測電路集成且噪聲等效功率低、探測靈敏度 高的太赫茲單光子探測器。本發(fā)明的另一目的在于提供一種上述太赫茲單光子探測器的探測方法。一種太赫茲單光子探測器包括半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)，所述半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)表面形成有二 維電子氣；形成于所述半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)表面的探測電極，用于收集太赫茲單光子；第一量子點(diǎn)，所述探測電極收集的太赫茲單光子激發(fā)所述第一量子點(diǎn)帶單位正電荷；形成于所述半 導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)表面的單電子測量儀，用于測量所述單電子測量儀的周圍靜電環(huán)境的電荷變 化，所述單電子測量儀與所述第一量子點(diǎn)電容式耦合，所述第一量子點(diǎn)帶的單位正電荷引 起所述單電子測量儀中的電流發(fā)生跳變。本發(fā)明的太赫茲單光子探測器優(yōu)選的一種技術(shù)方案，所述單電子測量儀為單電子
晶體管。本發(fā)明的太赫茲單光子探測器優(yōu)選的一種技術(shù)方案，所述探測電極呈蝴蝶結(jié)形。本發(fā)明的太赫茲單光子探測器優(yōu)選的一種技術(shù)方案，所述單電子測量儀包括形 成于所述半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)表面的柵電極、第一電極、第二電極以及第二量子點(diǎn)，所述柵電極設(shè) 置于所述探測電極和所述第二電極之間，所述第一量子點(diǎn)形成于所述柵電極的末端與所述 探測電極的末端之間的區(qū)域，所述第二量子點(diǎn)形成于所述柵電極的末端、所述第一電極的 末端、所述第二電極的末端之間的區(qū)域。本發(fā)明的太赫茲單光子探測器優(yōu)選的一種技術(shù)方案，所述探測電極包括兩個(gè)探測 電極單元，所述柵電極包括兩個(gè)柵電極單元，所述柵電極單元的一邊與所述探測電極單元 的相鄰近的一邊平行，所述第一量子點(diǎn)形成于所述柵電極單元與所述探測電極單元的相聚 末端之間的區(qū)域。本發(fā)明的太赫茲單光子探測器優(yōu)選的一種技術(shù)方案，所述第二電極與所述柵電極 垂直，所述第一電極包括兩個(gè)第一電極單元，所述第一電極單元對稱設(shè)置于所述第二電極 的兩側(cè)，所述第二量子點(diǎn)形成于所述柵電極單元、所述第一電極單元、所述第二電極的相聚 末端之間的區(qū)域。一種上述太赫茲單光子探測器的探測方法，包括如下步驟所述探測電極收集太 赫茲單光子；所述探測電極收集的太赫茲單光子激發(fā)所述第一量子點(diǎn)帶單位正電荷；所述 單位正電荷引起所述單電子測量儀中的電流發(fā)生跳變；分析所述單電子測量儀中的電流的 時(shí)間序列從而對所述探測電極探測到的太赫茲單光子進(jìn)行計(jì)數(shù)。本發(fā)明的太赫茲單光子探測器的探測方法的優(yōu)選的一種技術(shù)方案，所述單電子測 量儀包括形成于所述半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)表面的柵電極，所述第一量子點(diǎn)形成于所述柵電極的末 端與所述探測電極的末端之間的區(qū)域，所述第一量子點(diǎn)的大小由所述探測電極的形狀和加 在所述柵電極上的偏壓電壓確定。本發(fā)明的太赫茲單光子探測器的探測方法的優(yōu)選的一種技術(shù)方案，所述單電子測 量儀包括形成于所述半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)表面的柵電極、第一電極、第二電極以及第二量子點(diǎn)，所 述柵電極形成于所述探測電極和所述第二電極之間，所述第二量子點(diǎn)形成于所述柵電極的 末端、所述第一電極的末端、所述第二電極的末端之間的區(qū)域，調(diào)整所述第二電極的形狀和 所述第二電極上的電壓進(jìn)而調(diào)整所述第一量子點(diǎn)與所述單電子測量儀之間的電容式耦合 強(qiáng)度。本發(fā)明的太赫茲單光子探測器的探測方法的優(yōu)選的一種技術(shù)方案，調(diào)整所述第二 電極上的電壓來調(diào)整所述第二量子點(diǎn)內(nèi)束縛能級之間的間隔大小。