eng
Выпуск #8/2021
Н. А. Кульчицкий, А. В. Наумов, В. В. Старцев, М. А. Демьяненко
Детектирование в терагерцевом диапазоне. Часть II
Детектирование в терагерцевом диапазоне. Часть II
Просмотры: 1566
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2021.15.8.642.655
В статье идет обсуждение проблем, связанных с развитием технологии детекторов излучения терагерцевого диапазона. Продолжено рассмотрение состояния дел в области неохлаждаемых матричных болометрических приемников, недавний прогресс в различных методах детектирования терагерцевого излучения – прямого детектирования и гетеродинного детектирования. Внимание сфокусировано на преимуществах и недостатках сенсоров прямого детектирования и сенсоров с гетеродинным детектированием.
В статье идет обсуждение проблем, связанных с развитием технологии детекторов излучения терагерцевого диапазона. Продолжено рассмотрение состояния дел в области неохлаждаемых матричных болометрических приемников, недавний прогресс в различных методах детектирования терагерцевого излучения – прямого детектирования и гетеродинного детектирования. Внимание сфокусировано на преимуществах и недостатках сенсоров прямого детектирования и сенсоров с гетеродинным детектированием.
Теги: direct terahertz radiation sensitivity frequency band heterodyne detection гетеродинное детектирование полоса частот прямое терагерцевое излучение чувствительность
Детектирование в терагерцевом диапазоне. Часть II
Н. А. Кульчицкий, А. В. Наумов, В. В. Старцев, М. А. Демьяненко
Государственный научный центр РФ, Акционерное общество «Научно-производственное объединение «Орион», Москва, Россия
МИРЭА – Российский технологический университет, (РТУ МИРЭА), Москва, Россия
Акционерное общество «Оптико-механическое конструкторское бюро Астрон», Лыткарино,
Московская обл., Россия
Институт физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН, Новосибирск, Россия
В статье идет обсуждение проблем, связанных с развитием технологии детекторов излучения терагерцевого диапазона. Продолжено рассмотрение состояния дел в области неохлаждаемых матричных болометрических приемников, недавний прогресс в различных методах детектирования терагерцевого излучения – прямого детектирования и гетеродинного детектирования. Внимание сфокусировано на преимуществах и недостатках сенсоров прямого детектирования и сенсоров с гетеродинным детектированием.
Ключевые слова: гетеродинное детектирование, полоса частот, прямое терагерцевое излучение чувствительность
Статья получена: 01.10.2021
Статья принята: 24.10.2021
Неохлаждаемые матричные микроболометрические приемники. Часть II
В настоящее время неохлаждаемые микроболометрические приемники являются наиболее подходящими для создания недорогих крупноформатных матричных приемников ТГц-излучения. Коммерчески доступны терагерцевые камеры форматом 320 × 240 и 640 × 480, работающие в режиме реального времени [1]. Минимальная детектируемая мощность (MDP) излучения на длинах волн порядка 100 мкм составляет 20–40 пВт, что с учетом полосы частот, равной примерно 10 кГц, соответствует NEP = 2–4 ∙ 10–13 Вт / Гц1 / 2. Столь малые значения MDP и NEP, близкие к соответствующим значениям, достигаемым в ИК-области, обусловлены тем, что были найдены конструктивные решения, позволяющие существенно увеличить коэффициент поглощения ТГц-излучения и в некоторых случаях сделать его близким к единице. Для эффективного поглощения ТГц-излучения используются: 1) антенны, нагруженные на резистивную нагрузку [2, 3] и 2) тонкие металлические поглотители (толщиной в несколько десятков нанометров), обладающие поверхностным сопротивлением от 40 до 377 Ом в зависимости от расстояния между поглотителем и отражателем [4, 5], 3) метаматериалы или частотно-селективные поверхности [6], 4) черное золото [7] и 5) углеродные материалы, в первую очередь вертикально ориентированные углеродные нанотрубки (ВОУНТ) [8, 9]. Во всех случаях показана возможность достижения практически полного поглощения ТГц-излучения. При этом первые три типа поглотителей характеризуются в разной степени селективной частотной зависимостью, а последние два – позволяют создавать широкополосные приемники.
Применение антенн, связанных емкостным или прямым способом с резистивной нагрузкой, расположенной на мембране болометра, было рассмотрено в первой части обзора. Здесь, отметим только одну тенденцию их развития, а именно: замена антенн в форме бабочки на антенны V-образной формы, обладающие малой площадью металла и, следовательно, малой массой и теплоемкостью, что позволяет повысить быстродействие приемников [10].
В случае применения тонких металлических поглотителей коэффициент поглощения оказывается близким к единице, если поглотитель имеет слоевое сопротивление, равное импедансу вакуума (377 Ом / квадрат), а зазор между поглотителем и отражателем d равен четверти длины волны λ детектируемого излучения. Для λ = 100 мкм оптимальный зазор d равен 25 мкм. Однако подвешивание микроболометров на такой высоте над подложкой является трудной технологической задачей, поэтому японской фирмой NEC [11, 12] была использована конструкция, в которой на отражатель наносили толстый (7 мкм) слой нитрида кремния, над которым на высоте (≈4 мкм) подвешивался болометр.
Результирующая оптическая толщина резонатора составила 7 · 1,9 + 4 ≈ 17 мкм, которая достаточна, чтобы обеспечить 90%-ое поглощение на длине волны 100 мкм. Минимальная детектируемая мощность приемника форматом 640 × 480 с размером пиксела 23,5 мкм составила 20 пВт / пиксел на частоте 2,5 ТГц, немного понижаясь в сторону высоких частот (до 10 пВт на 4,3 ТГц) и значительно повышаясь в сторону низких частот (до 600 × 800 пВт / пиксел на 0,6 ТГц).
Другим способом увеличения чувствительности болометра на длинных волнах является применение дополнительных оптических резонаторов, образованных зазором, равным или кратным λ / 2, между микроболометром и просветленным с внешней стороны входным кремниевым окном (рис. 1). Такие резонаторы позволяют существенно увеличить коэффициент поглощения за счет конструктивной интерференции электромагнитного излучения, падающего и отраженного от болометра и затем от внутренней стороны входного окна, или понизить при деструктивной интерференции [13]. Это приводит к тому, что приемник становится узкополосным. Простота этих конструктивных решений позволила фирме NEC (Япония) наладить производство миниатюрных ТГц-камер, обладающих высокой чувствительностью [1]. Основные способы повышения коэффициента поглощения ТГц-излучения для болометров с тонким металлическим поглотителем описаны в работе [14], в которой приведены аналитические соотношения для расчета спектральных зависимостей коэффициента поглощения в болометрических структурах различного типа.
Еще один вариант поглотителя ТГц-диапазона разрабатывается на основе метаматериалов (или частотно-селективных поверхностях-FSS) [15–17]. Такие поглотители представляют собой два тонких слоя металла, разделенные диэлектрическим слоем толщиной d. Один из них – сплошной слой металла, не пропускающий излучения через поглотитель, а второй – FSS-слой – подбирается с таким топологическим рисунком, чтобы он мог обеспечить на некоторых частотах импеданс приемника ZD, равный импедансу вакуума Zv.
В таком случае не будет и отражения падающего излучения, а, следовательно, коэффициент поглощения будет равен единице. Импеданс FSS-слоя может быть представлен в виде последовательной LCR цепи [18]:
,
гдe ω – круговая частота, R – сопротивление, C и L – емкость и индуктивность, величины которых определяются формой частотно-селективной поверхности. Импеданс диэлектрического зазора между двумя слоями металла равен:
,
где Zm – импеданс диэлектрического материала между двумя слоями металла. В итоге полный импеданс структуры (детектора) равен:
.
