【2022】【论文笔记】太赫兹量子阱——

前言

类型
$太赫兹+量子阱$
期刊
$红外与毫米波学报$
作者
$张真真,符张龙,王长,曹俊诚$
时间
$2022$

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THz发射源与探测器

THz发射源有

• 大功率THz量子级联激光器QCL
• 超宽带光导天线PA
• 单行载流子二极管UTC-PD

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红外波段的探测器
基于碲镉汞CdTe材料的大规模焦平面成像探测器早已实现商用化，双面金属微腔红外量子阱探测器已实现室温工作，新型的GeSn中红外光电探测器有望实现与CMOS兼容

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THz波段的探测器

常温超宽带探测的PA可用于THz时域光谱系统TDS实现对毒品和爆炸物特征谱的检测

基于电子学原理的肖特基二极管SBD探测器与UTC-PD相结合,可以制作准光学模块，是未来6G高速无线通信链路的基础

基于氮化铌材料的超导热电子热辐射计SHEB可以实现对THz波的直接和外差探测

基于石墨烯材料的常温场效应晶体管GFET用于THz外差探测可以实现1GHz以上中频带宽P等等

基于光子学原理的THz量子阱探测器QWP具有体积小、易集成、响应速度快和灵敏度高等优点，是THz大规模焦平面成像的理想器件

THz QWP（量子阱探测器）与大功率THz QCL（级联激光器）相结合,可以实现THz波的快速成像和高速通信

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THz-QWP原理

THz-QWP是基于子带间跃迁原理的单级器件

子带间跃迁：
要求电场在量子阱的生长方向具有非零的偏振分离

因此通常的THz-QWP对于正入射的光没有响应

一般采用衬底45°斜面入射的方式来耦合？

THz-QWP的有源区由几十个上百个周期的量子阱超晶格结构组成，通常是GaN/AlGaAs材料体系

在没有光照的情况下,电子被束缚在量子阱中,器件处于高阻状态

在THz光耦合进入器件的有源区时,量子阱中基态子带中的束缚电子吸收光子能量后被激发到第一激发态和接近势垒边缘的准连续态

这些光生载流子在外加偏压的作用下形成光电流,通过测量光电流信号的变化就可以实现对THz光的探测

THz-QWP耦合方式

THz-QWP有源区厚度在亚波长量级，阱中掺杂浓度较低，光吸收率较小
（相比与红外QWIP量子阱红外探测器）

• 因此高效的耦合方式很重要！！！

多量子阱探测器耦合方式：

• 采用布儒斯特角入射（以前）
• 45°斜面背入射（现在）

另外，亚波长金属微腔和表面等离子耦合，这两种耦合方式也能增加量子阱探测器的有效光吸收面积，提高吸收效率，抑制器件暗电流，提高工作温度

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QWP进展

一个峰值探测频率为5THz的QWP，采用贴片天线微腔阵列耦合结构，使峰值响应率比45°台面结构的QWP提高了5倍

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QWIP进展

一个等离子体透镜增加的单片集成红外量子级联探测器QWIP。红外辐射正入射到（c）(d)的微结构表面，激发等离子体激源，耦合进入探测器的有源区

等离子体透镜耦合器，将器件光学有效面积扩展到，比探测器台面几何面积的5倍

探测器在室温下的光电流响应提高了6倍

提高了吸收效率、室温工作性能

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THz-QWP性能指标

• 暗电流随温度变化的特性
• 光电流响应谱（用傅里叶变换光谱仪测量）
• 背景限工作温度$T_{BLIP}$：暗电流与背景电流相等时的器件工作温度
• 响应率
• 探测灵敏度$D^{\ast }$

与QWIP相比，THz-QWP的量子阱中束缚态到连续态的能量间距非常小，导致暗电流对温度非常敏感，影响探测器常温工作性能

1. 为了抑制暗电流，THz-QWP需要在连续制冷的液氦流下工作
2. 光电流谱是光强度和频率的关系
3. 背景限工作温度$T_{BLIP}$越高，受暗电流影响越小
4. 可以通过测量标准黑体辐射响应率，和光电流响应谱对比，来标定峰值响应率
5. 探测灵敏度$D\ast =\sqrt{台面面积}/噪声等效功率$

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THz-QWP的峰值响应频率由有源区量子阱中第一和第二子带之间的能量差决定

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结论

太赫兹-量子阱红外探测器
THz QWP 优点 ： 体积小、设计方便、工艺简单、响应速度快

应用于：

• 焦平面成像
• 自由空间高速无线通信
• 快速成像
• 高速调制

量子阱中较低的子带间吸收效率是制约THz QWP应用的重要因素

为了提高吸收效率，可以从理论计算、光耦合方式和工艺制备等方面来优化器件,从而进一步提高器件的光电转换效率和工作温度
另外, THz QWP是一种窄带探测器，为适应宽谱探测，可将不同探测频率的QWP有源区进行堆叠，制备出多色的探测器

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问题

关于耦合方式，探测器表面能用超表面吗？

准光学模块指的是小光学模块吗？

量子阱和电磁场有什么关系？

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