專利名稱：用于高分辨率焦平面兆兆赫茲成像陣列的微型相校正天線的制作方法
用于高分辨率焦平面兆兆赫茲成像陣列的微型相校正天線相關(guān)申請的交叉引用本申請要求2OO9年5月沘日提交的、標題為“Miniature Phase-Corrected Antennas for High Resolution Focal Plane THz Imaging Arrays，，的、序列號 61/181,809的臨時申請的權(quán)益，在此通過引用明確地并入其公開內(nèi)容。關(guān)于聯(lián)邦資助研究的聲明不適用。
背景技術(shù)：
兆兆赫茲(terahertz，THz)輻射的非電離和穿透性質(zhì)使得其有希望用于商業(yè)和國防工業(yè)中的各種檢測方法[1-2]。同樣，在醫(yī)療場景中，可以將THz頻率狀況(regime)中的特定頻帶識別為惡性組織的標記。調(diào)諧到這些標記頻率，最近已經(jīng)提出將THz輻射作為癌癥檢測的有效工具，與χ射線技術(shù)相反，這將展示出令人滿意的分辨率、相當大的穿透深度和無害的輻射特性。對于最近利用500和800GHz的標記頻率來識別乳腺癌的情形，這是尤其精確(true)和重要的。根據(jù)2006年美國癌癥協(xié)會監(jiān)視研究，1/8的女性可能在她們一生中得乳腺癌，如果在早期被檢測到，則這些情形中的96%是可治愈的。此外，非常期望在醫(yī)療手術(shù)期間實時觀看和識別被切除的組織，以便降低活體檢查(biopsy)時間和跟進手術(shù)次數(shù)。通過對對象進行機械光柵掃描，來生成典型地使用THz輻射的醫(yī)療圖像。然而，與這樣的光柵掃描相關(guān)聯(lián)的長的圖像獲取時間構(gòu)成了主要的瓶頸。因此，在商業(yè)和科學界內(nèi)， 最近已經(jīng)考慮了基于大陣列靈敏檢測器的快速THz成像系統(tǒng)。在這里公開的工作中，開發(fā)了具有低噪聲和高靈敏度的異質(zhì)結(jié)檢測器二極管的焦平面成像陣列拓撲。具體地，考慮到與延伸半球形透鏡上構(gòu)建的THz成像陣列的分辨率關(guān)聯(lián)的兩個主要需求。這些需求包括 (1)密集包裝的(tightly packed) 2D焦平面成像陣列的緊湊THz檢測器的布局。例如，之前在外差THz檢測器設置中采用在雙隙縫天線內(nèi)單片集成的肖特基二極管。盡管這些檢測器連同雙隙縫天線是具有吸引力的(因為它們高的高斯波束耦合效率和衍射受限圖樣 [3])，但是對于本機振蕩器信號和相對大的低通IF濾波器部分的需求不考慮密封包裝陣列開發(fā)。(2)在不借助于昂貴且笨重的透鏡情況下的大量的天線/檢測器元件(或者等效像素)。當延伸半球形透鏡用于在陣列元件上聚焦圖像時，透鏡/空氣邊界處的反射顯著地減少了位置遠離透鏡軸的像素的耦合效率。因此，檢測器元件的數(shù)量受到透鏡直徑的極大限制，并且不能支持超過士 20°的掃描角的成像W]。為了減輕這些問題，在本公開中，公開并驗證了用于直接檢測THz輻射的、與零偏置的Sb異質(zhì)結(jié)構(gòu)反向二極管[5]集成的雙隙縫天線元件。另外，考慮了能夠支持傾斜的輻射圖樣的改進的天線布局，以便在不借助于昂貴且大的硅透鏡的情況下增加檢測器的數(shù)量。在美國專利N0. 6，635，907中闡述了對HBD結(jié)構(gòu)的一般討論。在本公開中使用這樣的HBD的改進版本。特別地，本公開中使用的Sb異質(zhì)結(jié)構(gòu)反向二極管是具有ρ型δ摻雜面的InAs/AlSb/feiSb反向二極管，其在n-InAs陰極層中具有IX 1012cm_2的片濃度(sheet concentration)，如在以下參考文獻中公開的N. Su，R. Rajavel, P. Deelman, J. N. SchuIman,禾口 P. Fay, “ Sb-Heterostructure Millimeter-Wave Detectors With Reduced Capacitance and Noise Equivalent Power," IEEE Electron Device