В резонансе, когда , для длин волн много больших толщины диэлектрического слоя d, получаем, что мнимая компонента импеданса ZD близка к нулю, а значение сопротивления R, при котором реальная компонента импеданса структуры будет равна импедансу вакуума Zv, должно удовлетворять условию
.
На рис. 2 показан фрагмент матрицы двухуровневых микроболометров с ТГц-поглотителем на основе метаматериала. Формат матрицы 384 × 288, размер пиксела 35 мкм. Первый уровень болометра, приподнятый на 3 мкм над полностью отражающем зеркалом, содержит как термочувствительный элемент (VOx), так и терагерцевый поглотитель. Второй уровень, подвешенный на 2,3 мкм выше первого, представляет собой инфракрасный фильтр, состоящий из массива квадратиков форматом 6 × 6, отражающий ИК-излучение и пропускающий терагерцевое излучение. На рис. 3 приведена спектральная зависимость поглотителя на основе метаматериала. Видно, что реализуется достаточно высокий коэффициент поглощения (более 90%) на частотах, соответствующих длинам волн порядка 70 мкм.
Широкополосные болометрические приемники ТГц-диапазона успешно разрабатываются с применением поглотителей на основе черного золота и вертикально ориентированных углеродных нанотрубок (ВОУНТ). Осаждаемое в среде азота золото представляет собой очень рыхлую структуру, состоящую из случайных цепей наночастиц золота. Оно обладает очень малой плотности (до 65 мг / см3), что позволяет делать широкополосные поглотители из толстых (30–50 мкм) слоев черного золота, существенно не увеличивая массу и теплоемкость чувствительной мембраны болометра [19]. Слой черного золота толщиной 30 мкм по массе и теплоемкости эквивалентен сплошному слою золота толщиной 100 нм. Слои черного золота характеризуются удельным сопротивлением ρ от 0,1 до 25 Ом · см, при этом ρ = 0,5 Ом · см является оптимальными для изготовления поглотителей [20]. На основе этой технологии фирма INO (Канада) производит широполосные терагерцевые матричные болометрические приемники. Изображение пикселов такой матрицы показаны на рис. 4 [19]. Такая технология, помимо процесса нанесения черного золота, содержит еще один нестандартный этап производства, а именно: лазерное разрезание слоев черного золота на пикселы. Тем не менее в Канаде поставлено производство терагерцевых камер форматом 384 × 288 пикселов с размером пиксела 35 мкм. Минимальная детектируемая мощность камеры составляет 11–34 пВт / пиксел в диапазоне от 4,25 до 0,198 ТГц, что, учитывая время интегрирования сигнала, равное 40 мкс, при пересчете на полосу частот равную 1 Гц дает мощность, эквивалентную шуму (NEP) от 0,11 до 0,32 пВт / Гц 1 / 2 [21]. Это означает, что «пальма первенства» среди неохлаждаемых приемников терагерцевого излучения принадлежит микроболометрам.
Слои многостенных ВОУНТ так же, как и слои черного золота, имеют малую плотность (20–30 мг / см3 [22]) и могут быть выращены толщиной 50–100 мкм и более, что обеспечивает практически полное поглощение падающего на него излучения от 0,3 до 500 мкм [23, 24].
В настоящее время температура роста ВОУНТ составляет 750–850 °С, что не позволяет их выращивать на болометрах, изготовленных на кремниевых мультиплексорах. Однако были продемонстрированы линейки микроболометров с размером мембраны 100 × 100 мкм, на которых был выращен слой ВОУНТ толщиной 22 мкм (см. рис. 5). При этом в качестве термочувствительного слоя использовался оксид ванадия, наносимый на мембрану до выращивания нанотубок. В процессе выращивания слоя ВОУНТ температурный коэффициент сопротивления VOx понижался от исходного значения –3 % / К до –1,2 % / К, что все еще значительно больше ТКС металлов (≈0,3 % / К).
Детекторы с гетеродинным обнаружением
В гетеродинных детекторах сигналы с ТГц- или суб-ТГц-частотами преобразуются в сигналы с более низкими промежуточными частотами (IF), предоставляя информацию об амплитуде и фазе входного излучения. На протяжении нескольких десятилетий такие детекторы применяются для высокоразрешающих спектроскопических исследований, космического дистанционного зондирования, а относительно недавно стали использоваться для формирования изображения в миллиметровом и субмиллиметровом диапазоне.
Схема гетеродинного детектирования показана на рис. 6. Вдобавок к сигналу Ws и мощности фонового излучения WB добавляется мощность излучения WLO от локального осциллятора (например лазера или любого другого вида узкополосного источника излучения). Локальный осциллятор необходим для обеспечения процесса оптического смешивания. Основными элементами гетеродинных детекторов является смеситель, который необходим для смешивания Ws и WLO и для генерации сигнала на промежуточной частоте .
Ключевым компонентом смесителя является нелинейный смешивающий элемент (детектор), в котором сигнальная мощность и мощность LO излучения взаимодействуют при использовании некоторого вида диплексера (фильтра, предназначенного для объединения сигналов различных диапазонов частот, который служит для объединения двух портов в один). При использовании миллиметровой или субмиллиметровой матрицы выбор смесителя определяется доступностью источника LO мощности в данном спектральном диапазоне, рабочей температурой смесителя и необходимой чувствительностью.
Расчеты предполагают, что LO импульсная мощность, требуемая для смесителей Шоттки, составляет 1 мВт, для смесителей сверхпроводник-диэлектрик-сверхпроводник (SIS) – 40 мкВт и для смесителей на основе болометров с горячими электронами (HEB) – 2 мкВт.
Предполагались потери связи локального осциллятора, равные 3 дБ [8]. Серьезная проблема, которая ограничивает применение гетеродинных матриц в суб-миллиметровой (ТГц) спектральной области (то есть для приложений высокоразрешающей спектроскопии (ν / Δν ≈ 106, где ν – частота, Δν – интервал частот), или фотометрии (ν / Δν ≈ 3–10) и для формирования изображений, лежит в технологических ограничениях твердотельного локального осциллятора (LO) мощности или гетеродина. Из-за значительного ослабления ТГц-волны не очень полезны для дальней связи, но вследствие сильного поглощения большинством материалов ТГц-излучение предоставляет информацию о физических свойствах материалов.
Основным преимуществом систем гетеродинного детектирования является то, что информация о частоте и фазе сигнала с частотой νs преобразуется в частоту νIF, которая находится в намного более низкочастотном диапазоне , соответствующем времени отклика электроники. Это преобразование называется гетеродинным переходом (конверсией). Если частоты сигнала и локального осциллятора равны между собой, тогда (т. е. вырождается в постоянный сигнал), то такой процесс детектирования называется гомодинным переходом.
Для эффективного преобразования и обеспечения низкого шума в миллиметровом и субмиллиметровом спектральных диапазонах может быть использовано только несколько типов детекторов в качестве смесителей. Часто используются приборы, имеющие сильную электрическую квадратичную нелинейность. Примерами являются прямо смещенные диоды (SBD), сверхпроводник-диэлектрик-сверхпроводник (SIS) с туннельным переходом, полупроводниковые и сверхпроводниковые болометры HEBs, сверхрешетки (SL). Схематические вольт-амперные характеристики таких приборов показаны на рис. 7.
