太赫兹超导动态电感探测器性能表征用零差混频系统研制

零差混频系统（Homodyne mixing system）对太赫兹超导动态电感探测器（Kinetic inductance detectors, KIDs）性能表征具有重要的作用。然而,零差混频系统仍存在混频器不平衡性、测量系统集成、干扰信号等问题。作者设计新型的单通道零差混频硬件系统,结合软件算法实现了测量系统的集成化、IQ混频器不平衡性校准、KID的性能表征;同时实现了在VNA（vector network analyzer）CW模式下的KIDs噪声测量;以及基于自相关算法的双通道零差混频硬件电路设计,有效的抑制了干扰信号。值得注意的是,这些研究成果被应用于表征KIDs 性能,对KIDs阵列设计起到了重要的作用。     

基于超导HEB混频器的太赫兹超宽带耦合电路设计

超导HEB（Hot Electron Bolometer）热电子混频器是1THz以上灵敏度最高的相干探测器,为了进一步提高其灵敏度,有效减小射频信号在传输路径中的损耗,实现超导HEB混频器的超宽带混频功能,设计高耦合效率的射频匹配电路尤为重要。首先提出了混频器耦合电路的理论模型,然后采用三维电磁场仿真软件HFSS和类似于准光学天线的集总源法,设计了一种超宽带、低损耗的太赫兹信号耦合电路,对超导HEB混频器的嵌入阻抗在整个0.9~1.3THz的工作频带范围内进行了详细的分析。系统研究了低通滤波器中高低阻抗线结构,波导到微带转换中存在的高次模对射频信号传输的影响,并模拟仿真了实验中可能出现的磨片厚度误差对嵌入阻抗的影响。分析结果表明,该混频器的嵌入阻抗为35Ω-j10Ω左右,在整个工作频带内变化缓慢,能够实现超宽频带匹配,混频器的相对工作带宽可达到36%,仿真结果和理论模型计算结果完全一致。该研究结果对研制超宽带高灵敏度的超导HEB混频器具有很好的指导意义。     

太赫兹探测器读出电路的单电子晶体管制备

射频单电子晶体管具有高电荷灵敏度和高读出速率的特点,可用于超导太赫兹单光子探测器产生的微弱电荷信号的读出。采用绝缘体上硅(SOI)材料制备的硅基单电子晶体管具有结构可控、工艺可重复的优点。但是,目前单电子晶体管的成品率约为30%,难以满足探测器阵列化的需求。为进一步提高单电子晶体管成品率,首先采用电子束零宽度线曝光工艺精确设定单电子晶体管的图形,其次对感应耦合等离子体刻蚀工艺中的气氛比例进行优化,实现电子束曝光图形的良好转移。最后通过降低氧化温度进一步保持了图形转移的准确度。单电子晶体管的隧穿势垒宽度得到了良好的控制,使成品率提高到90%,增强了单电子晶体管作为阵列化超导太赫兹单光子探测器读出电路的可行性。     

新型量子光电探测器读出与显示

对一种响应近红外的新型量子光电探测器特性进行测试和分析,给出了2×8探测器阵列和读出电路的对接测试结果,设计初步的成像系统采集显示焦平面输出。探测器有一个-0.8V的阈值电压,偏压大于阈值电压后器件响应率远大于1A/W,且响应率随光照功率增大减小。2×8探测器阵列与设计的读出电路通过Si基板对接后在77K条件测试,读出电路的线性度好于99.5%,信噪比达到67dB,探测器偏压为-1.5V,积分时间为200μs时探测器率达到1.38×1010cmHz1/2/W,达到实际应用的要求。设计了数据采集卡和成像系统验证了对接样品的实用性。     

太赫兹量子级联激光器及其光束表征技术

简要介绍太赫兹量子级联激光器(THz QCL)的工作原理及其进展。研究多个器件输出激光的光束质量,分别采用热探测器阵列和THz量子阱探测器(THz QWP)表征连续激射和脉冲激射THz QCL激光的光束图形,对比分析不同热探测器阵列对THz激光的表征能力,比较热探测器阵列和THz照相机对平行THz激光表征的差异。分析光束改善后THz激光光斑的尺寸、二维强度分布等特点,根据对THz QCL输出激光的改善效果,给出采用外部手段改善THz QCL激光光束的几种方法。研究表明,除了采用精细的波导工艺之外,锗(Ge)透镜、超半球高阻硅透镜和聚乙烯透镜都是外部改善技术中很好的手段。     