Letters, 卷 29，期 6，536 頁-539 頁，2008 年 6 月；Su, Zhang, SchuIman,禾口 Fay，“ Temperature Dependence of High Frequency and Noise Performance of Sb-Heterostructure Millimeter-Wave Detectors, “ IEEE Electron Device Letters，卷 28，期 5，2007 年 5 月；Fay, SchuIman, Thomas, III, Chow, Boegeman,禾口 Holabird, " High-Performance Antimonide-Based Heterostruccture Backward Diodes for Millimeter—Wave Detection, “ IEEE Electron Device Letters，卷 23，期 10，2002 年 10 月；以及 2010 年 2月22日公開的W0/2010/06966(對應于2009年5月27日提交的PCT/US09/45^8)。所有這些參考文獻的公開內(nèi)容在此通過引用被明確地并入?？梢詫⑷缟蟿倓傄玫倪@樣的優(yōu)選反向二極管描述為“與非均勻摻雜剖面的第一側(cè)相鄰的陰極層、以及與間隔層的第二側(cè)相鄰的銻化物基隧道勢壘層，使單片集成的天線與其結(jié)合”。這樣的反向二極管的銻化物基隧道勢壘可以被摻雜。這樣的參雜可以是非均勻δ摻雜剖面。為了易于討論，隨后該HBD在此將稱為“與非均勻摻雜剖面的第一側(cè)相鄰的陰極層，和與間隔層的第二側(cè)相鄰的銻化物基隧道勢壘層”。

發(fā)明內(nèi)容
與非均勻摻雜剖面的第一側(cè)相鄰的陰極層、和與間隔層的第二側(cè)相鄰的銻化物基隧道勢壘層的反向二極管陣列，使單片集成的天線結(jié)合到每個反向二極管。銻化物基隧道勢壘可以利用例如非均勻的S摻雜剖面來摻雜。成像/檢測裝置包括反向二極管陣列的 2D焦平面陣列，其中每個反向二極管單片地結(jié)合到天線，所述陣列位于延伸的半球形透鏡的背面，并且其中傾斜某些陣列用于校正光學像差。天線可以是蝶形天線、平面對數(shù)周期天線、具有微帶饋入的雙隙縫天線、螺形天線、螺旋狀天線、環(huán)形天線、電介質(zhì)棒天線，或者具有共面波導饋入天線的雙隙縫天線。


為了更充分地理解本裝置的性質(zhì)和優(yōu)點，對以下詳細描述引用應當連同附圖，在附圖中圖1是公開的圖示THz源照射、物鏡、THz檢測器陣列以及數(shù)字處理的THz成像系統(tǒng)的概覽；圖IA是正在成像的對象的圖像；圖IB是對象的數(shù)字處理的圖像的圖像；圖2是制造的用于在IOOGHz直接檢測的雙隙縫天線接收器；圖2Α是圖2的制造的雙隙縫天線接收器的放大視圖；圖3圖形地示出計算的到半空間硅襯底的輻射；圖4圖形地示出計算的透鏡輻射圖樣；圖5是使用圖2的制造的雙隙縫天線接收器的用于100GHz的測量設置；
圖6A是通過在延伸的半球形透鏡的背面的2D焦平面陣列的成像/檢測的射線跟蹤說明；圖6B圖示對于展示不同主波束方向的兩個不同天線布局的、在透鏡/空氣表面處的內(nèi)部反射；傾斜的波束顯著地降低用于離軸檢測的透鏡/空氣邊界處的反射損耗；圖7是雙隙縫檢測器布局#1 ；圖8是使用圖7的雙隙縫檢測器布局的結(jié)果圖樣；圖9是具有修改的布局的雙隙縫檢測器布局#2，其支持波束傾斜用于改進的離軸檢測；圖10是使用圖9的雙隙縫檢測器布局的結(jié)果圖樣；圖11圖形地繪出當圖7和圖9的檢測器均勻地沿y軸離開透鏡軸Imm間隔時，計算的y-z平面透鏡輻射圖樣；圖12示出具有兩個不同布局以改進允許的像素數(shù)量的成像陣列；圖13是多個小天線組成以支持離開透鏡軸傾斜> 