eng
Выпуск #1/2021
Н. А. Кульчицкий, А. В. Наумов, В. В. Старцев, М. А. Демьяненко
Детектирование в терагерцевом диапазоне. Часть 1
Детектирование в терагерцевом диапазоне. Часть 1
Просмотры: 2834
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2021.15.1.52.68
В работе обсуждаются проблемы, связанные с развитием технологии детекторов излучения терагерцевого диапазона. Рассмотрены основные физические явления и недавний прогресс в различных методах детектирования терагерцевого излучения (прямого детектирования и гетеродинного детектирования). Обсуждаются преимущества и недостатки сенсоров прямого детектирования и сенсоров с гетеродинным детектированием. В первой части рассмотрен ряд особенностей прямого детектирования и дано описание некоторых типов терагерцевых детекторов прямого обнаружения.
В работе обсуждаются проблемы, связанные с развитием технологии детекторов излучения терагерцевого диапазона. Рассмотрены основные физические явления и недавний прогресс в различных методах детектирования терагерцевого излучения (прямого детектирования и гетеродинного детектирования). Обсуждаются преимущества и недостатки сенсоров прямого детектирования и сенсоров с гетеродинным детектированием. В первой части рассмотрен ряд особенностей прямого детектирования и дано описание некоторых типов терагерцевых детекторов прямого обнаружения.
Теги: direct frequency band heterodyne detection sensitivity terahertz radiation гетеродинное детектирование полоса частот прямое терагерцевое излучение чувствительность
Детектирование в терагерцевом диапазоне
Часть 1
Н. А. Кульчицкий 1, 2, А. В. Наумов 3, В. В. Старцев 3, М. А. Демьяненко 4
ГНЦ РФ, АО «НПО «Орион», Москва, Россия.
МИРЭА – Российский технологический университет, Москва, Россия.
АО «Оптико-механическое конструкторское бюро Астрон», Лыткарино, Московская обл., Россия.
Институт физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН, Новосибирск, Россия.
В работе обсуждаются проблемы, связанные с развитием технологии детекторов излучения терагерцевого диапазона. Рассмотрены основные физические явления и недавний прогресс в различных методах детектирования терагерцевого излучения (прямого детектирования и гетеродинного детектирования). Обсуждаются преимущества и недостатки сенсоров прямого детектирования и сенсоров с гетеродинным детектированием. В первой части рассмотрен ряд особенностей прямого детектирования и дано описание некоторых типов терагерцевых детекторов прямого обнаружения.
Ключевые слова: терагерцевое излучение, прямое, гетеродинное детектирование, полоса частот, чувствительность
Статья получена: 15.12.2020
Принята к публикации: 10.01.2021
Введение
Терагерцевое (ТГц) излучение – это электромагнитное излучение, спектр частот которого расположен между ИК- и миллиметровым диапазонами. Границы между этими видами излучения в разных источниках определяются по-разному. В данной работе для определенности принимается, что ТГц-диапазон находится в пределах 0,1–10 ТГц (30 мкм–3 мм), частично перекрываясь со средним инфракрасным (2,5–50 мкм) и миллиметровым (30–300 ГГц, 1–10 мм) диапазонами, а также включая в себя более узкие субмиллиметровый и субтерагерцевый диапазоны. Приборы, действующие в терагерцевом диапазоне, приобретают все большее значение в разнообразных приложениях (например в охранных, медицинских, для формирования изображений) [1, 2]. ТГц-волны являются эффективными в обнаружении присутствия воды и, таким образом, позволяют эффективно различать различные объекты на человеческих телах (содержание воды в человеческом организме составляет около 60%), поскольку одежды являются прозрачными. Краткое описание истории развития терагерцевых исследований дано, например, в [3].
На настоящий момент рынок терагерцевых применений только вышел из начальной фазы развития. Поэтому прогноз развития рынка терагерцевой техники (рис. 1) достаточно оценочный. Однако с уверенностью можно сказать, что рынок имеет огромные перспективы.
Известно, что приемники излучения можно поделить на класс фотонных (квантовых) фотоприемников, в которых энергия фотона преобразуется в некоторую первичную реакцию электронной системы фотоприемника и класс тепловых, в которых энергия фотонов преобразуется в тепло, а реакция фотоприемника возникает как следствие повышения температуры чувствительного элемента. Критическое различие между детектированием в ТГц-диапазоне и детектированием в инфракрасном диапазоне заключается в малой энергии фотонов ТГц-диапазона, что затрудняет разработку фотонных приемников ТГц-излучения. В настоящее время существует большое разнообразие сенсоров ТГц-излучения как относительно традиционных (например болометры), так и основанных на различных принципах и материалах, которые появились недавно.
Все ТГц-системы обнаружения могут быть также подразделены на две группы: когерентные (гетеродинные) системы обнаружения и некогерентные (прямого детектирования) системы обнаружения [4]. Первые позволяют определять не только амплитуды сигналов, но также их фазы, что важно для увеличения объема информации, получаемой об объекте. Это позволяет также реализовать наивысшие характеристики чувствительности детектора и его спектрального разрешения. Когерентные системы обнаружения сигнала используют принцип гетеродинных схем, так как до сих пор для высоких частот излучения собственных усилителей не существует. Детектируемые сигналы преобразуются в существенно более низкочастотные (ν ≈ 1–30 ГГц), которые затем усиливаются малошумящими усилителями.
В основном эти системы являются селективными (узкополосными) системами обнаружения. Некогерентные системы обнаружения позволяют определять только амплитуды сигналов и, как правило, являются широкополосными системами. Детекторы, используемые в этих двух системах обнаружения, сходны во многих случаях, но некоторые из них, например неохлаждаемые тепловые детекторы, предпочитают не использовать в когерентных системах из-за относительно большого времени отклика (τ ≈ 10–7 с).
С точки зрения использования и областей применения важным является разделение приемников ТГц-излучения на два класса: охлаждаемые и неохлаждаемые. Преимуществом охлаждаемых (глубоко охлаждаемых) детекторов является их предельно высокая чувствительность, которая характеризуется мощностью, эквивалентной шуму, NEP – (Noise-Equivalent Power) ~10–18–10–20 Вт / √ Гц при рабочей температуре T = 100–200 мК [5]. Из-за высокой чувствительности такие сверхпроводящие детекторы предпочтительны в условиях низкого фонового потока фотонов и нашли применение, в частности, в астрономии. Преимущества неохлаждаемых детекторов, помимо дешевизны и удобства использования, заключаются в их пригодности для изготовления крупноформатных матричных приемников. NEP неохлаждаемых матричных микроболометрических приемников ТГц-диапазона форматом 320 × 240 может достигать значений 40 пВт или 2 · 10–13 Вт / √ Гц на частоте 3 ТГц [13].
Следует отметить, что NEP определяется как среднеквадратическое значение входной мощности сигнального излучения WS, требуемой для обеспечения среднеквадратического выходного сигнала (S), который равен среднеквадратическому значению шума (N), измеренному в полосе частот 1 Гц. Однако иногда для определения NEP используют шум в полной полосе частот (Δν), задаваемой конкретной измерительной схемой. В этом случае NEP имеет размерность ватт. Это зачастую приводит к неоднозначности и путанице в литературе. Так, например, в работе [11] представлены разработанные канадской фирмой INO неохлаждаемые ТГц-болометры, характеризующиеся NEP = 24,7 пВт (при частоте излучения 4,25 ТГц), измеренной в полосе частот Δν = 160 кГц. В то время как в обзоре [12] эти же значения NEP приводятся с указанием размерности Вт / √ Гц. Во избежание подобной путаницы мы здесь будем использовать термин пороговая или минимальная разрешимая мощность MDP (Minimum Detectable Power), если шум не приведен к полосе 1 Гц.
Целью настоящей работы является обзор современных терагерцевых приемников как квантовых, так и тепловых, наиболее широко применяемых либо для прямого, либо гетеродинного детектирования.
Детекторы прямого обнаружения
Сенсоры с прямым детектированием подходят для применений, не требующих ультравысокого спектрального разрешения (ν / Δν ≈ 106), которое обеспечивается гетеродинными спектроскопическими системами. В отличие от гетеродинных систем детектирования для них не существует технических проблем формирования многоэлементных матриц, обусловленных необходимостью применения локального осциллятора (источника опорного излучения) большой мощности и детекторов с малым временем отклика (τ ≈ 10–10–10–11 c). Поэтому детекторы, действующие при комнатной температуре с относительно большим временем отклика (τ ≈ 10–2–10–3 c) и умеренной чувствительностью, могут быть использованы в системах прямого детектирования. Среди таких детекторов для формирования ТГц-изображений используются, например, ячейки Голея и пироэлектрические детекторы, болометры и микроболометры, которые используют антенны для связи излучения с малыми поглощающими областями. Значение NEP для неохлаждаемых детекторов обычно составляет от 10–12 до 10–9 Вт / √ Гц (табл. 1) [5].