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的太赫茲單光子探測器利用半導(dǎo)體量子點(diǎn)來探測太赫茲 單光子，通過平板半導(dǎo)體工藝制作量子點(diǎn)及其他元件，容易控制量子點(diǎn)的形貌，具有結(jié)構(gòu)緊 湊、易與探測電路集成的特點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)太赫茲物質(zhì)顯微成像系統(tǒng)芯片化的關(guān)鍵。本發(fā)明中的第一量子點(diǎn)與單電子測量儀之間為電容式耦合，每吸收一個(gè)太赫茲光子就能驅(qū)動大量電 子，因而與其他光子型探測器相比具有極低的噪聲等效功率和更高的探測靈敏度，更容易 滿足太赫茲顯微成像系統(tǒng)芯片化的要求。


圖1是本發(fā)明的太赫茲單光子探測器的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步 的詳細(xì)描述。請參閱圖1，圖1是本發(fā)明的太赫茲單光子探測器的結(jié)構(gòu)示意圖。所述太赫茲單光 子探測器包括半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)(圖未示)，形成于所述半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)表面的二維電子氣(圖 未示)，形成于所述半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)表面的探測電極1，第一量子點(diǎn)2以及形成于所述半導(dǎo)體 異質(zhì)結(jié)表面的單電子測量儀(未標(biāo)示)。優(yōu)選的，所述半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的材料為GaAs或者 AlGaAs。所述二維電子氣距離所述半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)表面約Ι-lOOnm。在所述二維電子氣中，電 子遷移率大約為SXlO5CmW1,電子密度為IXlO11cnT2tj所述探測電極1呈蝴蝶結(jié)形。所 述探測電極1為平板偶極天線，用于收集太赫茲單光子。所述探測電極1收集的太赫茲單 光子激發(fā)所述第一量子點(diǎn)2帶單位正電荷。所述單電子測量儀用于測量所述單電子測量儀的周圍靜電環(huán)境的電荷變化。所述 第一量子點(diǎn)2帶的單位正電荷引起所述單電子測量儀中的電流發(fā)生跳變。所述單電子測量 儀包括形成于所述半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)表面的柵電極3、第一電極5、第二電極6以及第二量子點(diǎn) 4。所述單電子測量儀與所述第一量子點(diǎn)2之間沒有電子交換，所述單電子測量儀與所述第 一量子點(diǎn)2之間電容式耦合。調(diào)整所述第二電極6的形狀和所述第二電極6上的電壓可以 調(diào)整所述第一量子點(diǎn)2與所述單電子測量儀之間的電容式耦合強(qiáng)度。所述柵電極3設(shè)置于所述探測電極1和所述第二電極6之間。所述第一量子點(diǎn)2 形成于所述柵電極3的末端與所述探測電極1的末端之間的區(qū)域。所述第二量子點(diǎn)4形成 于所述柵電極3的末端、所述第一電極5的末端、所述第二電極6的末端之間的區(qū)域。所述 柵電極3用于使所述第一量子點(diǎn)2與所述第二量子點(diǎn)4之間沒有電子交換，保證兩者是電 容式耦合。通過調(diào)整所述第二電極6上的電壓可以調(diào)整所述第二量子點(diǎn)4內(nèi)束縛能級之間 的間隔大小。具體的，所述柵電極3包括兩個(gè)柵電極單元，所述探測電極1包括兩個(gè)對稱設(shè)置的 探測電極單元。所述柵電極單元的一邊與所述探測電極單元的相鄰近的一邊平行。所述第 一量子點(diǎn)2形成于所述柵電極單元與所述探測電極單元的相聚末端之間的區(qū)域。所述第一 量子點(diǎn)2的大小由所述探測電極1的形狀和加在所述柵電極2上的負(fù)偏壓電壓確定。所述 第一量子點(diǎn)2的大小一般要遠(yuǎn)小于所要探測的太赫茲波長。所述第二電極6與所述柵電極 3垂直。所述第一電極5包括兩個(gè)第一電極單元，所述第一電極單元對稱設(shè)置于所述第二電 極6的兩側(cè)，所述第二量子點(diǎn)4形成于所述柵電極單元、所述第一電極單元、所述第二電極 6的相聚末端之間的區(qū)域。本發(fā)明的太赫茲單光子探測器的探測方法如下