25°的輻射波束的檢測器；圖14是圖樣校正的雙隙縫天線FPA的示例性布局；圖15是未修改的雙隙縫天線布局；圖16是修改的圖15的雙隙縫天線布局；圖17是另一未修改的隙縫螺形天線布局；圖18是修改的圖17的另一雙隙縫天線布局；圖19圖形地繪出頻率(GHz)-阻抗(Ω)圖，該阻抗針對波束傾斜縫隙螺形天線阻抗；圖20是未修改的寬雙隙縫天線布局；圖21是修改的寬雙隙縫天線布局；圖22圖形地繪出頻率(GHz)-阻抗(Ω)圖，該阻抗針對寬雙隙縫天線阻抗；圖23A-23C示出在各種頻率接收用于圖21的蝶形天線的波束；圖M是用于500/800GHZ操作的雙折疊縫隙天線的幾何形狀；圖25圖形地示出當輸入阻抗匹配到140 Ω時天線的| S111 < -IOdB帶寬；圖沈是本公開的高頻HBDS的橫截面；圖27是蝶形天線配置中用于與HBDS集成的兆兆赫茲天線元件；圖觀是平面對數(shù)周期天線配置中用于與HBDS集成的兆兆赫茲天線元件；圖四是具有微帶饋入雙隙縫天線配置中用于與HBDS集成的兆兆赫茲天線元件；圖30是螺形天線配置中用于與HBDS集成的兆兆赫茲天線元件；圖31是螺旋狀天線配置中用于與HBDS集成的兆兆赫茲天線元件；圖32是環(huán)形天線配置中用于與HBDS集成的兆兆赫茲天線元件；圖33是電介質(zhì)棒天線配置中用于與HBDS集成的兆兆赫茲天線元件；圖34是具有共面波導饋入天線的雙隙縫天線配置中用于與HBDS集成的兆兆赫茲天線元件；圖35是延伸的半球形透鏡后面的THz天線檢測器；圖36是在圖2-5的裝置中有用的500GHz樣機天線HBD結(jié)構(gòu)；圖37圖形地示出圖36的樣機的響應性；以及
圖38圖形地示出圖36的樣機的對IOOGHz的NEP。以下將更詳細地描述這些圖。
具體實施例方式THz成像系統(tǒng)概覽圖1展示了公開的THz成像系統(tǒng)的概覽。要成像的對象(例如，組織樣本)10用均勻的THz輻射12進行照射。具有根據(jù)對象的吸收特性修改的幅度的傳輸波通過透鏡系統(tǒng)14引導到成像陣列。陣列元件附接到延伸的半球形透鏡16的背后，用于從不同的入射角進行檢測。透鏡由高阻性硅制成，并且其形狀提供了高的增益和高斯波束耦合效率。每個焦平面陣列檢測器由隙縫天線結(jié)構(gòu)(例如，雙隙縫)和在其上印制的Sb異質(zhì)結(jié)構(gòu)二極管組成。通過天線接收的輻射在二極管上整流，所述二極管作為半波整流器。整流的輸出是 DC電壓和更高頻率的諧波。DC分量的功率等級對應于接收的輻射的量值。檢測器隨后連接到A/D轉(zhuǎn)換器，A/D轉(zhuǎn)換器量化DC電壓并且確定生成的數(shù)字圖像18的像素對比度。因為每個天線二極管檢測器收集來自特定方向的輻射，所以A/D轉(zhuǎn)換器測量的電壓值形成數(shù)字圖像(又叫做測試的組織的圖像)的像素。每個檢測器元件的關(guān)鍵設計方面是天線和二極管之間的匹配、高阻性硅透鏡中的吸收損耗和天線孔徑效率。所有這些損失和不匹配直接影響給二極管的RF功率傳送，由此降低THz檢測器的整體的響應性。圖IA是正在成像的實際組織的圖像，而圖IB是成像的組織的實際顯示的圖像。用于THz輻射直接檢測的雙隙縫天線元件圖2(a)描繪了制造的檢測器18的放大的視圖，其中雙隙縫天線具有印制在其上的Sb異質(zhì)結(jié)構(gòu)[5] 二極管。雙隙縫偶極子設計為0. 94mm長，0. 08mm寬，分開0. 5mm,以在 IOOGHz諧振。隙縫提供給0. Imm寬共面波導(0. 06mm內(nèi)導體寬度)，導致在硅半空間(50 Ω 阻抗)上的IOGHz帶寬。檢測器附接到具有> IOkQ的高阻性的25mm直徑的延伸硅透鏡 (εΓ= 11.7)0 二極管區(qū)域調(diào)節(jié)到匹配50 Ω，并且選取5mm的延伸長度，來接近具有大高斯耦合效率的衍射受限方向性的操作W]。在設計過程中，經(jīng)由磁場積分方程的矩量法(MoM) 的解來評估到硅半空間中的輻射(圖幻。隨后，從射線跟蹤技術(shù)確定透鏡上的孔徑電流，然后將其積分以計算整個系統(tǒng)的輻射圖樣[6](圖4)。接收的輻射由零偏置二極管整流，并且變換為通過引線接合(wire-bonded)引出端測量的DC電壓。如在圖2(a)中所描繪的，形成與天線布局相鄰的具有5mm間隙的 0. ImmXO. 2mm的襯墊20，用于引線接合。盡管與隙縫寬度相比，該間隙非常窄，但其的存在顯著地影響了 x-z平面輻射圖樣。如在圖3中所示，x-z平面半功率波束寬度(HPBW)比y-z 平面寬8°。