Одновременно с разумной эффективностью преобразования и низким шумом эти нелинейные приборы должны обладать высокой операционной скоростью преобразования для обеспечения широкой полосы для последующего усиления сигналов при намного более низких частотах (f ≈ 1–30 ГГц).
При большой LO мощности WLO можно детектировать относительно малую мощность сигнала Ws. Когда такое условие соблюдается (при ), квантовый шум в сигнальном потоке может быть доминирующим шумом и для внутреннего усиления сигнала G = 1 для не фотопроводящих детекторов при отношении сигнала к шуму S / N = 1, следует:
,
а для минимальной обнаруживаемой энергии имеем . Для эффективности связи η = 1 это означает квантовый предел обнаружения сигнала. Так как при этом энергия одного фотона, принимаемая не фотопроводящим детектором, трансформируется в кинетическую энергию одного электрона, который затем пересекает барьер.
Для гетеродинного детектирования может быть показано, что NEP равно (BLIP режим):
.
Заметим, что для гетеродинного детектирования единицами измерения NEP являются Вт / Гц вместо Вт / Гц 0,5, как для прямого детектирования.
Чувствительность гетеродинных детекторов часто дается в терминах температуры шума смесителя Tmix, которая коррелирует с эквивалентной мощностью шума смесителя:
.
Для спектральной зоны λ ≈ 3 мм (ν ≈ 100 ГГц), где есть окно прозрачности атмосферы, значение является фундаментальным пределом шумовой температуры, введенным принципом неопределенности любых одновременных измерений амплитуды и фазы электромагнитной волны.
Предельные значения шумовой температуры гетеродинных ТГц-детекторов часто сравнивают, используя значения . Поскольку гетеродинные детекторы измеряют как амплитуду, так и фазу одновременно, они регулируются принципом неопределенности и, следовательно, они ограничены квантовым шумом при абсолютном уровне шума 48 К / ТГц.
Сравнение гетеродинного и прямого детектирования
Гетеродинное детектирование предлагает высокое спектральное разрешение ν / Δν ≈ 105–106. Очень высокое спектральное разрешение возможно, пока . Но для гетеродинных систем, особенно для SBD-приемников в ТГц-области, критическим компонентом является локальный осциллятор.
В то же время детекторы с прямым детектированием, как правило, действуют в широком спектральном диапазоне, и, когда фотонный фон низок, могут обеспечивать достаточно высокое разрешение. Они предпочтительнее для умеренного спектрального разрешения ν / Δν ≈ 103–104 или ниже, а также для формирования изображений. Детекторы с прямым детектированием могут использоваться в таких применениях, где чувствительность более важна, чем спектральное разрешение.
Иметь ограниченную фоном матрицу детекторов важно с точки зрения исключения, например фонового шума неба, учитывая, что любая пространственно коррелированная компонента этого шума, детектируемая во всех сенсорах в матрице, может быть существенно подавлена. Среди детекторов с прямым детектированием, низкотемпературные болометры обычно обеспечивают наивысшую чувствительность от дальнего инфракрасного до миллиметрового диапазона электромагнитного спектра, обеспечивая ограниченные фоном характеристики с NEP ≈ (0,4–3) · 10–19 Вт / Гц0,5 при рабочей температуре 100–300 мК. В условиях микроволнового фона (CMB) использовались системы когерентных детекторов и некогерентные болометрические системы. Для космических экспериментов наземного базирования применимыми являются оба типа детекторов.
По сравнению с прямым детектированием, гетеродинное детектирование обладает преимуществами и недостатками. Преимущества гетеродинного детектирования заключаются в следующем:
Недостатками гетеродинного детектирования являются:
Системы когерентного детектирования (с SIS или SBD-смесителями), как правило, ограничены в детектировании сигналами с частотами, превышающими 1 ТГц. Гетеродинные HEB-смесители и детекторы прямого детектирования на основе сенсоров, действующих вблизи края перехода в сверхпроводящее состояние (TES), почти не имеют практических ограничений в применении в коротковолновом субмиллиметровом диапазоне [27].
Заключение
Настоящий прогресс в технологии ТГц-детекторов обеспечивается решением технологических проблем, новыми физическими концепциями и явлениями, а также многообещающими приложениями. Характеристики нескольких типов дискретных детекторов и малоформатных матриц, действующих при низких или субкельвиновских температурах (например SIS, HEB, TES и болометры на холодных электронах (CEB)) близки к предельным характеристикам при низком уровне фона. Они охватывают весь ТГц-диапазон. Однако будущее улучшение чувствительности будет обеспечиваться использованием крупноформатных матриц со считыванием в фокальной плоскости для обеспечения высокоразрешающей спектроскопии (ν / Δν ≈ 107) и регистрациипри частотах, превышающих 1 ТГц. Сверхпроводящие HEB-детекторы характеризуются хорошими темновыми характеристиками, высокой скоростью счета, и они также перспективны как счетчики отдельных фотонов в широком ИК-спектральном диапазоне. Сомнительно, что сверхпроводящие HEBs, действующие при высоких температурах, достигнут чувствительности низкотемпературных сверхпроводящих HEBs из-за избыточного шума, но вследствие короткого времени электрон-фононной релаксации эти материалы являются перспективными для широкополосных приборов.
Одной из важных компонент ТГц-технологии являются неохлаждаемые или слегка охлаждаемые ТГц-сенсоры, требующие дальнейшего улучшения чувствительности, которое сделает системы менее сложными и громоздкими. В большинстве миллиметровых и субмиллиметровых 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 / Гц0,5. Представляют интерес и исследования, направленные на создание новых разработок терагерцевых детекторов, например на основе низкоразмерных структур из HgCdTe, на основе PbSnTe: In, на основе квантовых колец и квантовых точек Ge / Si [27]. Неохлаждаемые или слегка охлаждаемые сенсоры на основе, например плазмонного резонанса 2D-электронов в HEMTs перспективны для использования в крупноформатных матрицах в системах с низкой стоимостью. Другие разработанные или разрабатываемые неохлаждаемые ТГц- тепловые детекторы прямого обнаружения с NEP ≈ 10–10–10–11 Вт / Гц0,5 могут быть использованы во многих низкоразрешающих спектроскопических применениях и системах активного наблюдения.
REFERENCES
Oda N. Technology trend in real-time, uncooled image sensors for sub-THz and THz wave detection. Proc. SPIE. 2016;9836:98362P
Simoens F., Meilhan J. Terahertz real-time imaging uncooled array based on antenna- and cavity-coupled bolometers. Philos. Trans. R. Soc. A Math. Phys. Eng. Sci. 2014; 372(2012):20130111.
Simoens F., Meilhan J., Nicolas J.-A. Terahertz real-time imaging uncooled arrays based on antenna-coupled bolometers or FET developed at CEA-Leti. J. Infrared, Millimeter, Terahertz Waves. 2015; 36(10): 961–985.
Oda N. Détecteur matriciel de type bolométrique à température ambiante et camera vidéo pour l’imagerie terahertz. Comptes Rendus Phys. Elsevier Masson SAS. 2010; 11 (7–8): 496–509.
Nemoto N. et al. High-Sensitivity and Broadband, Real-Time Terahertz Camera Incorporating a Micro-Bolometer Array With Resonant Cavity Structure. IEEE Trans. Terahertz Sci. Technol. IEEE. 2016; 6(2): 175–182.