Также применяются различные виды охлаждаемых полупроводниковых детекторов (например болометры с горячими электронами на основе InSb и болометры на основе примесных Si и Ge) [4, 5] со временем отклика (τ ≈ 10–6–10–8 c) и NEP ≈ 10–13–5 · 10–17 Вт / √ Гц при рабочей температуре T < 4 К. Болометры, охлаждаемые до T ≈ 100–300 мК, обладают наибольшей чувствительностью среди других детекторов прямого действия в суб-мм и мм спектральных диапазонах, достигая NEP, ограниченной флуктуациями космического фонового излучения. Примесные фоторезисторы с прямым детектированием (например на основе Ge : Ga) чувствительны до длины волны около 400 мкм и могут быть объединены в матрицы. Их пороговая мощность может достигать NEP ≈ 5 · 10–17 Вт / √ Гц при λ = 150 мкм и рабочей температуре T = 2 К.
Схематическая диаграмма прямого детектирования показана на рис. 2. На детектор падает как сигнальное излучение с мощностью Ws, так и фоновое излучение с мощностью WB. Фокусирующая оптика (линзы, зеркала и т. д.) используется для сбора излучения с большой площади и фокусировки ее на детектор. Часто оптический фильтр расположен до детектора для удаления фонового излучения в спектральном диапазоне длин волн, отличных от длины волны сигнала. Относительно малый электрический сигнал детектора усиливается и обрабатывается в дальнейшем.
Способность обнаруживать малые сигналы для детекторов с прямым детектированием ограничена непреодолимым шумом фоновых фотонов, который не становится малым даже для космического фона. Характеристики этих детекторов ограничены фоновым шумом по сравнению с гетеродинными детекторами, характеристики которых ограничены квантовым шумом. Как правило, пороговая мощность, регистрируемая детекторами с прямым обнаружением, больше, чем для гетеродинных, что обусловлено вкладом других шумов, присутствующих в самом детекторе, в элементах схемы и усилителях.
Преимуществом систем с прямым детектированием является относительная простота и возможность разработки крупноформатных матриц. Большинство систем формирования изображения использует прямое детектирование.
Типы детекторов
Сложность разработки терагерцевых устройств состоит в том, что при детектировании терагерцевого излучения перестают действовать некоторые принципы работы фотонных и электронных устройств. Терагерцевое излучение характеризуется малой энергией фотона (4 мэВ для излучения частотой 1 ТГц) и поэтому фотонные терагерцевые устройства с квантовыми переходами могут работать только при пониженных температурах.
Предельная частота работы электронных устройств определяется временем пролета электрона в активной области прибора, которая, в свою очередь, зависит от скорости носителей. Для гетероструктур максимальная скорость пролета электронов активной области порядка несколько единиц 107 см / с, в то время как скорость плазменных волн в подзатворном канале транзистора на два порядка выше, что позволило разработать детекторы ТГц-излучения на основе полевых транзисторов.
Ячейка Голея
В классе тепловых приемников особого внимания заслуживает приемник Голея [6], превосходящий в 5–15 раз по предельной обнаружительной способности пироэлектрические и термопарные приемники (тоже работающие без криогенного охлаждения) и относящийся к числу наиболее широкополосных. Приемник Голея представляет собой разновидность волюметрических газовых термометров, в которых измеряется изменение объема газа с изменением температуры, и основан на газовом законе Ж. Шарля. В отечественной литературе одновременно существует несколько названий одного и того же устройства: пневматический приемник излучения, оптико-акустический приёмник, оптико-пневматический измерительный преобразователь излучения. В основе оптико-акустического приемника (синоним пневматического приемника и ячейки Голея) инфракрасного излучения лежит обнаруженный в 1880 году Александром Беллом и исследованный Тиндалем и Рентгеном оптико-акустический эффект. Этот эффект заключается в том, что если газ, способный поглощать инфракрасную радиацию, подвергнуть облучению потоком модулированного инфракрасного излучения, то в результате возникает колебание температуры газа и его давления, а также акустические колебания. Частота колебаний зависит от частоты модуляции потока, а интенсивность колебаний – от способности данного газа поглощать инфракрасную радиацию и от интенсивности радиации.
Современный пневматический приемник состоит из наполненной газом расширительной камеры, один из торцов которой герметически закрыт тонкой мембраной, поверхность которой покрыта слоем вещества, сильно поглощающего принимаемое излучение (рис. 3).
Второй торец закрыт тонкой упругой мембраной, на внешнюю поверхность которой нанесено металлическое зеркальное покрытие. Поступающее в камеру излучение нагревает газ, который, расширяясь, изгибает зеркальную мембрану, вызывая сигнал считывающей оптической системы, например за счет отклонения сфокусированного луча света видимого диапазона. Чувствительность ячейки Голея ограничена только температурным шумом теплообмена между поглощающей пленкой и газом, заполняющим приемник, что позволяет получить очень высокую обнаружительную способность (D* > 3 · 109 см Гц1 / 2 Вт–1) и вольт-ваттную чувствительность (105–106 В / Вт). Чувствительность устройства существенно зависит от частоты модуляции потока входного излучения и имеет явно выраженный максимум. На низких частотах спад чувствительности объясняется тем, что давление в расширительной камере успевает выровняться с давлением в компенсационной камере, а на высоких – газ не успевает нагреваться и охлаждаться.
Диоды с барьерами Шоттки
Структуры, основанные на барьерах Шоттки, являются одними из основных элементов ТГц-технологий. Детекторы с барьерами Шоттки (SBD – Schottky Barrier Diode) ТГц-диапазона используются как для прямого детектирования, так и в качестве нелинейных элементов в гетеродинных смесителях в широком диапазоне температур T = 4–300 К. В отличие от обычных диодов на основе p-n – перехода диоды Шоттки обладают существенно большим быстродействием, благодаря чему возможно их использование при частотах до нескольких терагерц [7]. Диоды Шоттки обладают этим свойством вследствие того, что транспорт заряда в них обусловлен главным образом термоэмиссией электронов через энергетический барьер, возникающий в контакте металл-полупроводник. Как правило, такие приемники конструируются на основе δ-легированных диодов Шоттки с балочными выводами, встроенными в антенны. Исторически первые структуры на барьерах Шоттки имели точечные контакты в виде конических металлических проволок (вискеров).
Например, широко использовались p-Si / W контакты. При комнатной температуре они имели пороговую мощность NEP ≈ 4 · 10–10 Вт / √ Гц. Также использовались точечные контакты из вольфрама или бериллиевой бронзы к n-Ge, n-GaAs, n-InSb. SBD на основе GaAs до сих пор используются как смесители в малошумящих гетеродинных приемниках.
Поперечное сечение SBD с эквивалентной схемой перехода показано на рис. 4. Оно состоит из перехода (площадью менее нескольких мкм2) между платиновым анодом и эпитаксиальным слоем n-GaAs. Наконечник металлического уса обеспечивает электрический контакт к аноду, а также служит в качестве длинной проволочной антенны для связи с внешним излучением. Смешивание волн происходит на нелинейном сопротивлении перехода Rj. Последовательное сопротивление диода Rs и зависящая от напряжения емкость перехода Cj являются паразитными элементами, которые приводят к деградации характеристик.
Однако существуют некоторые ограничения этой технологии диодов Шоттки с контактами в форме усов. Начиная с 1980‑х усилия разработчиков направлены на производство планарных диодов Шоттки. С целью использования планарной технологии в диапазоне от 300 ГГц до нескольких ТГц была разработана технология «без подложек». При таком подходе диоды интегрируются с согласующей цепью, большая часть подложки из GaAs удаляется из кристалла, и схема создается на оставшейся эпитаксиально выращенной GaAs мембране (рис. 5). Эпитаксиальный GaAs является наиболее часто используемым полупроводником для изготовления смесителей на основе планарных диодов Шоттки, хотя другие материалы системы III–V также используются в некоторых приложениях.
SBD–смесители могут действовать в условиях комнатной температуры до частоты ν ≈ 25 ТГц, но реально с относительно низким шумом SBD обычно они применяются в частотном диапазоне <5 ТГц. Приемники на основе смесителей на основе барьеров Шоттки, действующие при комнатной температуре, обычно имеют радиометрическую чувствительность ΔT ≈ 0,05 К при n = 500 ГГц и ΔT ≈ 0,5 К при 2,5 ТГц для времени интегрирования 1 с и полосы предварительного обнаружения 1 ГГц [5]. Паразитные параметры Rs и Cj (рис. 4) определяют критическую частоту диода, которая равна 1 / 2 π Rs Cj. При уменьшении площади перехода уменьшаются емкости переходов, что увеличивает рабочую частоту. Но в то же время это увеличивает последовательное сопротивление.
Существующие приборы имеют диаметр анода около 0,25 мкм и емкости Cj около 0,25 фФ. Для высокочастотного действия слои GaAs легируют до концентрации n ≈ (5–10) · 1017 см–
3. Емкость перехода зависит от напряжения, поскольку размер области обеднения зависит от приложенного смещения.
В диапазоне низких частот (ν ∼< 0,1 ТГц) действие диодов на основе барьеров Шоттки может быть описано теорией смесителя, учитывающей паразитные параметры диода Шоттки (переменную емкость диода, последовательное сопротивление диода). Однако при высоких частотах появляются несколько паразитных механизмов, например скин-эффект (поверхностный эффект), а также необходим учет высокочастотных процессов в полупроводнике материале, таких как рассеяние носителей, время переноса носителя через барьер (оно составляет около 1 пс), а также время диэлектрической релаксации.
При комнатной температуре SBD с прямым детектированием реализуют NEP около ~3 · 10–10–10–8 Вт / √ Гц при n = 891 ГГц [7,8].