而且，χ-y平面圖樣沿-χ傾斜8°并且向+χ觀察到-IOdB旁瓣。期望該圖樣的加寬降低在光學耦合成像系統(tǒng)中的高斯耦合效率、及關(guān)聯(lián)的檢測器響應性。另一方面，圖 4中的遠場圖樣仍然非常接近具有21mmX21mm有效孔徑區(qū)域的衍射受限尺寸(僅具有x_z 平面中的1°偏移)。圖5描繪了用于測試直接檢測和Sb異質(zhì)結(jié)二極管響應性的實驗性設置。以341Hz的頻率旋轉(zhuǎn)的斷續(xù)器22，安裝在以103. 8GHz輻射的反向波振蕩器M的源喇叭的前面。鏡26將波束轉(zhuǎn)向透鏡檢測器觀，讀數(shù)由示波器30提供。初始的測量得出1000V/ W的二極管響應性的結(jié)果。以下提出的新的改進的天線設計考慮實現(xiàn)超過150，000V/W的響應性。
改進的具有非對稱的饋入微型隙縫天線的離軸檢測用于形成延伸的半球形硅透鏡32下的焦平面成像陣列的檢測器34的數(shù)量，受到透鏡表面的內(nèi)部反射的限制W]。為了說明這一點，考慮在之前部分中設計和雙隙縫天線元件的離軸輻射特性。由于隙縫對稱地位于X和y方向中的饋入周圍，天線沿正ζ(θ = 0° )軸36、以10. 9dB方向性將筆形波束輻射到硅半空間。從圖6A中所示的射線光學圖示中可以觀察到，隨著天線進一步遠離透鏡軸處的中心元件放置，天線沿離軸方向進行輻射/ 檢測。因此，用固定尺寸的延伸的半球形透鏡獲得高分辨率THz圖像(即，大量的檢測器)， 暗示著從更大的入射角進行檢測。盡管射線光學表明利用合適的元件位置來進行任何離軸檢測是簡單可行的，但是由于在透鏡/空氣邊界處的反射42，位于進一步遠離透鏡軸的天線經(jīng)歷極大的功率損耗。如圖6B中所示的，當透鏡表面法線和主光束方向之間的角度增加時，來自雙隙縫天線元件38的大多數(shù)輻射38被內(nèi)部地02)反射。為了減輕這種基本限制、并且增加用于相同頻率和透鏡尺寸的可允許陣列元件的數(shù)量，本公開提出使用具有朝向光軸傾斜的輻射圖樣44的天線結(jié)構(gòu)40，使得內(nèi)部反射最小化，如圖6B所示。在雙隙縫天線配置中46中(參見圖7)，可以經(jīng)由非對稱的饋入或者附加的寄生隙縫可以容易地實現(xiàn)這樣的圖樣傾斜。例如，圖8中描繪的天線布局的半空間圖樣在y-z平面中朝向+y方向傾斜沈°。通過沿_y方向?qū)⒐裁娌▽ю伻刖€移動150 μ m簡單地實現(xiàn)該傾斜。修改后的天線元件具有在IOOGHz處-7dB旁瓣電平的筆形波束，并且展示了由于饋入位置周圍施加的感性負載引起的陽Ω的實部輸入阻抗(參見圖10)。圖11中的實線50描繪了當圖7中的原始檢測器部件被沿_y方向離軸移位Imm 間隔時，計算的y-z平面輻射圖樣。這些圖樣關(guān)于位于光軸處的中心元件被歸一化。觀察到對于大于20°的掃描角度(離軸距離> 2mm)，觀察到輻射功率的顯著下降(< _6dB)。 因此，25mm硅透鏡在IOOGHz只能支持5個用于線性成像陣列的元件(沿_y兩個，中心元件，沿+y兩個)，以及13個用于矩形2D成像陣列的元件(或者等效的像素)(d <= 2mm, 其中d是距透鏡軸的距離)。圖11中的虛線52表明當圖9的檢測器布局48位于離開光軸-2mm、-3mm和-4mm的位置時的輻射圖樣。由于大量減少的內(nèi)部反射，元件分別多接收到 IdB,3. IdB和4. 8dB的功率。因此，與原始配置相比較，25mm硅透鏡現(xiàn)在可以多支持4個用于線性陣列配置的元件，多支持36個用于2D成像陣列的元件(d ( 4mm)。圖12描繪了利用修改的雙隙縫天線元件的可能的2D陣列的圖示。由于不同的元件方位，極性掃描對最佳成像性能是必需的。另一方面，不同類型的修改，諸如沿x/y軸的饋入位置移動或者寄生隙縫，可以在任意切口(cut)組合到傾斜元件圖樣，不需改變天線元件。然而，由非對稱饋入雙隙縫天線支持的波束傾斜證明被限制在25°。為了使得波束傾斜超過25°，檢測器必須由多個天線組成，如圖13圖示的。另外，檢測器布局的整個尺寸必須保持小于由波長和透鏡f數(shù)規(guī)定的最大像素尺寸。