所述探測電極1收集外部微弱的太赫茲單光子。所述探測電極1收集的太赫茲單光子通過等離子激發(fā)作用使得所述第一量子點(diǎn)2 中的一個(gè)電子隧穿到周圍電子庫中。由于失去了一個(gè)電子，所述第一量子點(diǎn)2就帶上一個(gè) 單位電荷e的正電荷(即空穴)。所以，電子庫中的電子和所述第一量子點(diǎn)2中的空穴為勢 壘阻隔，該電子-空穴對因此擁有很長的復(fù)合壽命τ。與所述第一量子點(diǎn)2電容式耦合的所述單電子測量儀對周圍靜電環(huán)境的變化非 常敏感，太赫茲單光子激發(fā)出的所述第一量子點(diǎn)2中的一個(gè)空穴將導(dǎo)致流過所述單電子測 量儀的電流改變ΔΙ—所述第一量子點(diǎn)2每吸收一個(gè)光子就將驅(qū)動平均τ Aiye個(gè)電子 流過所述單電子測量儀，從而引起所述單電子測量儀中的電流發(fā)生跳變。因此，本發(fā)明的太 赫茲單光子探測器具有很低的噪聲等效功率，即更高的探測靈敏度。通過測量電路(圖未示)測量所述單電子測量儀中的電流(或電導(dǎo))，分析所述單 電子測量儀中的電流的時(shí)間序列從而對所述探測電極探測到的太赫茲單光子進(jìn)行計(jì)數(shù)。具 體的，通過測量電路測量所述單電子測量儀中的第一電極5中的電流或電導(dǎo)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的太赫茲單光子探測器利用半導(dǎo)體量子點(diǎn)來探測太赫茲 單光子，通過平板半導(dǎo)體工藝制作量子點(diǎn)及其他元件，容易控制量子點(diǎn)的形貌，具有結(jié)構(gòu)緊 湊、易與探測電路集成的特點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)太赫茲物質(zhì)顯微成像系統(tǒng)芯片化的關(guān)鍵。本發(fā)明中的 第一量子點(diǎn)2與單電子測量儀之間為電容式耦合，每吸收一個(gè)太赫茲光子就能驅(qū)動大量電 子，因而與其他光子型探測器相比具有極低的噪聲等效功率和更高的探測靈敏度，更容易 滿足太赫茲顯微成像系統(tǒng)芯片化的要求。在遠(yuǎn)紅外，尤其是太赫茲波段，擁有超高空間分辨 率的微弱輻射探測技術(shù)是實(shí)現(xiàn)物質(zhì)顯微成像、生物細(xì)胞或分子成像、天文探測等重大應(yīng)用 的首要條件。因此，充分利用現(xiàn)代半導(dǎo)體工藝技術(shù)，發(fā)展出能探測微弱太赫茲輻射的易于探 測電路集成的太赫茲單光子計(jì)數(shù)探測器將大大推動太赫茲顯微成像的廣泛應(yīng)用。本發(fā)明的太赫茲單光子探測器的單電子測量儀包括形成于所述半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)表 面的柵電極3、第一電極5、第二電極6以及第二量子點(diǎn)4。所述單電子測量儀還可以制作成 量子點(diǎn)接觸結(jié)構(gòu)或單電子晶體管，并不限于上述實(shí)施方式所述。在不偏離本發(fā)明的精神和范圍的情況下還可以構(gòu)成許多有很大差別的實(shí)施例。應(yīng) 當(dāng)理解，除了如所附的權(quán)利要求所限定的，本發(fā)明不限于在說明書中所述的具體實(shí)施例。
權(quán)利要求
1.一種太赫茲單光子探測器，其特征在于，包括半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)，所述半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)表面形成有二維電子氣；形成于所述半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)表面的探測電極，用于收集太赫茲單光子；第一量子點(diǎn)，所述探測電極收集的太赫茲單光子激發(fā)所述第一量子點(diǎn)帶單位正電荷；形成于所述半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)表面的單電子測量儀，用于測量所述單電子測量儀的周圍靜 電環(huán)境的電荷變化，所述單電子測量儀與所述第一量子點(diǎn)電容式耦合，所述第一量子點(diǎn)帶 的單位正電荷引起所述單電子測量儀中的電流發(fā)生跳變。
2.如權(quán)利要求1所述的太赫茲單光子探測器，其特征在于，所述單電子測量儀為單電 子晶體管。
3.如權(quán)利要求1所述的太赫茲單光子探測器，其特征在于，所述探測電極呈蝴蝶結(jié)形。