Болометры с электромагнитной связью
В случаях, когда высокая чувствительность не требуется (например в системах с активной подсветкой, использующих ТГц-излучатели, такие как квантовые каскадные лазеры и лазеры на свободных электронах) актуальными становятся высокое пространственное разрешение, скорость визуализации изображения и удобство использования приемников.
Для решения этих задач могут быть использованы матричные микроболометрические приемники большого формата, чувствительные к ТГц-диапазону. Высокая чувствительность неохлаждаемых микроболометрических приемников к терагерцевому излучению обеспечивается двумя способами. Первый состоит в применении антенн, связанных с микроболометром резистивным и / или емкостным способом (рис 6). Второй состоит в применении тонких металлических поглотителей, наносимых на термоизолированную мембрану болометра (рис. 7). Первый преимущественно развивается фирмой LETI (Франция) [1, 19], а второй – фирмой NEC (Япония) [2, 17]. В обоих случаях могут применяться дополнительные оптические резонаторы. В длинноволновой части ТГц-диапазона предпочтительнее применение антенны, поскольку она позволяет подвести электромагнитную мощность к чувствительному элементу, размер которого может быть намного порядков меньше длины волны.
В настоящее время в обоих вариантах исполнения на длинах волн ≈100 мкм достигнута пороговая мощность MDP ≈ 30–40 пВт / пиксел на длинах волн 100–200 мкм (NEP < 4 · 10–13 Вт / √ Гц, т. к. характерная измерительная полоса частот матричных приемников формата 320 × 240 обычно составляет более 10 кГц). Быстродействие приемников составляет около 10–15 мс, так что кадровая частота не превышает 60–100 Гц. Здесь следует отметить, что приводимые значения NEP (>10–10 Вт / √ Гц) для неохлаждаемых матричных микроболометров ТГц-диапазона в ряде обзоров [1, 2, 18, 19] являются устаревшими, поскольку еще в 2008 году в работе [17] японской фирмой NEC были представлены неохлаждаемые матричные микроболометрические приемники ТГц-диапазона, обладающие MDP ≈ 40 пВт / пиксел. Для многих приложений длины волн принимаемого излучения должны достигать порядка 1 000 мкм, поскольку в этой области спектра прозрачность многих материалов заметно больше, чем на длинах волн 100–200 мкм. Однако на длинах волн порядка 1 000 мкм пороговая мощность вышеуказанных микроболометров повышается до 1 000 пВт / пиксел и более [14, 15] вследствие нарушения согласованности импеданса резонатора (оптической полости) и вакуума.
В России неохлаждаемые микроболометрические приемники ТГц-излучения с тонким металлическим поглотителем форматом 160 × 120 и 320 × 240, обладающие на длине волны 130 мкм пороговой мощностью ≈3 нВт / пиксел, были разработаны и продемонстрированы в ИФП СО РАН. Повышенное экспериментальное значение пороговой мощности обусловлено применением германиевых окон, обладающих высоким поглощением ТГц-излучения и вдвое пониженным напряжением смещения болометра, применяемым для обеспечения большого динамического диапазона, необходимого при работе приемника с мощным ТГц-излучением Новосибирского лазера на свободных электронах [16]. Замена германиевого окна на кремниевое и применение повышенного напряжения смещения болометра позволяет понизить пороговую мощность, MDP, до ≈250 пВт / пиксел. Дальнейшее понижение MDP требует увеличения толщины оптического резонатора (высоты подвески болометра над мультиплексором) и понижения теплопроводности микроболометров. Также были разработаны и продемонстрированы микроболометрические приемники ТГц-излучения антенного типа форматом 53 × 40 и 32 × 24 с размерами антенн 150 × 150 и 250 × 250 мкм соответственно, предназначенные для работы в субмиллиметровом диапазоне.
Экспериментальное значение MDP, измеренное на длине волны 130 мкм, составило ≈30 нВт / пиксел. В отличие от сверхпроводящих и металлических болометров неохлаждаемые болометры на основе оксидов ванадия имеют сопротивление порядка 100 кОм, что представляет определенную трудность для согласования антенны с нагрузкой.
В конструкции ИФП СО РАН нагрузкой для антенны является не сам термочувствительный элемент микроболометра, а узкая металлическая полоска, нанесенная на верхний слой нитрида кремния между контактами к слою оксида ванадия и, следовательно, имеющая хороший тепловой контакт с микроболометром, но электрически изолированная от термочувствительного слоя. Длина полоски 70 мкм, ширина 2 мкм и толщина 200 нм, сопротивление – порядка 100 Ом. Антенна выполнена из хорошо проводящего металла и подвешена над кремниевой схемой считывания на высоте 2,5 мкм с помощью растяжек из нитрида кремния. Эти разработки ИФП СО РАН позволили АО «ОКБ «Астрон» впервые в России изготовить несколько опытных полупромышленных партий, чувствительных в терагерцевой области микроболометрических матриц с шагом пиксела 25 мкм.
Технология изготовления антенн и поглотителей, являясь по сути планарной технологией с использованием фотолитографии, позволяет на одной структуре сформировать фрагменты поглотителей с различной спектральной и поляризационной чувствительностью. Рабочий спектральный диапазон поглотителей ограничивается только технологиями их изготовления, которые на данный момент охватывают интервал длин волн от 1,6 до 10 000 мкм [15].
Пироэлектрические детекторы
Активным элементом в этих устройствах является пироэлектрический материал, в котором при изменении температуры наводится электрическое поле. Таким образом, пироэлектрический детектор в отличие от болометра не требует для работы источника постоянного напряжения и при этом дает непосредственный отклик на падающее излучение в виде напряжения на своих выводах. Характеристики пироэлектрических детекторов, которые также используются в матрицах терагерцевых камер, существенно уступают микроболометрам по чувствительности и близки в части времени релаксации [1].
Детекторы на основе полевых транзисторов
Еще одним широко используемым классом детекторов терагерцевого излучения являются детекторы на основе полевых транзисторов (FET – Field Effect Transistor) с высокой подвижностью электронов. Исток и сток такого транзистора связывает плоский канал, заполненный двумерным электронным газом, в котором могут распространяться плазменные волны терагерцевой частоты (рис. 8). Нелинейные свойства плазменных возбуждений (волн электронной плотности) в наноразмерных полевых транзисторах делают возможным их отклик при частотах, значительно более высоких, чем граничная частота прибора, что обусловлено баллистическим транспортом электронов. Результаты, получаемые на полевых транзисторах, использованных как терагерцевые детекторы, показывают, что FET может быть использован для резонансного и нерезонасного (широкополосного) детектирования (см., например, [2]). Резонансная частота перестраивается путем изменения напряжения на затворе, что может быть использовано для создания селективных перестраиваемых твердотельных детекторов.
Эти приемники могут действовать в широком диапазоне температур вплоть до комнатной температуры. FET-детектирование наблюдалось в HEMT-транзисторах на основе GaAs / AlGaAs, InGaP / InGaAs / GaAs, GaN / AlGaN и в кремниевых MOSFET [1, 2, 4, 5]. Осцилляции плазмы также могут наблюдаться в двумерном электронном канале с обратно смещенным переходом Шоттки и FET с двойной квантовой ямой с периодическим решеточным затвором. Физический механизм, поддерживающий создание стабильных осцилляций, лежит в отражении плазменных волн на границах транзистора с последующим усилением амплитуды волн. Плазменные возбуждения в FET на материале с достаточно высокой подвижностью электронов могут быть использованы как для генерации, так и для детектирования ТГц-излучения.
Отечественная фирма «МВЭЙВ» (с международным представительством в лице TeraSense Group Inc.) [20] в настоящее время выпускает несколько модификаций GaAs / AlGaAs плазмонных детекторов. Основной особенностью технологии является возможность создания широкоформатных камер вплоть до 128 × 128 пикселов с общим размером сенсора 40 × 40 см. Типичные матричные приемники, предназначенные для детектирования излучения частотой 100 ГГц и 300 ГГц, состоят из пикселов размером 1,5 × 1,5 мм и 0,5 × 0,5 мм.
При изучении кремниевых MOSFET с длинами затвора 20–300 нм при комнатной температуре и частоте излучения 0,7 ТГц найдено, что отклик зависит от длины затвора и напряжения на затворе. Было реализовано значение вольт-ваттной чувствительности 200 В / Вт и NEP > 10–10 Вт / √ Гц, что демонстрирует потенциал Si MOSFET как чувствительных детекторов терагерцевого излучения. Также создана матрица фокальной плоскости размером 3 × 5 на основе Si MOSFET, изготовленная при помощи 0,25 мкм КМОП технологии. Каждый пиксел матрицы состоит из антенны на 645 ГГц, связанной с FET детектором, и усилителя напряжения на 43 дБ с полосой частот 1,6 МГц. Было достигнуто значение NEP 3 · 10–10 Вт / √ Гц, что прокладывает путь реализации широкополосных ТГц-детекторов и матриц фокальной плоскости с высокой кадровой скоростью формирования изображения на основе КМОП-технологии. Характеристики этих быстрых детекторов при комнатной температуре соответствуют другим неохлаждаемым детекторам в ТГц- частотном диапазоне.