因此，如圖13中表示的微型天線布局和檢測器拓撲減輕了這些挑戰(zhàn)的影響并且使得在不使用昂貴并且大的硅透鏡光學裝置的情況下使得高分辨率THz焦平面成像陣列成為可能。經(jīng)由用于THz成像的天線波束校正的寬帶焦平面陣列性能增強雙隙縫天線配置對于可以在焦平面陣列(FPA)內(nèi)實現(xiàn)優(yōu)異性能的設計非常靈活， 如圖14-16中所見。然而，它們展示了窄操作帶寬。因此，示出圖樣校正技術(shù)(以上為雙隙縫天線概括的)還可應用于寬帶天線是強制的，以便校正由于折射和波前像差引起的離軸元件性能劣化。隙縫螺形天線隙縫螺形天線的特征是寬帶操作同時保持非常小的覆蓋面積。其在尺寸上是緊湊的，因此可以容易地并入密集包裝的FPA中。其在整個操作頻帶中展示了相當均勻的輻射圖樣。在圖17和18中，描繪了用于視軸(boresight)(圖17)和傾斜波束(圖18)接收的螺形天線布局。為了傾斜天線的接收波束，饋入(或者檢測器元件的位置)被移位偏離幾何中心，并且延長水平隙縫。波束傾斜的螺形元件的寬帶阻抗性能也示出在圖19中。除了螺形設計，寬帶性能還可以通過不同的天線拓撲來實現(xiàn)，諸如圖20和圖21中所示的天線拓撲。該天線是雙隙縫天線的修改并且由于其外觀被稱作“蝶形天線”。以下概述應用于蝶形天線的波束校正技術(shù)?？梢酝ㄟ^修改如圖20和21中描繪的天線隙縫，改進多用雙隙縫天線的窄帶寬。 該設計適應中心頻率周圍的寬帶。在圖22中示出了蝶形天線的結(jié)果阻抗性能，顯示了覆蓋 500GHz到ITHz范圍的寬得多的帶寬。該天線在阻抗和輻射圖樣兩方面都具有相對均勻的表現(xiàn)。與寬帶螺形天線相比較，蝶形天線布局的特征是在控制整個操作頻帶的波束傾斜角中改進的靈活性。如在圖23A-23C中所見，饋入(或者檢測器)M離開中心56放置，靠近兩個隙縫(如在雙隙縫天線的情況下)中的一個，導致兩個隙縫中的電流之間的相位差。然而，對于較低頻率，相位差小，意味著傾斜的波束的角度也小。由此，將曲徑部分加入到饋線中(參見圖22)增加了饋線的電長度，因此增加了相位差。在圖23A-23C中示出了用于500GHz_lTHz頻帶的可實現(xiàn)的波束傾斜。用于多帶THz檢測的微型隙縫天線如在之前的部分中證明的，焦平面THz成像陣列(位于延伸的半球形透鏡的后表面)可以采用小的且定向的隙縫天線配置，以便在靈敏度、損耗以及分辨率方面?zhèn)鬟f最佳的檢測性能。也就是，天線尺寸必須不大于由透鏡孔徑的衍射極限設置的尺寸(1.22λ ·/ D)，同時圖樣是定向的并且關(guān)于透鏡軸對稱。天線元件的尺寸在多帶應用中甚至變得更關(guān)鍵，以在高頻率狀況下獲得最佳的可能分辨率。對于在500GHz和800GHz的關(guān)心的頻率(乳腺癌檢測)，本公開提出圖M中示出的雙折疊隙縫天線配置作為初始設計。由于折疊隙縫長度是常規(guī)隙縫的大約一半，雙折跌隙縫天線的111 μ mX 94 μ m分辨率非常接近于800GHz的最優(yōu)的85 μ mX 85 μ m。500/800GHz 輻射圖樣二者是對稱的和定向的，這暗示著可以激勵各個輻射器(即，內(nèi)部和外部的折疊隙縫)，而不會彼此耦合和失真。圖25證明在500/800GHZ頻率處天線元件的| S111 <-IOdB 帶寬。具體地，在天線匹配到140 Ω時可以獲得15%的帶寬。清楚地，更小的隙縫天線/檢測器拓撲對于將采用多帶檢測的高分辨率焦平面 THz成像陣列極其有益。另外，對于這些多帶天線實現(xiàn)圖樣傾斜將導致更高的分辨率，而不需借助于大且笨重的透鏡，如上文中討論的。具有匹配天線的HBD結(jié)構(gòu)裝置結(jié)構(gòu)(參見圖沈)已經(jīng)證明噪聲等效功率(NEP)低到MOfW/Hz1氣1該靈敏度足以實現(xiàn)基于直接檢測的無源成像陣列，而不需要低溫冷卻或者低噪聲放大器(LNA)前端。這不僅減少了成本，而且減少了基于這些材料的陣列所需的前端工程。改進的噪聲性能直接轉(zhuǎn)換到改進的系統(tǒng)的信噪比、以及減少的組件部件計數(shù)和復雜性。該檢測陣列還涉及每個像素處的DC阻流器(choke)。