4.如權(quán)利要求1所述的太赫茲單光子探測器，其特征在于，所述單電子測量儀包括形 成于所述半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)表面的柵電極、第一電極、第二電極以及第二量子點(diǎn)，所述柵電極設(shè) 置于所述探測電極和所述第二電極之間，所述第一量子點(diǎn)形成于所述柵電極的末端與所述 探測電極的末端之間的區(qū)域，所述第二量子點(diǎn)形成于所述柵電極的末端、所述第一電極的 末端、所述第二電極的末端之間的區(qū)域。
5.如權(quán)利要求4所述的太赫茲單光子探測器，其特征在于，所述探測電極包括兩個(gè)探 測電極單元，所述柵電極包括兩個(gè)柵電極單元，所述柵電極單元的一邊與所述探測電極單 元的相鄰近的一邊平行，所述第一量子點(diǎn)形成于所述柵電極單元與所述探測電極單元的相 聚末端之間的區(qū)域。
6.如權(quán)利要求5所述的太赫茲單光子探測器，其特征在于，所述第二電極與所述柵電 極垂直，所述第一電極包括兩個(gè)第一電極單元，所述第一電極單元對稱設(shè)置于所述第二電 極的兩側(cè)，所述第二量子點(diǎn)形成于所述柵電極單元、所述第一電極單元、所述第二電極的相 聚末端之間的區(qū)域。
7.—種如權(quán)利要求1所述的太赫茲單光子探測器的探測方法，其特征在于，包括如下 步驟所述探測電極收集太赫茲單光子；所述探測電極收集的太赫茲單光子激發(fā)所述第一量子點(diǎn)帶單位正電荷；所述單位正電荷引起所述單電子測量儀中的電流發(fā)生跳變；分析所述單電子測量儀中的電流的時(shí)間序列從而對所述探測電極探測到的太赫茲單 光子進(jìn)行計(jì)數(shù)。
8.如權(quán)利要求7所述的太赫茲單光子探測器的探測方法，其特征在于，所述單電子測 量儀包括形成于所述半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)表面的柵電極，所述第一量子點(diǎn)形成于所述柵電極的末 端與所述探測電極的末端之間的區(qū)域，所述第一量子點(diǎn)的大小由所述探測電極的形狀和加 在所述柵電極上的偏壓電壓確定。
9.如權(quán)利要求7所述的太赫茲單光子探測器的探測方法，其特征在于，所述單電子測 量儀包括形成于所述半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)表面的柵電極、第一電極、第二電極以及第二量子點(diǎn)，所 述柵電極設(shè)置于所述探測電極和所述第二電極之間，所述第二量子點(diǎn)形成于所述柵電極的 末端、所述第一電極的末端、所述第二電極的末端之間的區(qū)域，調(diào)整所述第二電極的形狀和 所述第二電極上的電壓進(jìn)而調(diào)整所述第一量子點(diǎn)與所述單電子測量儀之間的電容式耦合強(qiáng)度。
10.如權(quán)利要求9所述的太赫茲單光子探測器的探測方法，其特征在于，調(diào)整所述第二 電極上的電壓來調(diào)整所述第二量子點(diǎn)內(nèi)束縛能級之間的間隔大小。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種太赫茲單光子探測器及其探測方法。所述太赫茲單光子探測器包括半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)，所述半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)表面形成有二維電子氣；形成于所述半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)表面的探測電極，用于收集太赫茲單光子；第一量子點(diǎn)，所述探測電極收集的太赫茲單光子激發(fā)所述第一量子點(diǎn)帶單位正電荷；形成于所述半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)表面的單電子測量儀，用于測量所述單電子測量儀的周圍靜電環(huán)境的電荷變化，所述單電子測量儀與所述第一量子點(diǎn)電容式耦合，所述第一量子點(diǎn)帶的單位正電荷引起所述單電子測量儀中的電流發(fā)生跳變。本發(fā)明的太赫茲單光子探測器能探測微弱的太赫茲輻射，并對太赫茲單光子進(jìn)行計(jì)數(shù)。
文檔編號H01L31/112GK102136520SQ201010600399
公開日2011年7月27日 申請日期2010年12月21日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月21日
發(fā)明者鐘旭 申請人:上海電機(jī)學(xué)院