Заключение
Настоящий прогресс в технологии ТГц-детекторов обеспечивается решением технологических проблем, применением новых физических концепций и явлений, а также многообещающими приложениями. Характеристики нескольких типов дискретных детекторов и малоформатных матриц, действующих при низких температурах или температурах субкельвин диапазона и охватывающих весь ТГц-диапазон, близки к предельным характеристикам. Однако будущее улучшение технических характеристик систем регистрации ТГц-излучения и рост их рынка будет обеспечиваться применением крупноформатных матриц и в первую очередь неохлаждаемых или слабо охлаждаемых. Подобно тому, как это происходило в инфракрасном диапазоне.
Неохлаждаемые и охлаждаемые гетеродинные SBD детекторы могут обеспечивать относительно высокую чувствительность и подходят для многих применений в ТГц- спектральном диапазоне, но их сложно объединить в матрицы с большим числом пикселов вследствие отсутствия мощных компактных твердотельных локальных осцилляторов. Сегодня доступны системы как с однопикселными когерентными SBD детекторами, так и с небольшим числом пикселов, но важной проблемой остается их эффективное применение при ν > 1 ТГц.
В большинстве терагерцевых спектрометров со средним разрешением часто используются неохлаждаемые детекторы, действующие в широкой полосе частот. Преимущества неохлаждаемых детекторов заключаются в относительной простоте схемы, а также в их способности действовать при комнатной температуре в широкой полосе частот. Их NEP находится в диапазоне 10–9–10–11 Вт / √ Гц.
Неохлаждаемые детекторы на основе микроболометров, сопряженных с тонким металлическим поглотителем или антенной, перспективны для создания крупноформатных матриц, используемых в системах низкой стоимости. Такие разработанные или разрабатываемые неохлаждаемые ТГц-приемники прямого детектирования с NEP ≈ 10–12 Вт / √ Гц могут быть использованы во многих спектроскопических применениях низкого разрешения и системах активного наблюдения.
Исследования, направленные на создание новых терагерцевых детекторов, например, на основе низкоразмерных структур из HgCdTe, на основе квантовых колец и квантовых точек Ge / Si, графена и др. будут представлены в продолжении обзора.
REFERENCES
Rogalsky A. Infrared and Terahertz Detectors (Third Edition). – CRC Press of Taylor & Francis Group. 2019. 1043 р.
Sizov F., Rogalsky A. Terahertz detectors and focal plane arrays». Opto-Electronics Review. 2011; 19 (3): 346–404.
Startsev V. V., Popov V. K., Naumov A. V. IR and THz-ranges multispectral screening system. Fotonika (Photonics Russia). 2017; 6: 98–112. doi: 10.22184/1993-7296.2017.66.6.98.112.
Старцев В. В., Попов В. К., Наумов А. В. Мультиспектральный модуль обнаружения и анализа угроз для охраны протяженных объектов на базе ИК- и видеосистем. Фотоника. 2017; 6: 98–112. doi: 10.22184/1993-7296.2017.66.6.98.112.
Vojcekhovskij A. V., Nesmelov S. N., Kul’chickij N. A., Mel’nikov A. A., Mal’cev P. P. Detektirovanie v teragercovom diapazone. Nano- i mikrosistemnaya tekhnika. 2012; 2: 28–35. [In Russ].
Войцеховский А. В., Несмелов С. Н., Кульчицкий Н. А., Мельников А. А., Мальцев П. П. Детектирование в терагерцовом диапазоне. Нано- и микросистемная техника. 2012; 2:28–35.
Vojcekhovskij A. V., Nesmelov S. N., Kul’chickij N. A., Mel’nikov A. A., Mal’cev P. P. Tipy detektorov teragercovogo izlucheniya. Nano- i mikrosistemnaya tekhnika. 2012; (3): 25–34. [In Russ].
Войцеховский А. В., Несмелов С. Н., Кульчицкий Н. А., Мельников А. А., Мальцев П. П. Типы детекторов терагерцового излучения. Нано- и микросистемная техника. 2012; (3): 25–34.
Gibin I. S., Kotlyar P. E. Priemniki izlucheniya teragercovogo diapazona (obzor). Uspekhi prikladnoj fiziki. 2018; 6 (2): 117–129. [In Russ].
Гибин И. С., Котляр П. Е. Приемники излучения терагерцового диапазона (обзор). Успехи прикладной физики. 2018; 6 (2): 117–129.
Vaks V. L., Domracheva E. G., Lastovkin A. A., Pripolzin S. I., Sobakinskaya E. A., CHernyaeva M.B., Anfert’ev V. A. Priemniki izlucheniya teragercovogo chastotnogo diapazona. Vestnik Nizhegorodskogo universiteta im. N. I. Lobachevskogo. 2013; 6 (1): 81–87. [In Russ].
Вакс В. Л., Домрачева Е. Г., Ластовкин А. А., Приползин С. И., Собакинская Е. А., Черняева М. Б., Анфертьев В. А. Приемники излучения терагерцового частотного диапазона. Вестник Нижегородского университета им. Н. И. Лобачевского. 2013; 6 (1): 81–87.
Esman A. K., Kuleshov V. K., Zykov G. L. Selektivnyj priemnik teragercovogo izlucheniya. Problemy fiziki, matematiki i tekhniki. 2014; 4 (21): 10–13. [In Russ].
Есман А. К., Кулешов В. К., Зыков Г. Л. Селективный приемник терагерцового излучения. Проблемы физики, математики и техники. 2014; 4 (21): 10–13.
Yachmenev A. E., Lavrukhin D. V., Glinskiy I. A., Zenchenko N. V., Goncharov Y. G., Spektor I. E., Khabibullin R. A., Otsuji T., Ponomarev D. S. Metallic and dielectric metasurfaces in photoconductive terahertz devices: a review. Opt. Eng. 2019; 59 (6): 061608. doi: 10.1117/1.OE.59.6.061608.
Torhov N. A., Babak L. I., Kokolov A. A. Primenenie diodov SHottki v teragercovom chastotnom diapazone. Fizika i tekhnika poluprovodnikov. 2019; 53 (12): 1697–1707. [In Russ].
Торхов Н. А., Бабак Л. И., Коколов А. А. Применение диодов Шоттки в терагерцовом частотном диапазоне». Физика и техника полупроводников. 2019; 53 (12): 1697–1707.
Chevalier C., Mercier L., Duchesne F., Gagnon L., Tremblay B., Terroux M., Généreux F., Paultre J.-E., Provençal F., Desroches Y., Marchese L., Jerominek H., Alain C., Bergeron A. Introducing a 384×288 Pixel Terahertz Camera Core. Proc. of SPIE. 2013; 8624: 86240.
Lewis R. A. A review of terahertz detectors. Phys. D: Appl. Phys. 52, 433001, 2019.
Fukasawa R. Terahertz Imaging: Widespread Industrial Application in Non-destructive Inspection and Chemical Analysis. IEEE Trans. Terahertz Science and Technology. 2015; 5 (6): 1121–1127.
Bolduc M., Terroux M., Tremblay B., Marchese L., Savard E., Doucet M., Oulachgar H., Alain C., Jerominek H., Bergeron A. Noise-equivalent power characterization of an uncooled microbolometer-based THz imaging camera. Proc. SPIE. 2011; 8023: 80230C.
Bolduc M., Terroux M., Marchese L., Tremblay B., Savard É., Doucet M., Oulachgar H., Alain C., Jerominek H., Bergeron A. THz imaging and radiometric measurements using a microbolometer-based camera. Proc. IEEE. 2011; 6105155: 1–2.
Kulipanov G. N., Gavrilov N. G., Knyazev B. A. et al. Research Highlights from the Novosibirsk 400 W average power THz FEL. Terahertz Science and Technology. 2008; 1 (2): 107–125.
Oda N., Yoneyama H., Sasaki T., Sano M., Kurashina S., Hosako I., Sekine N., Sudoh T., Irie T. Detection of terahertz radiation from quantum cascade laser, using vanadium oxide microbolometer focal plane arrays. Proc. of SPIE. 2008; 6940: 69402Y.
Sizov F. F., Reva V. P., Golenkov A. G., Zabudsky V. V. Uncooled Detectors Challenges for THz / sub-THz Arrays Imaging. Journal of Infrared Milli Terahz Waves. 2011; 32: 1192–1206.
Simoens F., Meilhan J., Delplanque B., Gidon S., Lasfargues G., Lalanne Dera J., Nguyen D. T., Ouvrier-Buffet J. L., Pocas S., Maillou T., Cathabard O., Barbieri S. Real-time imaging with THz fully-customized uncooled amorphoussilicon microbolometer focal plane arrays. Proc. SPIE. 2012; 8363: 83630D.
Shchepetilnikov A. V., Gusikhin P. A., Muravev V. M., Tsydynzhapov G. E., Nefyodov Yu. A., Dremin A. A., Kukushkin I. V. New Ultra-Fast Sub-Terahertz Linear Scanner for Postal Security Screening». International Journal of Infrared and MillimeterWaves. https://doi.org/10.1007/s10762-020-00692-4.
АВТОРЫ
Н. А. Кульчицкий, д.т.н., проф., e-mail n.kulchitsky@gmail.com, зам. начальника управления,Государственный научный центр РФ, Акционерное общество «Научно производственное объединение «Орион»; МИРЭА- Российский технологический университет (РТУ МИРЭА), Москва, Россия.
ORCID: 0000-0003-4664-4891
А. В. Наумов, руководитель направления,АО «Оптико-механическое конструкторское бюро Астрон», https://astrohn.ru, Лыткарино, Моск. обл., Россия.