該阻流器直接從強度轉(zhuǎn)換到片上DC輸出，消除了導致大的損耗并且在歷史上排除了大量兆兆赫茲應用的傳輸THz信號的要求。HBDS 58包括層62, S. I. GaAs 襯底；64，緩沖層；66，GaSb ；68，Al01Ga0 9Sb ；70，AlSb ；72，InAs ；以及 74， InAs0通過其他人使用定制增長(custom-grown)結(jié)構(gòu)的現(xiàn)有技術(shù)工作，已經(jīng)證明極低的Ι/f噪聲和超過熱離子器件(例如，肖特基二極管、平面摻雜勢壘二極管)的理論極限的固有靈敏度。迄今為止，這些證明已經(jīng)被限制在W帶及以下(< 110GHz)。該努力看到用于將其頻率范圍擴展到THz狀況的深亞微米器件的強烈的縮放性(aggressive scaling)。 這些納米級的器件將與天線集成，以形成通過THz狀況在IOOGHz中操作的寬帶FPA陣列。在本公開的工作已經(jīng)證明了與匹配天線二極管結(jié)構(gòu)單片集成的可縮放1N. Su, R. Rajavel, P. Deelman, J. N. Schulman,禾口 P. Fay, “ Sb-Heterostructure Millimeter-ffave Detectors With Reduced Capacitance and Noise Equivalent Power, “ IEEE Electron Device Letters，卷四，期 6，536 頁-539 頁，2008 年 6 X 11FPA。 1在圖27-34中示出若干可替代的THz天線架構(gòu)。特別地，圖27是蝶形配置中用于與HBDS 集成的兆兆赫茲天線元件。圖觀是平面對數(shù)周期配置中用于與HBDS集成的兆兆赫茲天線元件。圖四是具有微帶饋入的雙隙縫配置中用于與HBDS集成的兆兆赫茲天線元件。圖30 螺形天線配置中用于與HBDS集成的兆兆赫茲天線元件。圖31是螺旋狀天線配置中用于與 HBDS集成的兆兆赫茲天線元件。圖32是環(huán)形天線配置中用于與HBDS集成的兆兆赫茲天線元件。圖33是電介質(zhì)棒天線配置中用于與HBDS集成的兆兆赫茲天線元件。最后，圖34是具有共面波導饋入的雙隙縫天線配置中用于與HBDS集成的兆兆赫茲天線元件。在考慮了圖27-34中示出的若干可替代THz天線架構(gòu)之后，天線設計的選擇由在高阻性硅襯底上印制、并且調(diào)諧到匹配0. ITHz的HBD的阻抗的雙隙縫天線元件(圖34)組成。已經(jīng)通過縮放該設計并且重新調(diào)諧到匹配該特定頻率的阻抗來證明0. 5THz的樣機。在圖35和36中示出的該單個元件樣機80位于延伸的半球形成像透鏡82的后面。在圖2和2A(以上)中示出了集成的天線二極管，以及單個元件檢測器的計算的接收圖樣。使用圖5中示出的標準設置成功地測試了該第一樣機。在0. ITHz的設計頻率， 該匹配樣機實現(xiàn)了 R = 100, 000V/W的空前響應性，以及NEP = 0. 2X 10_12的噪聲等效功率 (圖37和38)。當縮放到0. 5THz時，該設計維持響應性> 20，000V/W以及NEP < 1 X 10_12。 在沒有大量的形式因素和液氦低溫冷卻要求的情況下，不存在提供這種性能的其它檢測器選件。傳感器元件和天線的單片集成允許設計者靈活地修改天線拓撲。該修改可以根據(jù)良好開發(fā)的天線設計以及微波匹配和濾波器理論技術(shù)來進行，以便實現(xiàn)與復數(shù)的二極管阻抗的完美匹配。天線和射頻(RF)工程的非常有希望的集成已經(jīng)開啟了新的途徑，以開發(fā)入射輻射到高速非線性檢測器的高效率耦合。例如，正在追尋類似的方法，來在紅外線(IR) 和光學帶(使用納米天線)中改進傳感器的響應性和速度?？偨Y(jié)在此公開一種與零偏置Sb異質(zhì)結(jié)構(gòu)反向二極管集成的、具有可調(diào)諧的主波束方向的雙隙縫天線，用于THz輻射的直接檢測。這種檢測器元件的緊湊布局和高響應性使得它們適合于設計2D焦平面THz成像陣列。此外，本公開提出并證明了通過調(diào)諧照射光軸的每個像素的主輻射波束，可以顯著增加固定尺寸的硅透鏡支持的檢測器的數(shù)量。