第7章激光器介绍.ppt

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1、1.热电偶 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。热电偶原理图TT0AB12（1）接触电势0()lnAABBkTnETen（2）温差电势 00000n(,)(lnln)()TAAABABTBBTnTkET TTTdTenTnT回路接触电势回路温差电势ABT0T接触电势EAB(T)EAB(T0)0,BET T0,AET T2.热释电探测器3.高莱探测器太赫兹波探测器的研究背景及意义太赫兹波探测器的研究背景及意义宽频性：宽频性：0.1THz0.1THz10THz(30um10THz(30um3mm)3mm)。透视性透视性：对非极性物质有很强的穿透能力（对不透明物

2、体进行透视成像）。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：安全性：1THz1THz光子的能量为光子的能量为4.1meV4.1meV，约为，约为X X射线光子能量的射线光子能量的1/1001/100（可用于旅客（可用于旅客 的安全检查）。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THzTHz波频段。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。的太赫兹探测技术尤为重要。

3、4.太赫兹波探测器太赫兹波探测器Bolometer：4.2 K 容易受到各种热源的干扰容易受到各种热源的干扰 不便于携带不便于携带Pyroelectric Detector：低速低速 Golay cell：灵敏度较差灵敏度较差 探测效率较低探测效率较低Schottky Diode：0.1 THz 1 THzRoom temperatureHigh responsivityLow NEP and High-speed太赫兹波探测器的研究背景及意义太赫兹波探测器的研究背景及意义5German team（U.R.Pfeiffer,E.jefors,A.Lisauskas,D.Glaab,and H.

4、G.Roskos,et al）Institute for High-Frequency and Communication Technology，University of Wuppertal0.25 mm-Si CMOS,3x5 FPA(readout circuits integrated)5.3 mA/W or 150 V/W 650 GHzNEP 0.5 nW/Hz0.5 Self-mixingPanasonic Corp.（Tohoku University,Japan(2010)）68th Device Research Conference 2010,Nano T-gate(80

5、 nm)GaN/AlGaN-HEMTR 1100 V/W 1000 GHz.Resonant detection关于太赫兹探测器的一些最新研究进展关于太赫兹探测器的一些最新研究进展Patch antennas&Nano gateDipole antenna&Nano gate 用用FDTDFDTD模拟设模拟设计适合自混频探计适合自混频探测原理的天线结测原理的天线结构和滤波器等。构和滤波器等。模拟设计模拟设计 设计光刻板，设计光刻板，首先从工艺制作首先从工艺制作上证明单步工艺上证明单步工艺的可行性，并进的可行性，并进行整体器件的加行整体器件的加工。工。器件加工器件加工 搭建搭建THzTHz探测的

6、探测的电学和光学测试电学和光学测试系统（包括系统（包括PCBPCB板，偏振片，三板，偏振片，三维手动微动平台维手动微动平台等）等）测试分析测试分析结构优化结构优化 对测试结果进对测试结果进行分析，并反馈行分析，并反馈设计，优化器件设计，优化器件结构，最终实现结构，最终实现高灵敏度，高响高灵敏度，高响应度和较低的应度和较低的NEPNEP。研究方法研究方法自混频探测的模型及原理 工作原理图CMOS or HEMT 0gdsdsiGV（V）ggg=cos=cos+dsdsdsdsdsggVVVVVVVVVV（）（）背景电流光电流0gds0gg1+cos2dsdsiGGV（V）V（V）V（）a.选用电

7、子迁移率较高的材料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设计高效的太赫兹混频天线栅控能力天线耦合效率天线天线收集并增THz电场跟HEMT器件的相互作用，进而提高探测效率。隔离天线跟引线电极，用以保证天线的谐振性能。滤波器滤波器 SDGHEMTAlGaNGaN器件整体结构器件整体结构1.裂片，清洗，光刻，裂片，清洗，光刻，ICP刻蚀刻蚀2.ALD生长生长AL2O33.欧姆窗口腐蚀欧姆窗口腐蚀4.蒸金，剥离和退火蒸金，剥离和退火5.光刻制作电子束对准标记，光刻制作电子束对准标记，蒸金，剥离，电子束曝光，蒸蒸金，剥离，电子束曝光，蒸金，剥离金，剥离6.光刻，蒸金，剥离制作天线光刻，蒸金

8、，剥离制作天线和和pad工艺流程工艺流程chopper检测信号THz信号参考探测器HR-Si BSiTDGSRgVgVdsLock-in Amp.Sig.Amp.Ref.A/V测试装置图测试电路连接示意图 I-V 电导 跨导 ITHz-Vg 响应度 等效噪声功率 响应频谱 响应速度 偏振特性场效应基本特性测试场效应基本特性测试太赫兹检测特性测试太赫兹检测特性测试BWO:0.85 THz0.95 THz,P50nWChopper：04 KHzPE detector:6x103 V/W 317 Hz测试及优化测试及优化测试及优化测试及优化_无特意设计天线结构无特意设计天线结构11 验证测试光路和测