ORCID: 0000-0001-6081-8304
В. В. Старцев, главный конструктор, к. т. н. АО «Оптико-механическое конструкторское бюро Астрон», https://astrohn.ru, Лыткарино, Моск. обл., Россия.
ORCID:0000-0002-2800-544X
М. А. Демьяненко, снс, к. ф.‑ м. н., Институт физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН, Новосибирск, Россия.
ORCID: 0000-0002-8840-9446
ВКЛАД ЧЛЕНОВ АВТОРСКОГО КОЛЛЕКТИВА
Статья подготовлена на основе многолетней работы всех членов авторского коллектива.
КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ
Авторы заявляют, что у них нет конфликта интересов. Все авторы приняли участие в написании статьи и дополнили рукопись в части своей работы.
Часть 1
Н. А. Кульчицкий 1, 2, А. В. Наумов 3, В. В. Старцев 3, М. А. Демьяненко 4
ГНЦ РФ, АО «НПО «Орион», Москва, Россия.
МИРЭА – Российский технологический университет, Москва, Россия.
АО «Оптико-механическое конструкторское бюро Астрон», Лыткарино, Московская обл., Россия.
Институт физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН, Новосибирск, Россия.
В работе обсуждаются проблемы, связанные с развитием технологии детекторов излучения терагерцевого диапазона. Рассмотрены основные физические явления и недавний прогресс в различных методах детектирования терагерцевого излучения (прямого детектирования и гетеродинного детектирования). Обсуждаются преимущества и недостатки сенсоров прямого детектирования и сенсоров с гетеродинным детектированием. В первой части рассмотрен ряд особенностей прямого детектирования и дано описание некоторых типов терагерцевых детекторов прямого обнаружения.
Ключевые слова: терагерцевое излучение, прямое, гетеродинное детектирование, полоса частот, чувствительность
Статья получена: 15.12.2020
Принята к публикации: 10.01.2021
Введение
Терагерцевое (ТГц) излучение – это электромагнитное излучение, спектр частот которого расположен между ИК- и миллиметровым диапазонами. Границы между этими видами излучения в разных источниках определяются по-разному. В данной работе для определенности принимается, что ТГц-диапазон находится в пределах 0,1–10 ТГц (30 мкм–3 мм), частично перекрываясь со средним инфракрасным (2,5–50 мкм) и миллиметровым (30–300 ГГц, 1–10 мм) диапазонами, а также включая в себя более узкие субмиллиметровый и субтерагерцевый диапазоны. Приборы, действующие в терагерцевом диапазоне, приобретают все большее значение в разнообразных приложениях (например в охранных, медицинских, для формирования изображений) [1, 2]. ТГц-волны являются эффективными в обнаружении присутствия воды и, таким образом, позволяют эффективно различать различные объекты на человеческих телах (содержание воды в человеческом организме составляет около 60%), поскольку одежды являются прозрачными. Краткое описание истории развития терагерцевых исследований дано, например, в [3].
На настоящий момент рынок терагерцевых применений только вышел из начальной фазы развития. Поэтому прогноз развития рынка терагерцевой техники (рис. 1) достаточно оценочный. Однако с уверенностью можно сказать, что рынок имеет огромные перспективы.
Известно, что приемники излучения можно поделить на класс фотонных (квантовых) фотоприемников, в которых энергия фотона преобразуется в некоторую первичную реакцию электронной системы фотоприемника и класс тепловых, в которых энергия фотонов преобразуется в тепло, а реакция фотоприемника возникает как следствие повышения температуры чувствительного элемента. Критическое различие между детектированием в ТГц-диапазоне и детектированием в инфракрасном диапазоне заключается в малой энергии фотонов ТГц-диапазона, что затрудняет разработку фотонных приемников ТГц-излучения. В настоящее время существует большое разнообразие сенсоров ТГц-излучения как относительно традиционных (например болометры), так и основанных на различных принципах и материалах, которые появились недавно.
Все ТГц-системы обнаружения могут быть также подразделены на две группы: когерентные (гетеродинные) системы обнаружения и некогерентные (прямого детектирования) системы обнаружения [4]. Первые позволяют определять не только амплитуды сигналов, но также их фазы, что важно для увеличения объема информации, получаемой об объекте. Это позволяет также реализовать наивысшие характеристики чувствительности детектора и его спектрального разрешения. Когерентные системы обнаружения сигнала используют принцип гетеродинных схем, так как до сих пор для высоких частот излучения собственных усилителей не существует. Детектируемые сигналы преобразуются в существенно более низкочастотные (ν ≈ 1–30 ГГц), которые затем усиливаются малошумящими усилителями.
В основном эти системы являются селективными (узкополосными) системами обнаружения. Некогерентные системы обнаружения позволяют определять только амплитуды сигналов и, как правило, являются широкополосными системами. Детекторы, используемые в этих двух системах обнаружения, сходны во многих случаях, но некоторые из них, например неохлаждаемые тепловые детекторы, предпочитают не использовать в когерентных системах из-за относительно большого времени отклика (τ ≈ 10–7 с).
С точки зрения использования и областей применения важным является разделение приемников ТГц-излучения на два класса: охлаждаемые и неохлаждаемые. Преимуществом охлаждаемых (глубоко охлаждаемых) детекторов является их предельно высокая чувствительность, которая характеризуется мощностью, эквивалентной шуму, NEP – (Noise-Equivalent Power) ~10–18–10–20 Вт / √ Гц при рабочей температуре T = 100–200 мК [5]. Из-за высокой чувствительности такие сверхпроводящие детекторы предпочтительны в условиях низкого фонового потока фотонов и нашли применение, в частности, в астрономии. Преимущества неохлаждаемых детекторов, помимо дешевизны и удобства использования, заключаются в их пригодности для изготовления крупноформатных матричных приемников. NEP неохлаждаемых матричных микроболометрических приемников ТГц-диапазона форматом 320 × 240 может достигать значений 40 пВт или 2 · 10–13 Вт / √ Гц на частоте 3 ТГц [13].
Следует отметить, что NEP определяется как среднеквадратическое значение входной мощности сигнального излучения WS, требуемой для обеспечения среднеквадратического выходного сигнала (S), который равен среднеквадратическому значению шума (N), измеренному в полосе частот 1 Гц. Однако иногда для определения NEP используют шум в полной полосе частот (Δν), задаваемой конкретной измерительной схемой. В этом случае NEP имеет размерность ватт. Это зачастую приводит к неоднозначности и путанице в литературе. Так, например, в работе [11] представлены разработанные канадской фирмой INO неохлаждаемые ТГц-болометры, характеризующиеся NEP = 24,7 пВт (при частоте излучения 4,25 ТГц), измеренной в полосе частот Δν = 160 кГц. В то время как в обзоре [12] эти же значения NEP приводятся с указанием размерности Вт / √ Гц. Во избежание подобной путаницы мы здесь будем использовать термин пороговая или минимальная разрешимая мощность MDP (Minimum Detectable Power), если шум не приведен к полосе 1 Гц.
Целью настоящей работы является обзор современных терагерцевых приемников как квантовых, так и тепловых, наиболее широко применяемых либо для прямого, либо гетеродинного детектирования.
Детекторы прямого обнаружения
Сенсоры с прямым детектированием подходят для применений, не требующих ультравысокого спектрального разрешения (ν / Δν ≈ 106), которое обеспечивается гетеродинными спектроскопическими системами. В отличие от гетеродинных систем детектирования для них не существует технических проблем формирования многоэлементных матриц, обусловленных необходимостью применения локального осциллятора (источника опорного излучения) большой мощности и детекторов с малым временем отклика (τ ≈ 10–10–10–11 c). Поэтому детекторы, действующие при комнатной температуре с относительно большим временем отклика (τ ≈ 10–2–10–3 c) и умеренной чувствительностью, могут быть использованы в системах прямого детектирования. Среди таких детекторов для формирования ТГц-изображений используются, например, ячейки Голея и пироэлектрические детекторы, болометры и микроболометры, которые используют антенны для связи излучения с малыми поглощающими областями. Значение NEP для неохлаждаемых детекторов обычно составляет от 10–12 до 10–9 Вт / √ Гц (табл. 1) [5].
Также применяются различные виды охлаждаемых полупроводниковых детекторов (например болометры с горячими электронами на основе InSb и болометры на основе примесных Si и Ge) [4, 5] со временем отклика (τ ≈ 10–6–10–8 c) и NEP ≈ 10–13–5 · 10–17 Вт / √ Гц при рабочей температуре T < 4 К. Болометры, охлаждаемые до T ≈ 100–300 мК, обладают наибольшей чувствительностью среди других детекторов прямого действия в суб-мм и мм спектральных диапазонах, достигая NEP, ограниченной флуктуациями космического фонового излучения. Примесные фоторезисторы с прямым детектированием (например на основе Ge : Ga) чувствительны до длины волны около 400 мкм и могут быть объединены в матрицы. Их пороговая мощность может достигать NEP ≈ 5 · 10–17 Вт / √ Гц при λ = 150 мкм и рабочей температуре T = 2 К.
Схематическая диаграмма прямого детектирования показана на рис. 2. На детектор падает как сигнальное излучение с мощностью Ws, так и фоновое излучение с мощностью WB. Фокусирующая оптика (линзы, зеркала и т. д.) используется для сбора излучения с большой площади и фокусировки ее на детектор. Часто оптический фильтр расположен до детектора для удаления фонового излучения в спектральном диапазоне длин волн, отличных от длины волны сигнала. Относительно малый электрический сигнал детектора усиливается и обрабатывается в дальнейшем.