這可以通過移動饋入位置和/或在天線幾何形狀中引入小的寄生隙縫，來簡單地實現(xiàn)。另外，本公開證明了雙隙縫折疊隙縫天線是用于乳腺癌的雙帶THz檢測的有希望的候選。改進分辨率并且實現(xiàn)多帶檢測是THz成像陣列中的當前挑戰(zhàn)，并且可以利用如在本公開中概述的更小的天線/檢測器拓撲的開發(fā)來解決。除了所公開的檢測器系統(tǒng)的醫(yī)療用途之外，其它可能的用途包括例如1.生物醫(yī)學THz成像和診斷癌癥檢測乳房、口腔、皮膚、前列腺以及宮頸牙科成像皮膚評估燒傷診斷和皮膚病學、美容診斷和治療(暴露的骨頭的)整形外科成像切除術(shù)癌癥治療、美容手術(shù)、美容療法易揮發(fā)的有機化合物檢測和分光術(shù)識別藥物化合物中的多晶型物和氰化物藥物和藥物學上的計數(shù)檢測2.非破壞性測試微芯片檢驗腐蝕識別氣體化合物檢驗和檢測藥物質(zhì)量控制包裝檢驗風機葉片檢驗噴氣機推進力檢驗材料完整性和結(jié)構(gòu)分析燃料電池質(zhì)量控制和診斷過程監(jiān)視污染監(jiān)視天然氣管道診斷疊層材料的分離的檢測用于易碎藝術(shù)品的3D檢驗的系統(tǒng)分子辨識和蛋白質(zhì)折疊(protein folding)3.安全性篩選檢查點篩選隱藏的違禁品的檢測受控物質(zhì)的檢測有害化合物的識別
生物統(tǒng)計學(門、手、行走行為)穿透霧的成像農(nóng)產(chǎn)品的評估(新鮮冰凍樣本的成像、濕度差，等等)4.電信/天文學/武器視線高速數(shù)字和模擬通信，> IOGbits高速的軍事應用寬帶光纖的擴展高磁場應用亞mmW和mmW天文學大氣觀測/監(jiān)視(諸如臭氧的損耗)向?qū)Ш虸D系統(tǒng)反暴舌L保護(counter riot protection)5.航空用于改進的可視性的飛行器穿透塵埃和霧。另外的使用領(lǐng)域包括例如，RF/E0/0ptics成像系統(tǒng)、RF/E0/0ptics相位陣列、mmW 成像、_W通信、mmff自適應陣列、mmff智能天線、以及UV通信/無線電。盡管已經(jīng)參照各種實施例描述了裝置及其用途，但本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解可以進行各種修改并且等效物可以替換其元件，而不脫離本公開的范圍和本質(zhì)。另外，可以對本公開的教導進行許多修改來適應特定的情況或者材料，而不背離其本質(zhì)的范圍。因此，意圖在于本公開不限于公開的特定實施例，而是將包括落入所附的權(quán)利要求的范圍內(nèi)的所有實施例。在該應用中，所有的單位是米制體系并且所有量和百分率按重量計，除非明確地作出相反的指示。而且，在此參考的所有引文通過引用在此明確地并入。參考文獻[1]S. M. Hanham，T. V. Bird，B. F. Johnston，禾口 R. A. Minasian， ‘‘ Dielectric Rods for THz Antenna Arrays“，WARS 2008 年[2]Μ· C. Kemp 等， "Security Applications of Terahertz Technology ", Proceedings of SPIE，卷 5070，2003 年[3]G. P. Gauthier, W. Y. Ali—Ahmad， T. P. Budka， D. F. Filipovic,禾口 G. Μ. Rebeiz," A Uniplanar 9O-GHz Schottky-Diode Milimeter-ffave Receiver" , IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,卷 43,期 7,1669 頁-1672 頁，1995
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權(quán)利要求
1.一種反向二極管陣列，反向二極管的陰極層與非均勻摻雜剖面的第一側(cè)相鄰，并且其銻化物基隧道勢壘層與間隔層的第二側(cè)相鄰，使單片集成的天線結(jié)合到每個所述反向二極管。