9、试系统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初步检测到微弱的光电流初步检 测到微弱的光电流；测到微弱的光电流；响应度约为响应度约为10 V/W;跟自混频模型吻合；跟自混频模型吻合；低温下光电流增加（低温下电子低温下光电流增加（低温下电子 的迁移率增加的迁移率增加)Spad=100 um,Lg=2 um,Lw=8 um,Lds=8um0.00.10.20.30.40.50.6-4-3-2-100123456 G(300 K)G(77 K)G(mS)0.00.40.81.2 dG/dVg(300 K)dG/dVg(77 K)dG/dVg(a.u.)300 K 77 K fit(300

10、 K)fit(77 K)photocurent(nA)Vg(V)903 GHzx10 Characterization of a room temperature terahertz detector based on a GaN/AlGaN HEMTH,Journal of Semiconductors.32,064005(2011).Lds=8 um,Lg=2 um,Santenna=20 um x 45 um,Spad=200 um x 200 um,双极子天线器件三极子蝶形共振天线器件RV=180 V/WRV=25 V/W1st step:双极子天线 to 三极子蝶形共振天线 Enha

11、ncement of Terahertz coupling efficiency by improved antenna design in GaN/AlGaN HEMT detectors,Chinese physics B,21,10.(2012).-4-3-2-100.00.20.40.60.81.01.21.41.6Photocurrent(nA)Vg(V)-5-4-3-2-100.00.20.40.60.81.0Photocurrent(nA)Vg(V)Rx7RV=25 V/WRV=180 V/Wnanogate(700 nm)90 umsourcedrainfiltersOhmic

12、contactsgatenanogate(700 nm)sourcedrainOhmiccontactsgate90 um三极子蝶形共振天线+纳米栅三极子蝶形共振天线+纳米栅+滤波器RV=250 V/WRV=1050 V/WLds=5um,Lg=700 nm,Santenna=20 um x 45 um,Spad=200 um x 200 um,电学特性光学特性2nd step:三极子蝶形共振天线器件对比 Room temperature GaN/AlGaN self-mixing terahertz detector enhanced by resonant antennas,Applied

13、 Physics Letters.98,252103(2011)-4-3-2-100.00.20.40.60.81.01.21.41.61.8Photocurrent(nA)Vg(V)-4-3-2-100.00.20.40.60.81.01.21.41.61.8Photocurrent(nA)Vg(V)Rx4RV=250 V/WRV=1050 V/WSEM 图片器件的特征尺寸参数3nd step:三极子蝶形共振天线+微米栅器件的优化 Enhancement of Terahertz coupling efficiency by improved antenna design in GaN/Al

14、GaN HEMT detectors,Chinese physics B,21,10.(2012).室温下不同器件的测试优化结果响应度0.00.51.01.52.0-4-3-2-102468Rv(V/W)77 K 300 K 77 KVg(V)300 K 77 K77 K Ri(A/W)300 K x 30f=937 GHzP0=220 nW 以器件以器件#4为例进行测量为例进行测量室温下器件的响应度达室温下器件的响应度达 到了到了9.45x102 V/W。低温下器件的响应度超低温下器件的响应度超 过了过了8 KV/W。PEHEMT57.4WWPE探测器真实能量：PEPEPEWVRPEV为PE

15、响应度PER为PE响应电压HEMTV(HEMT)(HEMT)R=P/WHEMT探测器真实能量：#4：Spad=200 um,Lg=2 um,Lw=5um,Lds=4 um等效噪声功率idsiVN=4NEP=N/RTGB0.00.40.81.2-4-3-2-100123 G(mS)77 K300 K Ni(pA/Hz1/2)Vg(V)77 K300 K-4-3-2-110-1310-1110-910-7 NEP(W/Hz1/2)Vg(V)experimental 300 K experimental 77 K thermal 300 K thermal 77 K 以器件以器件#4为例进行测量为例

16、进行测量室温下器件的室温下器件的NEP达达58 pW/Hz0.5。低温下器件的低温下器件的NEP达到达到4p W/Hz0.5。偏振特性 天线具有天线具有良好良好的偏振特性。的偏振特性。THz电场平行于天线的长边时：电场平行于天线的长边时：器件的响应最大。器件的响应最大。THz电场垂直于天线的长边时：电场垂直于天线的长边时：器件的响应最小。器件的响应最小。偏振特性：偏振特性：Room temperature GaN/AlGaN self-mixing terahertz detector enhanced by resonant antennas,Applied Physics Letters.98,252103(2011)响应速度 以器件以器件#4为例进行测量为例进行测量室温下铁电探测器的响应速度低室温下铁电探测器的响应速度低 于于500 Hz室温下测辐射热计在室温下测辐射热计在4 KHz的调的调 制频率下，衰减了将近制频率下，衰减了将近10倍。倍。室温下室温下HEMT探测器的响应速度探测器的响应速度 远高于远高于4 KHzBolometerPE detectorHEMT detect