Oulachgar H. et al. Optimization of design and microfabrication of metamaterial-based absorber for terahertz microbolometer. 2014. 39th International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz waves (IRMMW-THz). IEEE. 2014.
Proulx C. et al. The EarthCARE broadband radiometer detectors. Infrared Spaceborne Remote Sensing and Instrumentation XVII / ed. Strojnik M. 2009. P. 74530S.
Yung C. et al. BABAR: black array of broadband absolute radiometers for far infrared sensing. Image Sensing Technologies: Materials, Devices, Systems, and Applications VI / ed. Dhar N. K., Dutta A. K., Babu S. R. SPIE, 2019. P. 109800F.
Tomlin N. A. et al. Overview of microfabricated bolometers with vertically aligned carbon nanotube absorbers. AIP Adv. AIP Publishing. LLC. 2020; 10(5): 055010.
F. Simoens, J. Meilhan, J.-A. Nicolas. Terahertz Real-Time Imaging Uncooled Arrays Based on Antenna-Coupled Bolometers or FET Developed at CEA-Leti. J Infrared Milli Terahz Waves. 2015;36:961–985. DOI 10.1007/s10762-015-0197‑x.
Oda N., Seiji Kurashina, Masaru Miyoshi, Kohei Doi, Tsutomu Ishi, Takayuki Sudou, Takao Morimoto, Hideki Goto, Tokuhito Sasaki. Microbolometer Terahertz Focal Plane Array and Camera with Improved Sensitivity in the Sub-Terahertz Region. J. Infrared, Millimeter, Terahertz Waves. 2015; 36(10): 947–960.
Oda N. Technology Trend in Real-time, Uncooled Image Sensors for sub-THz and THz Wave Detection. Proc. SPIE. 2016; 9836:98362P.
Oda Naoki, Sano Masahiko, Ken’ichi Sonoda et al. Development of Terahertz focal plane arrays and handy camera. Proc. SPIE 8012. Infrared Technology and Applications XXXVII / ed. by B. F. Andresen, G. F. Fulop, P. R. Norton. 2011; 80121B.
M. A. Dem’yanenko, I. V. Marchishin, V. V. Startsev. Absorption of terahertz radiation by a thin metal absorber in conventional and inverted bolometers. OSA CONTINUUM. 2019; 2(6):2085–2097.
H. Oulachgar, P. Mauskopf, M. Bolduc, S. Ilias, J-E. Paultre, D. D’Amato, M. Terroux, T. Pope, C. Alain, P. Topart, H. Jerominek. Design and microfabrication of frequency selective uncooled microbolometer focal plane array for terahertz imaging. Proc. of 38th conference of IRMMW-THz. – Mainz-Germany. 2013.
H. Oulachgar, J.-E. Paultre, F. Provençal, D. D’Amato, P. Beaupré, C. Alain, H. Jerominek. Optimization of design and microfabrication of metamaterial-based absorbers for terahertz microbolometers. Proc. of 39th International Conference on Infrared, Millimeter and Terahertz Waves, IRMMW-THz. 2014.
H. Oulachgar, L. E. Marchese, M. Terroux, S. Ilias, J.-E. Paultre, D. D’Amato, B. Tremblay, Patrick Beaupré Francis Provençal, C. Alain, P. Topart, F. Généreux, H. Jerominek, A. Bergeron. A 384×288 microbolometer-based pixel camera with metamaterial absorbers for real-time terahertz imaging applications. Proc. of the 6th International Conference on Metamaterials, Photonic Crystals and Plasmonics. META’15 New York – USA. 2015.
F. Costa, A. Monorchio, and G. Manara. Analysis and design of ultra thin electromagnetic absorbers comprising resistively loaded high impedance surfaces. IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2010;58(5):1551–1558.
C. Proulx, F. Williamson, M. Allard, G. Baldenberger, D. Gay, S. Garcia-Blanco, P. Côté, L. Martin, C. Larouche, S. Ilias, T. Pope, M. Caldwell, K. Ward, J. Delderfield. The Earth CARE broadband radiometer detectors. Proc. of SPIE. 2009;7453:74530S. doi: 10.1117/12.829935.
Panjwani D. R. Characterization of gold black and its application in un-cooled infrared detectors: Ph.D. dissertation. University of Central Florida. 2015. 143 p.
M. Terroux, P. Talbot, F. Généreux, L. Marchese, E.-H. Oulachgar, A. Bergeron. NEP characterization and analysis method for THz imaging devices. Proc. of SPIE. 2021; 11745:117450L. https://doi.org/10.1117/12.2586094.
A. Okamoto, I. Gunjishima, T. Inoue, M. Akoshima, H. Miyagawa, T. Nakano, T. Baba, M. Tanemura, G. Oomi. Thermal and electrical conduction properties of vertically aligned carbon nanotubes produced by water-assisted chemical vapor deposition. Carbon N. Y. 2011; 49 (1): 294–298.
C. S. Yung, N. A. Tomlin, C. Straatsma, J. Rutkowski, E. C. Richard, D. M. Harber, J. H. Lehman, M. S. Stephens. BABAR: black array of broadband absolute radiometers for far infrared sensing. Proc. of SPIE. 2019; 10980:109800.
N. A. Tomlin, C. S. Yung, Z. Castleman, M. Denoual, G. Drake, N. Farber, D. Harber, K. Heuerman, G. Kopp, H. Passe, E. Richard, J. Rutkowski, J. Sprunck, M. Stephens, C. Straatsma, S. Van Dreser, I. Vayshenker, M. G. White, S. I. Woods, W. Zheng, J. H. Lehman. Overview of microfabricated bolometers with vertically aligned carbon nanotube absorbers. AIP Adv. AIP Publishing. LLC. 2020; 10(5): 055010.
D. Xiao, M. Zhu, L. Sun, C. Zhao, Y. Wang, E. H. T. Teo, F. Hu, L. Tu. Flexible ultra-wideband terahertz absorber based on vertically aligned carbon. ACS Appl. Mater. Interfaces. 2019;11:43671–43680,
A. V. Vojcekhovskij, S. N. Nesmelov, N. A. Kul’chickij, A. A. Mel’nikov, P. P. Mal’cev. Tipy detektorov teragercovogo izlucheniya. NANO- I MIKROSISTEMNAYA TEKHNIKA. 2012; 3: 25–34.
А. В. Войцеховский, С. Н. Несмелов, Н. А. Кульчицкий, А. А. Мельников, П. П. Мальцев. Типы детекторов терагерцевого излучения. НАНО- И МИКРОСИСТЕМНАЯ ТЕХНИКА. 2012; 3: 25–34.
F Sizov. Terahertz radiation detectors: the state-of-the-art. Semicond. Sci. Technol. 2018;33:123001 (26pp). https://doi.org/10.1088/1361–6641/aae473.
АВТОРЫ
Наумов А. В., руководитель направления, Акционерное общество «Оптико-механическое конструкторское бюро Астрон», г. Лыткарино, Московская обл., Россия.
ORCID: 0000-0001-6081-8304
Старцев В. В., к. т. н. главный конструктор, Акционерное общество «Оптико-механическое конструкторское бюро Астрон», г. Лыткарино, Московская обл., Россия.
ORCID: 0000-0002-2800-544X
Кульчицкий Н. А., д. т.н,, заместитель начальника управления, Государственный научный центр РФ, Акционерное общество «Научно-производственное объединение «Орион»; проф. МИРЭА-Российский технологический университет, (РТУ МИРЭА), Москва, Россия.