Способность обнаруживать малые сигналы для детекторов с прямым детектированием ограничена непреодолимым шумом фоновых фотонов, который не становится малым даже для космического фона. Характеристики этих детекторов ограничены фоновым шумом по сравнению с гетеродинными детекторами, характеристики которых ограничены квантовым шумом. Как правило, пороговая мощность, регистрируемая детекторами с прямым обнаружением, больше, чем для гетеродинных, что обусловлено вкладом других шумов, присутствующих в самом детекторе, в элементах схемы и усилителях.
Преимуществом систем с прямым детектированием является относительная простота и возможность разработки крупноформатных матриц. Большинство систем формирования изображения использует прямое детектирование.
Типы детекторов
Сложность разработки терагерцевых устройств состоит в том, что при детектировании терагерцевого излучения перестают действовать некоторые принципы работы фотонных и электронных устройств. Терагерцевое излучение характеризуется малой энергией фотона (4 мэВ для излучения частотой 1 ТГц) и поэтому фотонные терагерцевые устройства с квантовыми переходами могут работать только при пониженных температурах.
Предельная частота работы электронных устройств определяется временем пролета электрона в активной области прибора, которая, в свою очередь, зависит от скорости носителей. Для гетероструктур максимальная скорость пролета электронов активной области порядка несколько единиц 107 см / с, в то время как скорость плазменных волн в подзатворном канале транзистора на два порядка выше, что позволило разработать детекторы ТГц-излучения на основе полевых транзисторов.
Ячейка Голея
В классе тепловых приемников особого внимания заслуживает приемник Голея [6], превосходящий в 5–15 раз по предельной обнаружительной способности пироэлектрические и термопарные приемники (тоже работающие без криогенного охлаждения) и относящийся к числу наиболее широкополосных. Приемник Голея представляет собой разновидность волюметрических газовых термометров, в которых измеряется изменение объема газа с изменением температуры, и основан на газовом законе Ж. Шарля. В отечественной литературе одновременно существует несколько названий одного и того же устройства: пневматический приемник излучения, оптико-акустический приёмник, оптико-пневматический измерительный преобразователь излучения. В основе оптико-акустического приемника (синоним пневматического приемника и ячейки Голея) инфракрасного излучения лежит обнаруженный в 1880 году Александром Беллом и исследованный Тиндалем и Рентгеном оптико-акустический эффект. Этот эффект заключается в том, что если газ, способный поглощать инфракрасную радиацию, подвергнуть облучению потоком модулированного инфракрасного излучения, то в результате возникает колебание температуры газа и его давления, а также акустические колебания. Частота колебаний зависит от частоты модуляции потока, а интенсивность колебаний – от способности данного газа поглощать инфракрасную радиацию и от интенсивности радиации.
Современный пневматический приемник состоит из наполненной газом расширительной камеры, один из торцов которой герметически закрыт тонкой мембраной, поверхность которой покрыта слоем вещества, сильно поглощающего принимаемое излучение (рис. 3).
Второй торец закрыт тонкой упругой мембраной, на внешнюю поверхность которой нанесено металлическое зеркальное покрытие. Поступающее в камеру излучение нагревает газ, который, расширяясь, изгибает зеркальную мембрану, вызывая сигнал считывающей оптической системы, например за счет отклонения сфокусированного луча света видимого диапазона. Чувствительность ячейки Голея ограничена только температурным шумом теплообмена между поглощающей пленкой и газом, заполняющим приемник, что позволяет получить очень высокую обнаружительную способность (D* > 3 · 109 см Гц1 / 2 Вт–1) и вольт-ваттную чувствительность (105–106 В / Вт). Чувствительность устройства существенно зависит от частоты модуляции потока входного излучения и имеет явно выраженный максимум. На низких частотах спад чувствительности объясняется тем, что давление в расширительной камере успевает выровняться с давлением в компенсационной камере, а на высоких – газ не успевает нагреваться и охлаждаться.
Диоды с барьерами Шоттки
Структуры, основанные на барьерах Шоттки, являются одними из основных элементов ТГц-технологий. Детекторы с барьерами Шоттки (SBD – Schottky Barrier Diode) ТГц-диапазона используются как для прямого детектирования, так и в качестве нелинейных элементов в гетеродинных смесителях в широком диапазоне температур T = 4–300 К. В отличие от обычных диодов на основе p-n – перехода диоды Шоттки обладают существенно большим быстродействием, благодаря чему возможно их использование при частотах до нескольких терагерц [7]. Диоды Шоттки обладают этим свойством вследствие того, что транспорт заряда в них обусловлен главным образом термоэмиссией электронов через энергетический барьер, возникающий в контакте металл-полупроводник. Как правило, такие приемники конструируются на основе δ-легированных диодов Шоттки с балочными выводами, встроенными в антенны. Исторически первые структуры на барьерах Шоттки имели точечные контакты в виде конических металлических проволок (вискеров).
Например, широко использовались p-Si / W контакты. При комнатной температуре они имели пороговую мощность NEP ≈ 4 · 10–10 Вт / √ Гц. Также использовались точечные контакты из вольфрама или бериллиевой бронзы к n-Ge, n-GaAs, n-InSb. SBD на основе GaAs до сих пор используются как смесители в малошумящих гетеродинных приемниках.
Поперечное сечение SBD с эквивалентной схемой перехода показано на рис. 4. Оно состоит из перехода (площадью менее нескольких мкм2) между платиновым анодом и эпитаксиальным слоем n-GaAs. Наконечник металлического уса обеспечивает электрический контакт к аноду, а также служит в качестве длинной проволочной антенны для связи с внешним излучением. Смешивание волн происходит на нелинейном сопротивлении перехода Rj. Последовательное сопротивление диода Rs и зависящая от напряжения емкость перехода Cj являются паразитными элементами, которые приводят к деградации характеристик.
Однако существуют некоторые ограничения этой технологии диодов Шоттки с контактами в форме усов. Начиная с 1980‑х усилия разработчиков направлены на производство планарных диодов Шоттки. С целью использования планарной технологии в диапазоне от 300 ГГц до нескольких ТГц была разработана технология «без подложек». При таком подходе диоды интегрируются с согласующей цепью, большая часть подложки из GaAs удаляется из кристалла, и схема создается на оставшейся эпитаксиально выращенной GaAs мембране (рис. 5). Эпитаксиальный GaAs является наиболее часто используемым полупроводником для изготовления смесителей на основе планарных диодов Шоттки, хотя другие материалы системы III–V также используются в некоторых приложениях.
SBD–смесители могут действовать в условиях комнатной температуры до частоты ν ≈ 25 ТГц, но реально с относительно низким шумом SBD обычно они применяются в частотном диапазоне <5 ТГц. Приемники на основе смесителей на основе барьеров Шоттки, действующие при комнатной температуре, обычно имеют радиометрическую чувствительность ΔT ≈ 0,05 К при n = 500 ГГц и ΔT ≈ 0,5 К при 2,5 ТГц для времени интегрирования 1 с и полосы предварительного обнаружения 1 ГГц [5]. Паразитные параметры Rs и Cj (рис. 4) определяют критическую частоту диода, которая равна 1 / 2 π Rs Cj. При уменьшении площади перехода уменьшаются емкости переходов, что увеличивает рабочую частоту. Но в то же время это увеличивает последовательное сопротивление.
Существующие приборы имеют диаметр анода около 0,25 мкм и емкости Cj около 0,25 фФ. Для высокочастотного действия слои GaAs легируют до концентрации n ≈ (5–10) · 1017 см–
3. Емкость перехода зависит от напряжения, поскольку размер области обеднения зависит от приложенного смещения.
В диапазоне низких частот (ν ∼< 0,1 ТГц) действие диодов на основе барьеров Шоттки может быть описано теорией смесителя, учитывающей паразитные параметры диода Шоттки (переменную емкость диода, последовательное сопротивление диода). Однако при высоких частотах появляются несколько паразитных механизмов, например скин-эффект (поверхностный эффект), а также необходим учет высокочастотных процессов в полупроводнике материале, таких как рассеяние носителей, время переноса носителя через барьер (оно составляет около 1 пс), а также время диэлектрической релаксации.
При комнатной температуре SBD с прямым детектированием реализуют NEP около ~3 · 10–10–10–8 Вт / √ Гц при n = 891 ГГц [7,8].
Болометры с электромагнитной связью
В случаях, когда высокая чувствительность не требуется (например в системах с активной подсветкой, использующих ТГц-излучатели, такие как квантовые каскадные лазеры и лазеры на свободных электронах) актуальными становятся высокое пространственное разрешение, скорость визуализации изображения и удобство использования приемников.
Для решения этих задач могут быть использованы матричные микроболометрические приемники большого формата, чувствительные к ТГц-диапазону. Высокая чувствительность неохлаждаемых микроболометрических приемников к терагерцевому излучению обеспечивается двумя способами. Первый состоит в применении антенн, связанных с микроболометром резистивным и / или емкостным способом (рис 6). Второй состоит в применении тонких металлических поглотителей, наносимых на термоизолированную мембрану болометра (рис. 7). Первый преимущественно развивается фирмой LETI (Франция) [1, 19], а второй – фирмой NEC (Япония) [2, 17]. В обоих случаях могут применяться дополнительные оптические резонаторы. В длинноволновой части ТГц-диапазона предпочтительнее применение антенны, поскольку она позволяет подвести электромагнитную мощность к чувствительному элементу, размер которого может быть намного порядков меньше длины волны.