2.如權(quán)利要求1所述的反向二極管陣列，其中所述天線是寬帶或者單帶的一個或多個。
3.如權(quán)利要求1所述的反向二極管陣列，其中從中切掉多個較小的陣列。
4.如權(quán)利要求1所述的反向二極管陣列，其中銻化物基隧道勢壘被摻雜。
5.如權(quán)利要求1所述的反向二極管陣列，其中非均勻的摻雜剖面還包括δ摻雜剖面。
6.如權(quán)利要求1所述的反向二極管陣列，其中所述天線是以下中的一個或多個蝶形天線配置、平面對數(shù)周期天線配置、具有微帶饋入的雙隙縫天線配置、螺形天線配置、螺旋狀天線配置、環(huán)形天線配置、電介質(zhì)棒天線配置、或者具有共面波導饋入天線的雙隙縫天線配置。
7.如權(quán)利要求6所述的反向二極管的陣列，其中所述天線包括所述具有微帶饋入的雙隙縫天線配置。
8.一種成像/檢測裝置，包括反向二極管的2D焦平面陣列，反向二極管的陰極層與非均勻摻雜剖面的第一側(cè)相鄰， 并且其銻化物基隧道勢壘層與間隔層的第二側(cè)相鄰，使單片集成的天線結(jié)合到每個所述反向二極管，該陣列位于延伸的半球形透鏡的背面。
9.如權(quán)利要求8所述的成像/檢測裝置，其中傾斜某些所述陣列用于校正光學像差。
10.如權(quán)利要求8所述的反向二極管陣列，其中所述天線是寬帶或者單帶的一個或者多個。
11.如權(quán)利要求8所述的反向二極管陣列，其中銻化物基隧道勢壘被摻雜。
12.如權(quán)利要求8所述的反向二極管陣列，其中非均勻的摻雜剖面還包括δ摻雜剖面。
13.如權(quán)利要求8所述的反向二極管陣列，其中所述天線是以下中的一個或多個蝶形天線配置、平面對數(shù)周期天線配置、具有微帶饋入的雙隙縫天線配置、螺形天線配置、螺旋狀天線配置、環(huán)形天線配置、電介質(zhì)棒天線配置、或者具有共面波導饋入天線的雙隙縫天線配置。
14.如權(quán)利要求13所述的反向二極管的陣列，其中所述天線包括所述具有微帶饋入的雙隙縫天線配置。
15.一種成像/檢測裝置，包括反向二極管的2D焦平面陣列，其中每個反向二極管單片地結(jié)合到天線，該陣列位于延伸的半球形透鏡的背面，并且其中傾斜某些所述陣列用于校正光學像差。
16.如權(quán)利要求15所述的反向二極管陣列，其中所述天線是寬帶或者單帶的一個或者多個。
17.如權(quán)利要求15所述的反向二極管陣列，其中銻化物基隧道勢壘被摻雜。
18.如權(quán)利要求15所述的反向二極管陣列，其中非均勻的摻雜剖面還包括δ摻雜剖面。
19.如權(quán)利要求15所述的反向二極管陣列，其中所述天線是以下中的一個或多個蝶形天線配置、平面對數(shù)周期天線配置、具有微帶饋入的雙隙縫天線配置、螺形天線配置、螺旋狀天線配置、環(huán)形天線配置、電介質(zhì)棒天線配置，或者具有共面波導饋入天線的雙隙縫天線配置。
20.如權(quán)利要求19所述的反向二極管的陣列，其中所述天線包括所述具有微帶饋入的雙隙縫天線配置。
全文摘要
一種反向二極管陣列，反向二極管的陰極層與非均勻摻雜剖面的第一側(cè)相鄰，并且其銻化物基隧道勢壘層與間隔層的第二側(cè)相鄰，使單片集成的天線結(jié)合到每個反向二極管。銻化物基隧道勢壘可以利用例如非均勻的δ摻雜剖面來摻雜。成像/檢測裝置包括反向二極管陣列的2D焦平面陣列，其中每個反向二極管單片地結(jié)合到天線，陣列位于延伸的半球形透鏡的背面，并且其中傾斜某些陣列用于校正光學像差。天線可以是蝶形天線、平面對數(shù)周期天線、具有微帶饋入的雙隙縫天線、螺形天線、螺旋狀天線、環(huán)形天線、電介質(zhì)棒天線、或者具有共面波導饋入天線的雙隙縫天線。
文檔編號H01L29/51GK102460707SQ201080033321
公開日2012年5月16日 申請日期2010年5月28日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月28日
發(fā)明者G.芒庫, H.L.莫斯巴克, K.瑟特爾, P.史密斯 申請人:俄亥俄州立大學