ORCID: 0000-0003-4664-4891
Демьяненко М. А., старший научный сотрудник, к. ф.‑ м. н., Институт физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН, Новосибирск, Россия.
ORCID: 0000-0002-8840-9446
Н. А. Кульчицкий, А. В. Наумов, В. В. Старцев, М. А. Демьяненко
Государственный научный центр РФ, Акционерное общество «Научно-производственное объединение «Орион», Москва, Россия
МИРЭА – Российский технологический университет, (РТУ МИРЭА), Москва, Россия
Акционерное общество «Оптико-механическое конструкторское бюро Астрон», Лыткарино,
Московская обл., Россия
Институт физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН, Новосибирск, Россия
В статье идет обсуждение проблем, связанных с развитием технологии детекторов излучения терагерцевого диапазона. Продолжено рассмотрение состояния дел в области неохлаждаемых матричных болометрических приемников, недавний прогресс в различных методах детектирования терагерцевого излучения – прямого детектирования и гетеродинного детектирования. Внимание сфокусировано на преимуществах и недостатках сенсоров прямого детектирования и сенсоров с гетеродинным детектированием.
Ключевые слова: гетеродинное детектирование, полоса частот, прямое терагерцевое излучение чувствительность
Статья получена: 01.10.2021
Статья принята: 24.10.2021
Неохлаждаемые матричные микроболометрические приемники. Часть II
В настоящее время неохлаждаемые микроболометрические приемники являются наиболее подходящими для создания недорогих крупноформатных матричных приемников ТГц-излучения. Коммерчески доступны терагерцевые камеры форматом 320 × 240 и 640 × 480, работающие в режиме реального времени [1]. Минимальная детектируемая мощность (MDP) излучения на длинах волн порядка 100 мкм составляет 20–40 пВт, что с учетом полосы частот, равной примерно 10 кГц, соответствует NEP = 2–4 ∙ 10–13 Вт / Гц1 / 2. Столь малые значения MDP и NEP, близкие к соответствующим значениям, достигаемым в ИК-области, обусловлены тем, что были найдены конструктивные решения, позволяющие существенно увеличить коэффициент поглощения ТГц-излучения и в некоторых случаях сделать его близким к единице. Для эффективного поглощения ТГц-излучения используются: 1) антенны, нагруженные на резистивную нагрузку [2, 3] и 2) тонкие металлические поглотители (толщиной в несколько десятков нанометров), обладающие поверхностным сопротивлением от 40 до 377 Ом в зависимости от расстояния между поглотителем и отражателем [4, 5], 3) метаматериалы или частотно-селективные поверхности [6], 4) черное золото [7] и 5) углеродные материалы, в первую очередь вертикально ориентированные углеродные нанотрубки (ВОУНТ) [8, 9]. Во всех случаях показана возможность достижения практически полного поглощения ТГц-излучения. При этом первые три типа поглотителей характеризуются в разной степени селективной частотной зависимостью, а последние два – позволяют создавать широкополосные приемники.
Применение антенн, связанных емкостным или прямым способом с резистивной нагрузкой, расположенной на мембране болометра, было рассмотрено в первой части обзора. Здесь, отметим только одну тенденцию их развития, а именно: замена антенн в форме бабочки на антенны V-образной формы, обладающие малой площадью металла и, следовательно, малой массой и теплоемкостью, что позволяет повысить быстродействие приемников [10].
В случае применения тонких металлических поглотителей коэффициент поглощения оказывается близким к единице, если поглотитель имеет слоевое сопротивление, равное импедансу вакуума (377 Ом / квадрат), а зазор между поглотителем и отражателем d равен четверти длины волны λ детектируемого излучения. Для λ = 100 мкм оптимальный зазор d равен 25 мкм. Однако подвешивание микроболометров на такой высоте над подложкой является трудной технологической задачей, поэтому японской фирмой NEC [11, 12] была использована конструкция, в которой на отражатель наносили толстый (7 мкм) слой нитрида кремния, над которым на высоте (≈4 мкм) подвешивался болометр.
Результирующая оптическая толщина резонатора составила 7 · 1,9 + 4 ≈ 17 мкм, которая достаточна, чтобы обеспечить 90%-ое поглощение на длине волны 100 мкм. Минимальная детектируемая мощность приемника форматом 640 × 480 с размером пиксела 23,5 мкм составила 20 пВт / пиксел на частоте 2,5 ТГц, немного понижаясь в сторону высоких частот (до 10 пВт на 4,3 ТГц) и значительно повышаясь в сторону низких частот (до 600 × 800 пВт / пиксел на 0,6 ТГц).
Другим способом увеличения чувствительности болометра на длинных волнах является применение дополнительных оптических резонаторов, образованных зазором, равным или кратным λ / 2, между микроболометром и просветленным с внешней стороны входным кремниевым окном (рис. 1). Такие резонаторы позволяют существенно увеличить коэффициент поглощения за счет конструктивной интерференции электромагнитного излучения, падающего и отраженного от болометра и затем от внутренней стороны входного окна, или понизить при деструктивной интерференции [13]. Это приводит к тому, что приемник становится узкополосным. Простота этих конструктивных решений позволила фирме NEC (Япония) наладить производство миниатюрных ТГц-камер, обладающих высокой чувствительностью [1]. Основные способы повышения коэффициента поглощения ТГц-излучения для болометров с тонким металлическим поглотителем описаны в работе [14], в которой приведены аналитические соотношения для расчета спектральных зависимостей коэффициента поглощения в болометрических структурах различного типа.
Еще один вариант поглотителя ТГц-диапазона разрабатывается на основе метаматериалов (или частотно-селективных поверхностях-FSS) [15–17]. Такие поглотители представляют собой два тонких слоя металла, разделенные диэлектрическим слоем толщиной d. Один из них – сплошной слой металла, не пропускающий излучения через поглотитель, а второй – FSS-слой – подбирается с таким топологическим рисунком, чтобы он мог обеспечить на некоторых частотах импеданс приемника ZD, равный импедансу вакуума Zv.
В таком случае не будет и отражения падающего излучения, а, следовательно, коэффициент поглощения будет равен единице. Импеданс FSS-слоя может быть представлен в виде последовательной LCR цепи [18]:
,
гдe ω – круговая частота, R – сопротивление, C и L – емкость и индуктивность, величины которых определяются формой частотно-селективной поверхности. Импеданс диэлектрического зазора между двумя слоями металла равен:
,
где Zm – импеданс диэлектрического материала между двумя слоями металла. В итоге полный импеданс структуры (детектора) равен:
.
В резонансе, когда , для длин волн много больших толщины диэлектрического слоя d, получаем, что мнимая компонента импеданса ZD близка к нулю, а значение сопротивления R, при котором реальная компонента импеданса структуры будет равна импедансу вакуума Zv, должно удовлетворять условию
.
На рис. 2 показан фрагмент матрицы двухуровневых микроболометров с ТГц-поглотителем на основе метаматериала. Формат матрицы 384 × 288, размер пиксела 35 мкм. Первый уровень болометра, приподнятый на 3 мкм над полностью отражающем зеркалом, содержит как термочувствительный элемент (VOx), так и терагерцевый поглотитель. Второй уровень, подвешенный на 2,3 мкм выше первого, представляет собой инфракрасный фильтр, состоящий из массива квадратиков форматом 6 × 6, отражающий ИК-излучение и пропускающий терагерцевое излучение. На рис. 3 приведена спектральная зависимость поглотителя на основе метаматериала. Видно, что реализуется достаточно высокий коэффициент поглощения (более 90%) на частотах, соответствующих длинам волн порядка 70 мкм.