В настоящее время в обоих вариантах исполнения на длинах волн ≈100 мкм достигнута пороговая мощность MDP ≈ 30–40 пВт / пиксел на длинах волн 100–200 мкм (NEP < 4 · 10–13 Вт / √ Гц, т. к. характерная измерительная полоса частот матричных приемников формата 320 × 240 обычно составляет более 10 кГц). Быстродействие приемников составляет около 10–15 мс, так что кадровая частота не превышает 60–100 Гц. Здесь следует отметить, что приводимые значения NEP (>10–10 Вт / √ Гц) для неохлаждаемых матричных микроболометров ТГц-диапазона в ряде обзоров [1, 2, 18, 19] являются устаревшими, поскольку еще в 2008 году в работе [17] японской фирмой NEC были представлены неохлаждаемые матричные микроболометрические приемники ТГц-диапазона, обладающие MDP ≈ 40 пВт / пиксел. Для многих приложений длины волн принимаемого излучения должны достигать порядка 1 000 мкм, поскольку в этой области спектра прозрачность многих материалов заметно больше, чем на длинах волн 100–200 мкм. Однако на длинах волн порядка 1 000 мкм пороговая мощность вышеуказанных микроболометров повышается до 1 000 пВт / пиксел и более [14, 15] вследствие нарушения согласованности импеданса резонатора (оптической полости) и вакуума.
В России неохлаждаемые микроболометрические приемники ТГц-излучения с тонким металлическим поглотителем форматом 160 × 120 и 320 × 240, обладающие на длине волны 130 мкм пороговой мощностью ≈3 нВт / пиксел, были разработаны и продемонстрированы в ИФП СО РАН. Повышенное экспериментальное значение пороговой мощности обусловлено применением германиевых окон, обладающих высоким поглощением ТГц-излучения и вдвое пониженным напряжением смещения болометра, применяемым для обеспечения большого динамического диапазона, необходимого при работе приемника с мощным ТГц-излучением Новосибирского лазера на свободных электронах [16]. Замена германиевого окна на кремниевое и применение повышенного напряжения смещения болометра позволяет понизить пороговую мощность, MDP, до ≈250 пВт / пиксел. Дальнейшее понижение MDP требует увеличения толщины оптического резонатора (высоты подвески болометра над мультиплексором) и понижения теплопроводности микроболометров. Также были разработаны и продемонстрированы микроболометрические приемники ТГц-излучения антенного типа форматом 53 × 40 и 32 × 24 с размерами антенн 150 × 150 и 250 × 250 мкм соответственно, предназначенные для работы в субмиллиметровом диапазоне.
Экспериментальное значение MDP, измеренное на длине волны 130 мкм, составило ≈30 нВт / пиксел. В отличие от сверхпроводящих и металлических болометров неохлаждаемые болометры на основе оксидов ванадия имеют сопротивление порядка 100 кОм, что представляет определенную трудность для согласования антенны с нагрузкой.
В конструкции ИФП СО РАН нагрузкой для антенны является не сам термочувствительный элемент микроболометра, а узкая металлическая полоска, нанесенная на верхний слой нитрида кремния между контактами к слою оксида ванадия и, следовательно, имеющая хороший тепловой контакт с микроболометром, но электрически изолированная от термочувствительного слоя. Длина полоски 70 мкм, ширина 2 мкм и толщина 200 нм, сопротивление – порядка 100 Ом. Антенна выполнена из хорошо проводящего металла и подвешена над кремниевой схемой считывания на высоте 2,5 мкм с помощью растяжек из нитрида кремния. Эти разработки ИФП СО РАН позволили АО «ОКБ «Астрон» впервые в России изготовить несколько опытных полупромышленных партий, чувствительных в терагерцевой области микроболометрических матриц с шагом пиксела 25 мкм.
Технология изготовления антенн и поглотителей, являясь по сути планарной технологией с использованием фотолитографии, позволяет на одной структуре сформировать фрагменты поглотителей с различной спектральной и поляризационной чувствительностью. Рабочий спектральный диапазон поглотителей ограничивается только технологиями их изготовления, которые на данный момент охватывают интервал длин волн от 1,6 до 10 000 мкм [15].
Пироэлектрические детекторы
Активным элементом в этих устройствах является пироэлектрический материал, в котором при изменении температуры наводится электрическое поле. Таким образом, пироэлектрический детектор в отличие от болометра не требует для работы источника постоянного напряжения и при этом дает непосредственный отклик на падающее излучение в виде напряжения на своих выводах. Характеристики пироэлектрических детекторов, которые также используются в матрицах терагерцевых камер, существенно уступают микроболометрам по чувствительности и близки в части времени релаксации [1].
Детекторы на основе полевых транзисторов
Еще одним широко используемым классом детекторов терагерцевого излучения являются детекторы на основе полевых транзисторов (FET – Field Effect Transistor) с высокой подвижностью электронов. Исток и сток такого транзистора связывает плоский канал, заполненный двумерным электронным газом, в котором могут распространяться плазменные волны терагерцевой частоты (рис. 8). Нелинейные свойства плазменных возбуждений (волн электронной плотности) в наноразмерных полевых транзисторах делают возможным их отклик при частотах, значительно более высоких, чем граничная частота прибора, что обусловлено баллистическим транспортом электронов. Результаты, получаемые на полевых транзисторах, использованных как терагерцевые детекторы, показывают, что FET может быть использован для резонансного и нерезонасного (широкополосного) детектирования (см., например, [2]). Резонансная частота перестраивается путем изменения напряжения на затворе, что может быть использовано для создания селективных перестраиваемых твердотельных детекторов.
Эти приемники могут действовать в широком диапазоне температур вплоть до комнатной температуры. FET-детектирование наблюдалось в HEMT-транзисторах на основе GaAs / AlGaAs, InGaP / InGaAs / GaAs, GaN / AlGaN и в кремниевых MOSFET [1, 2, 4, 5]. Осцилляции плазмы также могут наблюдаться в двумерном электронном канале с обратно смещенным переходом Шоттки и FET с двойной квантовой ямой с периодическим решеточным затвором. Физический механизм, поддерживающий создание стабильных осцилляций, лежит в отражении плазменных волн на границах транзистора с последующим усилением амплитуды волн. Плазменные возбуждения в FET на материале с достаточно высокой подвижностью электронов могут быть использованы как для генерации, так и для детектирования ТГц-излучения.
Отечественная фирма «МВЭЙВ» (с международным представительством в лице TeraSense Group Inc.) [20] в настоящее время выпускает несколько модификаций GaAs / AlGaAs плазмонных детекторов. Основной особенностью технологии является возможность создания широкоформатных камер вплоть до 128 × 128 пикселов с общим размером сенсора 40 × 40 см. Типичные матричные приемники, предназначенные для детектирования излучения частотой 100 ГГц и 300 ГГц, состоят из пикселов размером 1,5 × 1,5 мм и 0,5 × 0,5 мм.
При изучении кремниевых MOSFET с длинами затвора 20–300 нм при комнатной температуре и частоте излучения 0,7 ТГц найдено, что отклик зависит от длины затвора и напряжения на затворе. Было реализовано значение вольт-ваттной чувствительности 200 В / Вт и NEP > 10–10 Вт / √ Гц, что демонстрирует потенциал Si MOSFET как чувствительных детекторов терагерцевого излучения. Также создана матрица фокальной плоскости размером 3 × 5 на основе Si MOSFET, изготовленная при помощи 0,25 мкм КМОП технологии. Каждый пиксел матрицы состоит из антенны на 645 ГГц, связанной с FET детектором, и усилителя напряжения на 43 дБ с полосой частот 1,6 МГц. Было достигнуто значение NEP 3 · 10–10 Вт / √ Гц, что прокладывает путь реализации широкополосных ТГц-детекторов и матриц фокальной плоскости с высокой кадровой скоростью формирования изображения на основе КМОП-технологии. Характеристики этих быстрых детекторов при комнатной температуре соответствуют другим неохлаждаемым детекторам в ТГц- частотном диапазоне.
Заключение
Настоящий прогресс в технологии ТГц-детекторов обеспечивается решением технологических проблем, применением новых физических концепций и явлений, а также многообещающими приложениями. Характеристики нескольких типов дискретных детекторов и малоформатных матриц, действующих при низких температурах или температурах субкельвин диапазона и охватывающих весь ТГц-диапазон, близки к предельным характеристикам. Однако будущее улучшение технических характеристик систем регистрации ТГц-излучения и рост их рынка будет обеспечиваться применением крупноформатных матриц и в первую очередь неохлаждаемых или слабо охлаждаемых. Подобно тому, как это происходило в инфракрасном диапазоне.
Неохлаждаемые и охлаждаемые гетеродинные SBD детекторы могут обеспечивать относительно высокую чувствительность и подходят для многих применений в ТГц- спектральном диапазоне, но их сложно объединить в матрицы с большим числом пикселов вследствие отсутствия мощных компактных твердотельных локальных осцилляторов. Сегодня доступны системы как с однопикселными когерентными SBD детекторами, так и с небольшим числом пикселов, но важной проблемой остается их эффективное применение при ν > 1 ТГц.
