基于GaAs/AlxGa1-xAs异质结的量子棘轮太赫兹探测器研究
批准号:
12104061
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
白鹏
依托单位:
学科分类:
半导体基础物理
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
白鹏
中文摘要
太赫兹探测在空间探索、生物医疗及国防安全等领域都具有重要的应用前景。高性能太赫兹探测器件对于前沿科学领域的发展有着重要的意义。目前,已有的太赫兹探测器件存在响应速度不够快,覆盖波段不够宽,工位温度低或成本高昂等问题。为弥补现有器件的不足,本项目提出一种基于GaAs/AlxGa1-xAs量子棘轮的电泵浦太赫兹探测器。这种电泵浦的热载流子注入太赫兹探测器具有结构紧凑、高速/宽带响应等先天优势,且与半导体工艺兼容,制备简单。本项目将研究量子棘轮探测器中的太赫兹光电响应物理机制,阐明低温弱信号下棘轮结构中的光吸收和载流子输运机制,深入理解棘轮效应及热载流子注入效应等一系列关键问题,并结合高精度的材料生长和半导体工艺研究,实现高性能器件研制,为高度集成的室温高速太赫兹探测器研究提供新途径。
英文摘要
Terahertz detection has important application prospects in the fields of space exploration, biomedicine, and national defense security. High-performance terahertz detectors are of great significance to the development of frontier scientific fields. At present, the existing terahertz detection devices have problems such as slow re-sponse speed, narrow coverage band, low operation temperature or high cost. In or-der to make up for the shortcomings of existing devices, we proposes a terahertz de-tector based on GaAs/AlxGa1-xAs quantum ratchet in this project. This electrically pumped hot carrier injection terahertz detector has inherent advantages such as compact structure, high-speed/broadband response, etc., is compatible with semiconductor technology, and is simple to prepare. This project will study a series of key problems. Specifically, we will study the physical mechanism of terahertz photoelectric response in quantum ratchet detectors, clarify the mechanism of light absorption and carrier transport in the ratchet structure under low-temperature weak signals, and deeply understand the ratchet effect and hot car-rier injection effects. In addition, we will combine high-precision material growth and semiconductor process research to realize the development of high-performance devices, providing a new way for the research of highly integrated room temperature high-speed terahertz detectors.
太赫兹探测在空间探索、生物医疗及国防安全等领域都具有重要的应用前景。随着科学的发展和技术进步,为满足宽谱天文学观测、高能粒子探测、高光谱成像、极高灵敏度光谱分析、多波段层析成像等前沿科学领域发展的现实需要,人们对太赫兹探测器的性能也提出了愈加苛刻的要求。目前,太赫兹热探测器如高莱盒、基于VOx的测辐射热计和基于Si的测辐射热计等虽然可以室温工作,然而其响应速度相对较慢,探测波段覆盖范围较窄。光子型太赫兹如量子阱探测器、内光发射探测器及光泵浦热空穴效应探测器等虽然具备高速响应潜力,且响应波段灵活可调,但其工作温度普遍偏低(均在液氦温区工作)。开发一种高速、高灵敏度、高温工作、宽波段响应,且制备工艺简单、成本相对较低的太赫兹探测器件已经成为太赫兹技术研究的焦点和前沿问题。.为弥补现有器件的不足,本项目提出一种基于GaAs/AlxGa1-xAs量子棘轮的电泵浦太赫兹探测器。这种电泵浦的热载流子注入太赫兹探测器具有结构紧凑、高速/宽带响应等先天优势,且与半导体工艺兼容,制备简单。本项目研究了量子棘轮探测器中的太赫兹光电响应物理机制,阐明了低温弱信号下棘轮结构中的光吸收和载流子输运机制,深入理解了棘轮效应及热载流子注入效应等一系列关键问题,并结合高精度的材料生长和半导体工艺研究,实现高性能器件研制,这种光电探测器实现了基于电泵浦热空穴效应的太赫兹光子响应,克服了以激活能为主的光谱响应极限。在负偏压下实现了 4 THz 至 300 THz 的超宽带光响应和 7.2 A/W 的峰值响应率。光电探测器呈现出偏压可调的光子响应特性,同时量子棘轮诱导了一种新的光伏机制,即使在零偏压下也能产生明显的光电流。还系统地研究了光电探测器的整流特性和高温工作的可能性。这项工作不仅展示了一种新型的宽带太赫兹光电探测器,而且为研究量子棘轮或光响应棘轮提供了一种新方法,也为高度集成的室温高速太赫兹探测器研究提供新途径。
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