Широкополосные болометрические приемники ТГц-диапазона успешно разрабатываются с применением поглотителей на основе черного золота и вертикально ориентированных углеродных нанотрубок (ВОУНТ). Осаждаемое в среде азота золото представляет собой очень рыхлую структуру, состоящую из случайных цепей наночастиц золота. Оно обладает очень малой плотности (до 65 мг / см3), что позволяет делать широкополосные поглотители из толстых (30–50 мкм) слоев черного золота, существенно не увеличивая массу и теплоемкость чувствительной мембраны болометра [19]. Слой черного золота толщиной 30 мкм по массе и теплоемкости эквивалентен сплошному слою золота толщиной 100 нм. Слои черного золота характеризуются удельным сопротивлением ρ от 0,1 до 25 Ом · см, при этом ρ = 0,5 Ом · см является оптимальными для изготовления поглотителей [20]. На основе этой технологии фирма INO (Канада) производит широполосные терагерцевые матричные болометрические приемники. Изображение пикселов такой матрицы показаны на рис. 4 [19]. Такая технология, помимо процесса нанесения черного золота, содержит еще один нестандартный этап производства, а именно: лазерное разрезание слоев черного золота на пикселы. Тем не менее в Канаде поставлено производство терагерцевых камер форматом 384 × 288 пикселов с размером пиксела 35 мкм. Минимальная детектируемая мощность камеры составляет 11–34 пВт / пиксел в диапазоне от 4,25 до 0,198 ТГц, что, учитывая время интегрирования сигнала, равное 40 мкс, при пересчете на полосу частот равную 1 Гц дает мощность, эквивалентную шуму (NEP) от 0,11 до 0,32 пВт / Гц 1 / 2 [21]. Это означает, что «пальма первенства» среди неохлаждаемых приемников терагерцевого излучения принадлежит микроболометрам.
Слои многостенных ВОУНТ так же, как и слои черного золота, имеют малую плотность (20–30 мг / см3 [22]) и могут быть выращены толщиной 50–100 мкм и более, что обеспечивает практически полное поглощение падающего на него излучения от 0,3 до 500 мкм [23, 24].
В настоящее время температура роста ВОУНТ составляет 750–850 °С, что не позволяет их выращивать на болометрах, изготовленных на кремниевых мультиплексорах. Однако были продемонстрированы линейки микроболометров с размером мембраны 100 × 100 мкм, на которых был выращен слой ВОУНТ толщиной 22 мкм (см. рис. 5). При этом в качестве термочувствительного слоя использовался оксид ванадия, наносимый на мембрану до выращивания нанотубок. В процессе выращивания слоя ВОУНТ температурный коэффициент сопротивления VOx понижался от исходного значения –3 % / К до –1,2 % / К, что все еще значительно больше ТКС металлов (≈0,3 % / К).
Детекторы с гетеродинным обнаружением
В гетеродинных детекторах сигналы с ТГц- или суб-ТГц-частотами преобразуются в сигналы с более низкими промежуточными частотами (IF), предоставляя информацию об амплитуде и фазе входного излучения. На протяжении нескольких десятилетий такие детекторы применяются для высокоразрешающих спектроскопических исследований, космического дистанционного зондирования, а относительно недавно стали использоваться для формирования изображения в миллиметровом и субмиллиметровом диапазоне.
Схема гетеродинного детектирования показана на рис. 6. Вдобавок к сигналу Ws и мощности фонового излучения WB добавляется мощность излучения WLO от локального осциллятора (например лазера или любого другого вида узкополосного источника излучения). Локальный осциллятор необходим для обеспечения процесса оптического смешивания. Основными элементами гетеродинных детекторов является смеситель, который необходим для смешивания Ws и WLO и для генерации сигнала на промежуточной частоте .
Ключевым компонентом смесителя является нелинейный смешивающий элемент (детектор), в котором сигнальная мощность и мощность LO излучения взаимодействуют при использовании некоторого вида диплексера (фильтра, предназначенного для объединения сигналов различных диапазонов частот, который служит для объединения двух портов в один). При использовании миллиметровой или субмиллиметровой матрицы выбор смесителя определяется доступностью источника LO мощности в данном спектральном диапазоне, рабочей температурой смесителя и необходимой чувствительностью.
Расчеты предполагают, что LO импульсная мощность, требуемая для смесителей Шоттки, составляет 1 мВт, для смесителей сверхпроводник-диэлектрик-сверхпроводник (SIS) – 40 мкВт и для смесителей на основе болометров с горячими электронами (HEB) – 2 мкВт.
Предполагались потери связи локального осциллятора, равные 3 дБ [8]. Серьезная проблема, которая ограничивает применение гетеродинных матриц в суб-миллиметровой (ТГц) спектральной области (то есть для приложений высокоразрешающей спектроскопии (ν / Δν ≈ 106, где ν – частота, Δν – интервал частот), или фотометрии (ν / Δν ≈ 3–10) и для формирования изображений, лежит в технологических ограничениях твердотельного локального осциллятора (LO) мощности или гетеродина. Из-за значительного ослабления ТГц-волны не очень полезны для дальней связи, но вследствие сильного поглощения большинством материалов ТГц-излучение предоставляет информацию о физических свойствах материалов.
Основным преимуществом систем гетеродинного детектирования является то, что информация о частоте и фазе сигнала с частотой νs преобразуется в частоту νIF, которая находится в намного более низкочастотном диапазоне , соответствующем времени отклика электроники. Это преобразование называется гетеродинным переходом (конверсией). Если частоты сигнала и локального осциллятора равны между собой, тогда (т. е. вырождается в постоянный сигнал), то такой процесс детектирования называется гомодинным переходом.
Для эффективного преобразования и обеспечения низкого шума в миллиметровом и субмиллиметровом спектральных диапазонах может быть использовано только несколько типов детекторов в качестве смесителей. Часто используются приборы, имеющие сильную электрическую квадратичную нелинейность. Примерами являются прямо смещенные диоды (SBD), сверхпроводник-диэлектрик-сверхпроводник (SIS) с туннельным переходом, полупроводниковые и сверхпроводниковые болометры HEBs, сверхрешетки (SL). Схематические вольт-амперные характеристики таких приборов показаны на рис. 7.
Одновременно с разумной эффективностью преобразования и низким шумом эти нелинейные приборы должны обладать высокой операционной скоростью преобразования для обеспечения широкой полосы для последующего усиления сигналов при намного более низких частотах (f ≈ 1–30 ГГц).
При большой LO мощности WLO можно детектировать относительно малую мощность сигнала Ws. Когда такое условие соблюдается (при ), квантовый шум в сигнальном потоке может быть доминирующим шумом и для внутреннего усиления сигнала G = 1 для не фотопроводящих детекторов при отношении сигнала к шуму S / N = 1, следует:
,
а для минимальной обнаруживаемой энергии имеем . Для эффективности связи η = 1 это означает квантовый предел обнаружения сигнала. Так как при этом энергия одного фотона, принимаемая не фотопроводящим детектором, трансформируется в кинетическую энергию одного электрона, который затем пересекает барьер.
Для гетеродинного детектирования может быть показано, что NEP равно (BLIP режим):
.
Заметим, что для гетеродинного детектирования единицами измерения NEP являются Вт / Гц вместо Вт / Гц 0,5, как для прямого детектирования.