В большинстве терагерцевых спектрометров со средним разрешением часто используются неохлаждаемые детекторы, действующие в широкой полосе частот. Преимущества неохлаждаемых детекторов заключаются в относительной простоте схемы, а также в их способности действовать при комнатной температуре в широкой полосе частот. Их NEP находится в диапазоне 10–9–10–11 Вт / √ Гц.
Неохлаждаемые детекторы на основе микроболометров, сопряженных с тонким металлическим поглотителем или антенной, перспективны для создания крупноформатных матриц, используемых в системах низкой стоимости. Такие разработанные или разрабатываемые неохлаждаемые ТГц-приемники прямого детектирования с NEP ≈ 10–12 Вт / √ Гц могут быть использованы во многих спектроскопических применениях низкого разрешения и системах активного наблюдения.
Исследования, направленные на создание новых терагерцевых детекторов, например, на основе низкоразмерных структур из HgCdTe, на основе квантовых колец и квантовых точек Ge / Si, графена и др. будут представлены в продолжении обзора.
REFERENCES
Rogalsky A. Infrared and Terahertz Detectors (Third Edition). – CRC Press of Taylor & Francis Group. 2019. 1043 р.
Sizov F., Rogalsky A. Terahertz detectors and focal plane arrays». Opto-Electronics Review. 2011; 19 (3): 346–404.
Startsev V. V., Popov V. K., Naumov A. V. IR and THz-ranges multispectral screening system. Fotonika (Photonics Russia). 2017; 6: 98–112. doi: 10.22184/1993-7296.2017.66.6.98.112.
Старцев В. В., Попов В. К., Наумов А. В. Мультиспектральный модуль обнаружения и анализа угроз для охраны протяженных объектов на базе ИК- и видеосистем. Фотоника. 2017; 6: 98–112. doi: 10.22184/1993-7296.2017.66.6.98.112.
Vojcekhovskij A. V., Nesmelov S. N., Kul’chickij N. A., Mel’nikov A. A., Mal’cev P. P. Detektirovanie v teragercovom diapazone. Nano- i mikrosistemnaya tekhnika. 2012; 2: 28–35. [In Russ].
Войцеховский А. В., Несмелов С. Н., Кульчицкий Н. А., Мельников А. А., Мальцев П. П. Детектирование в терагерцовом диапазоне. Нано- и микросистемная техника. 2012; 2:28–35.
Vojcekhovskij A. V., Nesmelov S. N., Kul’chickij N. A., Mel’nikov A. A., Mal’cev P. P. Tipy detektorov teragercovogo izlucheniya. Nano- i mikrosistemnaya tekhnika. 2012; (3): 25–34. [In Russ].
Войцеховский А. В., Несмелов С. Н., Кульчицкий Н. А., Мельников А. А., Мальцев П. П. Типы детекторов терагерцового излучения. Нано- и микросистемная техника. 2012; (3): 25–34.
Gibin I. S., Kotlyar P. E. Priemniki izlucheniya teragercovogo diapazona (obzor). Uspekhi prikladnoj fiziki. 2018; 6 (2): 117–129. [In Russ].
Гибин И. С., Котляр П. Е. Приемники излучения терагерцового диапазона (обзор). Успехи прикладной физики. 2018; 6 (2): 117–129.
Vaks V. L., Domracheva E. G., Lastovkin A. A., Pripolzin S. I., Sobakinskaya E. A., CHernyaeva M.B., Anfert’ev V. A. Priemniki izlucheniya teragercovogo chastotnogo diapazona. Vestnik Nizhegorodskogo universiteta im. N. I. Lobachevskogo. 2013; 6 (1): 81–87. [In Russ].
Вакс В. Л., Домрачева Е. Г., Ластовкин А. А., Приползин С. И., Собакинская Е. А., Черняева М. Б., Анфертьев В. А. Приемники излучения терагерцового частотного диапазона. Вестник Нижегородского университета им. Н. И. Лобачевского. 2013; 6 (1): 81–87.
Esman A. K., Kuleshov V. K., Zykov G. L. Selektivnyj priemnik teragercovogo izlucheniya. Problemy fiziki, matematiki i tekhniki. 2014; 4 (21): 10–13. [In Russ].
Есман А. К., Кулешов В. К., Зыков Г. Л. Селективный приемник терагерцового излучения. Проблемы физики, математики и техники. 2014; 4 (21): 10–13.
Yachmenev A. E., Lavrukhin D. V., Glinskiy I. A., Zenchenko N. V., Goncharov Y. G., Spektor I. E., Khabibullin R. A., Otsuji T., Ponomarev D. S. Metallic and dielectric metasurfaces in photoconductive terahertz devices: a review. Opt. Eng. 2019; 59 (6): 061608. doi: 10.1117/1.OE.59.6.061608.
Torhov N. A., Babak L. I., Kokolov A. A. Primenenie diodov SHottki v teragercovom chastotnom diapazone. Fizika i tekhnika poluprovodnikov. 2019; 53 (12): 1697–1707. [In Russ].
Торхов Н. А., Бабак Л. И., Коколов А. А. Применение диодов Шоттки в терагерцовом частотном диапазоне». Физика и техника полупроводников. 2019; 53 (12): 1697–1707.
Chevalier C., Mercier L., Duchesne F., Gagnon L., Tremblay B., Terroux M., Généreux F., Paultre J.-E., Provençal F., Desroches Y., Marchese L., Jerominek H., Alain C., Bergeron A. Introducing a 384×288 Pixel Terahertz Camera Core. Proc. of SPIE. 2013; 8624: 86240.
Lewis R. A. A review of terahertz detectors. Phys. D: Appl. Phys. 52, 433001, 2019.
Fukasawa R. Terahertz Imaging: Widespread Industrial Application in Non-destructive Inspection and Chemical Analysis. IEEE Trans. Terahertz Science and Technology. 2015; 5 (6): 1121–1127.
Bolduc M., Terroux M., Tremblay B., Marchese L., Savard E., Doucet M., Oulachgar H., Alain C., Jerominek H., Bergeron A. Noise-equivalent power characterization of an uncooled microbolometer-based THz imaging camera. Proc. SPIE. 2011; 8023: 80230C.
Bolduc M., Terroux M., Marchese L., Tremblay B., Savard É., Doucet M., Oulachgar H., Alain C., Jerominek H., Bergeron A. THz imaging and radiometric measurements using a microbolometer-based camera. Proc. IEEE. 2011; 6105155: 1–2.
Kulipanov G. N., Gavrilov N. G., Knyazev B. A. et al. Research Highlights from the Novosibirsk 400 W average power THz FEL. Terahertz Science and Technology. 2008; 1 (2): 107–125.
Oda N., Yoneyama H., Sasaki T., Sano M., Kurashina S., Hosako I., Sekine N., Sudoh T., Irie T. Detection of terahertz radiation from quantum cascade laser, using vanadium oxide microbolometer focal plane arrays. Proc. of SPIE. 2008; 6940: 69402Y.
Sizov F. F., Reva V. P., Golenkov A. G., Zabudsky V. V. Uncooled Detectors Challenges for THz / sub-THz Arrays Imaging. Journal of Infrared Milli Terahz Waves. 2011; 32: 1192–1206.
Simoens F., Meilhan J., Delplanque B., Gidon S., Lasfargues G., Lalanne Dera J., Nguyen D. T., Ouvrier-Buffet J. L., Pocas S., Maillou T., Cathabard O., Barbieri S. Real-time imaging with THz fully-customized uncooled amorphoussilicon microbolometer focal plane arrays. Proc. SPIE. 2012; 8363: 83630D.
Shchepetilnikov A. V., Gusikhin P. A., Muravev V. M., Tsydynzhapov G. E., Nefyodov Yu. A., Dremin A. A., Kukushkin I. V. New Ultra-Fast Sub-Terahertz Linear Scanner for Postal Security Screening». International Journal of Infrared and MillimeterWaves. https://doi.org/10.1007/s10762-020-00692-4.
АВТОРЫ
Н. А. Кульчицкий, д.т.н., проф., e-mail n.kulchitsky@gmail.com, зам. начальника управления,Государственный научный центр РФ, Акционерное общество «Научно производственное объединение «Орион»; МИРЭА- Российский технологический университет (РТУ МИРЭА), Москва, Россия.
ORCID: 0000-0003-4664-4891
А. В. Наумов, руководитель направления,АО «Оптико-механическое конструкторское бюро Астрон», https://astrohn.ru, Лыткарино, Моск. обл., Россия.
ORCID: 0000-0001-6081-8304
В. В. Старцев, главный конструктор, к. т. н. АО «Оптико-механическое конструкторское бюро Астрон», https://astrohn.ru, Лыткарино, Моск. обл., Россия.
ORCID:0000-0002-2800-544X
М. А. Демьяненко, снс, к. ф.‑ м. н., Институт физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН, Новосибирск, Россия.
ORCID: 0000-0002-8840-9446
ВКЛАД ЧЛЕНОВ АВТОРСКОГО КОЛЛЕКТИВА
Статья подготовлена на основе многолетней работы всех членов авторского коллектива.
КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ
Авторы заявляют, что у них нет конфликта интересов. Все авторы приняли участие в написании статьи и дополнили рукопись в части своей работы.
Отзывы читателей
