硅基阻挡杂质带太赫兹探测器及其成像研究

doi:10.12263/DZXB.20190791

电子学报 ›› 2021, Vol. 49 ›› Issue (9): 1867-1872.DOI: 10.12263/DZXB.20190791

所属专题：硅基半导体器件新进展

硅基阻挡杂质带太赫兹探测器及其成像研究

王兵兵¹^,²^,³, 王晓东³, 陈雨璐³, 张传胜³, 臧元章³, 潘鸣³, 曹俊诚¹^,²

^1.中国科学院上海微系统与信息技术研究所中国科学院太赫兹固态技术重点实验室，上海 200050
^2.中国科学院大学材料与光电研究中心，北京 100049
^3.中国电子科技集团公司第五十研究所，上海 200331

收稿日期:2019-07-10 修回日期:2021-03-03 出版日期:2021-10-21
- 作者简介:
- 王兵兵　男，1985年生，安徽颍上人.高级工程师，主要从事太赫兹半导体器件、探测及成像应用等研究工作. E-mail:wbb0308201@163.com
  曹俊诚（通信作者）　男，1967年出生，江西万年人.中国科学院上海微系统与信息技术研究所研究员、博士生导师，长期从事太赫兹（THz）半导体器件及其通信与成像应用等研究工作.E-mail:jccao@mail.sim.ac.cn
- 基金资助:
- 国家自然科学基金 (61705201); 国家重点研发计划 (2017YFA0701005); 上海市科学技术委员会 (18590780100)

Study on the Silicon Based Blocked-Impurity-Band Terahertz Detector and Its Application for Imaging

WANG Bing-bing¹^,²^,³, WANG Xiao-dong³, CHEN Yu-lu³, ZHANG Chuan-sheng³, ZANG Yuan-zang³, PAN Ming³, CAO Jun-cheng¹^,²

^1.Key Laboratory of Terahertz Solid State Technology, Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology, Shanghai 200050, China
^2.Center of Materials Science and Optoelectronics Engineering, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
^3.The 50th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation, Shanghai 200331, China

Received:2019-07-10 Revised:2021-03-03 Online:2021-10-21 Published:2021-09-25
- Supported by:
- National Natural Science Foundation of China (61705201); National Key Research and Development Program of China (2017YFA0701005); Science and Technology Commission of Shanghai Municipality (18590780100)

摘要/Abstract

摘要：

太赫兹探测及成像技术是推动太赫兹科学技术发展的基础和关键.为了实现高灵敏太赫兹探测及成像，设计了一种台面型硅基阻挡杂质带太赫兹探测器，详细介绍了其结构及探测机理，描述了其制备工艺流程，并搭建了黑体响应测试系统.结果表明，4.2K温度条件下，3.8V工作偏压时，探测器峰值响应率可达55A/W，响应频段覆盖6.7~60THz.此外，搭建了一套两维扫描成像系统，实现了高分辨率被动成像.实验结果表明，成像系统空间分辨率可达400μm、温度分辨率约为7.5mK.

关键词: 阻挡杂质带, 太赫兹探测器, 峰值响应率, 扫描成像, 分辨率

Abstract:

Terahertz detection and imaging technology are the foundation and key to promote terahertz technology development. In order to realize high sensitivity terahertz detection and imaging, a mesa-type silicon-based blocked-impurity-band (BIB) terahertz detector is designed. The structure and detection mechanism of the detector are introduced in detail. The preparation processes are presented briefly. A series of its photoelectric performances are investigated. A blackbody responsivity test system is built. The results show that at 4.2K temperature and 3.8V bias, its peak responsivity reaches 55A/W, and the response spectrum covers the frequency range from 6.7~60THz. In addition, a scan imaging system is set, and the high-resolution passive imaging is achieved. The imaging result shows that the spatial resolution and the temperature resolution of the imaging system can reach about 400μm and 7.5mK, respectively.

Key words: blocked impurity band, terahertz detector, peak responsivity, scanning imaging, resolution

中图分类号:

O471.5

王兵兵, 王晓东, 陈雨璐, 等. 硅基阻挡杂质带太赫兹探测器及其成像研究[J]. 电子学报, 2021, 49(9): 1867-1872.

Bing-bing WANG, Xiao-dong WANG, Yu-lu CHEN, et al. Study on the Silicon Based Blocked-Impurity-Band Terahertz Detector and Its Application for Imaging[J]. Acta Electronica Sinica, 2021, 49(9): 1867-1872.

图/表 12

图1 N型阻挡杂质带太赫兹探测器在外加偏压下能带结构示意图

表1 硅掺磷阻挡杂质带太赫兹探测器建模参数表

参量	参数值
吸收层厚度	45μm
吸收层P掺杂浓度	~10¹⁶cm^-3
吸收层受主杂质浓度	<1×10¹³cm^-3
阻挡层厚度	10μm
阻挡层施主杂质浓度	<1×10¹⁴cm^-3
阻挡层受主杂质浓度	<1×10¹³cm^-3
阻挡层与吸收层间过渡区厚度	<2μm
光敏元大小	400μm×400μm
工作温度	4.2K
工作偏压	-4V ~ 4V

图2 硅掺磷阻挡杂质带太赫兹探测器结构示意图

图3 硅掺磷阻挡杂质带太赫兹探测器制备流程图

图 4 黑体响应率测试系统示意图

图 5 硅掺磷阻挡杂质带太赫兹探测器响应率测量结果

图 6 硅掺磷阻挡杂质带太赫兹探测器归一化相对响应光谱

图 7 硅掺磷阻挡杂质带太赫兹探测器暗电流测量结果

图 8 硅掺磷阻挡杂质带太赫兹探测器峰值探测率D*(λP) 随偏压变化关系

图9 两维扫描成像系统示意图

表2 扫描成像系统参数表

系统参量	参数值
入瞳大小 $D S$	50.8mm
系统焦距 $F S$	152.4mm
镜1口径 $d$	76.2mm
镜1焦距 $f$	152.4mm
镜2口径 $D$	50.8mm
镜2焦距 $F$	76.2mm
半锥角 $α$	18.4°

表2 扫描成像系统参数表

系统参量	参数值
入瞳大小 $D S$	50.8mm
系统焦距 $F S$	152.4mm
镜1口径 $d$	76.2mm
镜1焦距 $f$	152.4mm
镜2口径 $D$	50.8mm
镜2焦距 $F$	76.2mm
半锥角 $α$	18.4°

图10 373.15K烙铁头成像结果

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Study on the Silicon Based Blocked-Impurity-Band Terahertz Detector and Its Application for Imaging

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