Чувствительность гетеродинных детекторов часто дается в терминах температуры шума смесителя Tmix, которая коррелирует с эквивалентной мощностью шума смесителя:
.
Для спектральной зоны λ ≈ 3 мм (ν ≈ 100 ГГц), где есть окно прозрачности атмосферы, значение является фундаментальным пределом шумовой температуры, введенным принципом неопределенности любых одновременных измерений амплитуды и фазы электромагнитной волны.
Предельные значения шумовой температуры гетеродинных ТГц-детекторов часто сравнивают, используя значения . Поскольку гетеродинные детекторы измеряют как амплитуду, так и фазу одновременно, они регулируются принципом неопределенности и, следовательно, они ограничены квантовым шумом при абсолютном уровне шума 48 К / ТГц.
Сравнение гетеродинного и прямого детектирования
Гетеродинное детектирование предлагает высокое спектральное разрешение ν / Δν ≈ 105–106. Очень высокое спектральное разрешение возможно, пока . Но для гетеродинных систем, особенно для SBD-приемников в ТГц-области, критическим компонентом является локальный осциллятор.
В то же время детекторы с прямым детектированием, как правило, действуют в широком спектральном диапазоне, и, когда фотонный фон низок, могут обеспечивать достаточно высокое разрешение. Они предпочтительнее для умеренного спектрального разрешения ν / Δν ≈ 103–104 или ниже, а также для формирования изображений. Детекторы с прямым детектированием могут использоваться в таких применениях, где чувствительность более важна, чем спектральное разрешение.
Иметь ограниченную фоном матрицу детекторов важно с точки зрения исключения, например фонового шума неба, учитывая, что любая пространственно коррелированная компонента этого шума, детектируемая во всех сенсорах в матрице, может быть существенно подавлена. Среди детекторов с прямым детектированием, низкотемпературные болометры обычно обеспечивают наивысшую чувствительность от дальнего инфракрасного до миллиметрового диапазона электромагнитного спектра, обеспечивая ограниченные фоном характеристики с NEP ≈ (0,4–3) · 10–19 Вт / Гц0,5 при рабочей температуре 100–300 мК. В условиях микроволнового фона (CMB) использовались системы когерентных детекторов и некогерентные болометрические системы. Для космических экспериментов наземного базирования применимыми являются оба типа детекторов.
По сравнению с прямым детектированием, гетеродинное детектирование обладает преимуществами и недостатками. Преимущества гетеродинного детектирования заключаются в следующем:
- оно может детектировать частотную модуляцию и фазовую модуляцию;
- доминирующий шум следует из флуктуаций мощности гетеродина WLO, и он более вероятен, чем шум фонового излучения, таким образом, обеспечивается избирательность, например против фонового потока и т. д.;
- процесс преобразования частоты IF обеспечивает усиление так, что выходной сигнал IF детектора может быть сделан больше, чем, например, тепловой и генерационно-рекомбинационный шум;
- усиление преобразования пропорционально WLO / Ws и, таким образом, намного меньшая мощность сигнала излучения может быть обнаружена по сравнению с прямым детектированием.
Недостатками гетеродинного детектирования являются:
- оба пучка должны совпадать и быть равными по диаметру, и также их векторы Пойтинга должны совпадать;
- волновые фронты обоих пучков должны иметь одинаковые радиусы кривизны и иметь похожие структуры поперечных пространственных мод, поэтому они должны быть поляризованы в одном направлении;
- трудности в производстве матриц большого формата.
Системы когерентного детектирования (с SIS или SBD-смесителями), как правило, ограничены в детектировании сигналами с частотами, превышающими 1 ТГц. Гетеродинные HEB-смесители и детекторы прямого детектирования на основе сенсоров, действующих вблизи края перехода в сверхпроводящее состояние (TES), почти не имеют практических ограничений в применении в коротковолновом субмиллиметровом диапазоне [27].
Заключение
Настоящий прогресс в технологии ТГц-детекторов обеспечивается решением технологических проблем, новыми физическими концепциями и явлениями, а также многообещающими приложениями. Характеристики нескольких типов дискретных детекторов и малоформатных матриц, действующих при низких или субкельвиновских температурах (например SIS, HEB, TES и болометры на холодных электронах (CEB)) близки к предельным характеристикам при низком уровне фона. Они охватывают весь ТГц-диапазон. Однако будущее улучшение чувствительности будет обеспечиваться использованием крупноформатных матриц со считыванием в фокальной плоскости для обеспечения высокоразрешающей спектроскопии (ν / Δν ≈ 107) и регистрациипри частотах, превышающих 1 ТГц. Сверхпроводящие HEB-детекторы характеризуются хорошими темновыми характеристиками, высокой скоростью счета, и они также перспективны как счетчики отдельных фотонов в широком ИК-спектральном диапазоне. Сомнительно, что сверхпроводящие HEBs, действующие при высоких температурах, достигнут чувствительности низкотемпературных сверхпроводящих HEBs из-за избыточного шума, но вследствие короткого времени электрон-фононной релаксации эти материалы являются перспективными для широкополосных приборов.
Одной из важных компонент ТГц-технологии являются неохлаждаемые или слегка охлаждаемые ТГц-сенсоры, требующие дальнейшего улучшения чувствительности, которое сделает системы менее сложными и громоздкими. В большинстве миллиметровых и субмиллиметровых 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 / Гц0,5. Представляют интерес и исследования, направленные на создание новых разработок терагерцевых детекторов, например на основе низкоразмерных структур из HgCdTe, на основе PbSnTe: In, на основе квантовых колец и квантовых точек Ge / Si [27]. Неохлаждаемые или слегка охлаждаемые сенсоры на основе, например плазмонного резонанса 2D-электронов в HEMTs перспективны для использования в крупноформатных матрицах в системах с низкой стоимостью. Другие разработанные или разрабатываемые неохлаждаемые ТГц- тепловые детекторы прямого обнаружения с NEP ≈ 10–10–10–11 Вт / Гц0,5 могут быть использованы во многих низкоразрешающих спектроскопических применениях и системах активного наблюдения.
REFERENCES
Oda N. Technology trend in real-time, uncooled image sensors for sub-THz and THz wave detection. Proc. SPIE. 2016;9836:98362P
Simoens F., Meilhan J. Terahertz real-time imaging uncooled array based on antenna- and cavity-coupled bolometers. Philos. Trans. R. Soc. A Math. Phys. Eng. Sci. 2014; 372(2012):20130111.
Simoens F., Meilhan J., Nicolas J.-A. Terahertz real-time imaging uncooled arrays based on antenna-coupled bolometers or FET developed at CEA-Leti. J. Infrared, Millimeter, Terahertz Waves. 2015; 36(10): 961–985.
Oda N. Détecteur matriciel de type bolométrique à température ambiante et camera vidéo pour l’imagerie terahertz. Comptes Rendus Phys. Elsevier Masson SAS. 2010; 11 (7–8): 496–509.
Nemoto N. et al. High-Sensitivity and Broadband, Real-Time Terahertz Camera Incorporating a Micro-Bolometer Array With Resonant Cavity Structure. IEEE Trans. Terahertz Sci. Technol. IEEE. 2016; 6(2): 175–182.
Oulachgar H. et al. Optimization of design and microfabrication of metamaterial-based absorber for terahertz microbolometer. 2014. 39th International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz waves (IRMMW-THz). IEEE. 2014.
Proulx C. et al. The EarthCARE broadband radiometer detectors. Infrared Spaceborne Remote Sensing and Instrumentation XVII / ed. Strojnik M. 2009. P. 74530S.
Yung C. et al. BABAR: black array of broadband absolute radiometers for far infrared sensing. Image Sensing Technologies: Materials, Devices, Systems, and Applications VI / ed. Dhar N. K., Dutta A. K., Babu S. R. SPIE, 2019. P. 109800F.
Tomlin N. A. et al. Overview of microfabricated bolometers with vertically aligned carbon nanotube absorbers. AIP Adv. AIP Publishing. LLC. 2020; 10(5): 055010.
F. Simoens, J. Meilhan, J.-A. Nicolas. Terahertz Real-Time Imaging Uncooled Arrays Based on Antenna-Coupled Bolometers or FET Developed at CEA-Leti. J Infrared Milli Terahz Waves. 2015;36:961–985. DOI 10.1007/s10762-015-0197‑x.
Oda N., Seiji Kurashina, Masaru Miyoshi, Kohei Doi, Tsutomu Ishi, Takayuki Sudou, Takao Morimoto, Hideki Goto, Tokuhito Sasaki. Microbolometer Terahertz Focal Plane Array and Camera with Improved Sensitivity in the Sub-Terahertz Region. J. Infrared, Millimeter, Terahertz Waves. 2015; 36(10): 947–960.
Oda N. Technology Trend in Real-time, Uncooled Image Sensors for sub-THz and THz Wave Detection. Proc. SPIE. 2016; 9836:98362P.
Oda Naoki, Sano Masahiko, Ken’ichi Sonoda et al. Development of Terahertz focal plane arrays and handy camera. Proc. SPIE 8012. Infrared Technology and Applications XXXVII / ed. by B. F. Andresen, G. F. Fulop, P. R. Norton. 2011; 80121B.
M. A. Dem’yanenko, I. V. Marchishin, V. V. Startsev. Absorption of terahertz radiation by a thin metal absorber in conventional and inverted bolometers. OSA CONTINUUM. 2019; 2(6):2085–2097.
H. Oulachgar, P. Mauskopf, M. Bolduc, S. Ilias, J-E. Paultre, D. D’Amato, M. Terroux, T. Pope, C. Alain, P. Topart, H. Jerominek. Design and microfabrication of frequency selective uncooled microbolometer focal plane array for terahertz imaging. Proc. of 38th conference of IRMMW-THz. – Mainz-Germany. 2013.
H. Oulachgar, J.-E. Paultre, F. Provençal, D. D’Amato, P. Beaupré, C. Alain, H. Jerominek. Optimization of design and microfabrication of metamaterial-based absorbers for terahertz microbolometers. Proc. of 39th International Conference on Infrared, Millimeter and Terahertz Waves, IRMMW-THz. 2014.
H. Oulachgar, L. E. Marchese, M. Terroux, S. Ilias, J.-E. Paultre, D. D’Amato, B. Tremblay, Patrick Beaupré Francis Provençal, C. Alain, P. Topart, F. Généreux, H. Jerominek, A. Bergeron. A 384×288 microbolometer-based pixel camera with metamaterial absorbers for real-time terahertz imaging applications. Proc. of the 6th International Conference on Metamaterials, Photonic Crystals and Plasmonics. META’15 New York – USA. 2015.
F. Costa, A. Monorchio, and G. Manara. Analysis and design of ultra thin electromagnetic absorbers comprising resistively loaded high impedance surfaces. IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2010;58(5):1551–1558.
C. Proulx, F. Williamson, M. Allard, G. Baldenberger, D. Gay, S. Garcia-Blanco, P. Côté, L. Martin, C. Larouche, S. Ilias, T. Pope, M. Caldwell, K. Ward, J. Delderfield. The Earth CARE broadband radiometer detectors. Proc. of SPIE. 2009;7453:74530S. doi: 10.1117/12.829935.
Panjwani D. R. Characterization of gold black and its application in un-cooled infrared detectors: Ph.D. dissertation. University of Central Florida. 2015. 143 p.
M. Terroux, P. Talbot, F. Généreux, L. Marchese, E.-H. Oulachgar, A. Bergeron. NEP characterization and analysis method for THz imaging devices. Proc. of SPIE. 2021; 11745:117450L. https://doi.org/10.1117/12.2586094.
A. Okamoto, I. Gunjishima, T. Inoue, M. Akoshima, H. Miyagawa, T. Nakano, T. Baba, M. Tanemura, G. Oomi. Thermal and electrical conduction properties of vertically aligned carbon nanotubes produced by water-assisted chemical vapor deposition. Carbon N. Y. 2011; 49 (1): 294–298.
C. S. Yung, N. A. Tomlin, C. Straatsma, J. Rutkowski, E. C. Richard, D. M. Harber, J. H. Lehman, M. S. Stephens. BABAR: black array of broadband absolute radiometers for far infrared sensing. Proc. of SPIE. 2019; 10980:109800.
N. A. Tomlin, C. S. Yung, Z. Castleman, M. Denoual, G. Drake, N. Farber, D. Harber, K. Heuerman, G. Kopp, H. Passe, E. Richard, J. Rutkowski, J. Sprunck, M. Stephens, C. Straatsma, S. Van Dreser, I. Vayshenker, M. G. White, S. I. Woods, W. Zheng, J. H. Lehman. Overview of microfabricated bolometers with vertically aligned carbon nanotube absorbers. AIP Adv. AIP Publishing. LLC. 2020; 10(5): 055010.
D. Xiao, M. Zhu, L. Sun, C. Zhao, Y. Wang, E. H. T. Teo, F. Hu, L. Tu. Flexible ultra-wideband terahertz absorber based on vertically aligned carbon. ACS Appl. Mater. Interfaces. 2019;11:43671–43680,
A. V. Vojcekhovskij, S. N. Nesmelov, N. A. Kul’chickij, A. A. Mel’nikov, P. P. Mal’cev. Tipy detektorov teragercovogo izlucheniya. NANO- I MIKROSISTEMNAYA TEKHNIKA. 2012; 3: 25–34.
А. В. Войцеховский, С. Н. Несмелов, Н. А. Кульчицкий, А. А. Мельников, П. П. Мальцев. Типы детекторов терагерцевого излучения. НАНО- И МИКРОСИСТЕМНАЯ ТЕХНИКА. 2012; 3: 25–34.
F Sizov. Terahertz radiation detectors: the state-of-the-art. Semicond. Sci. Technol. 2018;33:123001 (26pp). https://doi.org/10.1088/1361–6641/aae473.
АВТОРЫ
Наумов А. В., руководитель направления, Акционерное общество «Оптико-механическое конструкторское бюро Астрон», г. Лыткарино, Московская обл., Россия.
ORCID: 0000-0001-6081-8304
Старцев В. В., к. т. н. главный конструктор, Акционерное общество «Оптико-механическое конструкторское бюро Астрон», г. Лыткарино, Московская обл., Россия.
ORCID: 0000-0002-2800-544X
Кульчицкий Н. А., д. т.н,, заместитель начальника управления, Государственный научный центр РФ, Акционерное общество «Научно-производственное объединение «Орион»; проф. МИРЭА-Российский технологический университет, (РТУ МИРЭА), Москва, Россия.
ORCID: 0000-0003-4664-4891
Демьяненко М. А., старший научный сотрудник, к. ф.‑ м. н., Институт физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН, Новосибирск, Россия.
ORCID: 0000-0002-8840-9446
Отзывы читателей