线阵碲镉汞探测器对纳秒脉冲激光的反常响应规律及机理

利用纳秒激光辐照PV型线阵HgCdTe探测器的局部光敏元,获得了该类器件损伤前被辐照和未被辐照像元输出信号随激光能量密度变化的全部响应规律,指出基底信号二阶段响应和光信号六阶段响应的规律特点,同时给出不同响应阶段激光能量密度阈值范围;发现了基底信号整体跃变的零压输出、光响应信号输出凹陷-回升-凸起等反常响应现象;并从探测器读出电路和热生电动势的角度揭示了反常响应现象的产生机理,希望能加强对阵列型HgCdTe探测器光响应特性的深刻认识,为该类器件的技术创新提供启示。     

二维铁电材料调控下的石墨烯超灵敏太赫兹探测器

石墨烯具有缺陷密度低、易大面积转移,载流子迁移率高等优异特性,但石墨烯具有的零带隙能带结构导致光生载流子寿命不高,制约了其在高灵敏光电探测器的应用。本工作中利用铁电材料CuInP₂S₆（CIPS）做顶栅来调控石墨烯的光电特性,探索了提升石墨烯太赫兹探测器灵敏度的可能性,研究了基于铁电调控下的石墨烯光热电效应和等离子体波自混频效应的探测机理,得到了高性能的石墨烯太赫兹探测器。在40 mV的偏置电压和2.12 V的栅压下,该器件在0.12 THz波段辐射下达到了0.5 A/W的响应率,响应时间为1.67 μs,噪声等效功率为0.81 nW/Hz^1/2。在0.29 THz波段辐射下仍达到了0.12 A/W的响应率,且噪声等效功率为1.78 nW/Hz^1/2。该工作展示了二维铁电异质结构在太赫兹波段中的巨大应用前景。     

高灵敏度的量子效应探测器的建模和微光探测

针对新型量子点-量子阱光电探测器在不同的辐照功率和器件偏压下的电特性测试,采用曲线拟合的方法,得到不同辐照光功率下的I-V、C-V之间的函数关系,应用Verilog-A语言建立等效电路模型,然后利用电路模拟软件进行验证,为读出电路的设计提供准确的便于和读出电路一起模拟仿真的探测器模型。针对这种探测器低温下具有的暗电流小、灵敏度高、光电转换效率高等优点,设计了电容反馈互阻放大器(CTIA)和相关双采样(CDS)结构的读出电路。芯片集成后和2×8阵列的量子效应探测器封装在陶瓷基板上,低温下(77 K)采用633 nm He-Ne激光聚焦照射探测器,测试得到探测器的微光响应电压。实验结果表明,当器件在50 pW光功率、29.3μs的积分时间、偏压约-3.1 V时,读出电路与探测器对接后12个像元有响应电压;增大光功率至500 pW时,16个像元都有响应;读出电路与探测器对接后平均响应电压为18 mV,平均电压响应率达到3.6×107 V/W。     

横向多晶硅p+p-n+结非致冷红外焦平面

应用标准CMOS工艺,同时结合体硅微机械加工技术,研制成功横向多晶硅p p-n 微测辐射热计单元;基于研制成功的微测辐射热计,设计了规模为128×128面阵的非致冷红外焦平面.采用标准CMOS工艺制作横向多晶硅p p-n 结热敏响应元和读出电路;在CMOS工艺完成后,辅以与CMOS工艺兼容的体硅微机械加工工艺,制备微桥形式的热绝缘结构,从而方便地实现了CMOS读出电路与探测器阵列的单片集成.在3～5 μm红外波段,微测辐射热计的电压响应率为5.7×103 V/W,黑体探测率D·为1.2×108 cm·Hz1/2·W-1.焦平面采用行读出模式的结构,信号读出采用栅调制积分电路,输出级采用外接负载电阻的源极跟随电路,将探测器单元产生的信号按顺序串行单端输出.     

320 × 256 InGaAs短波红外焦平面阵列探测器

研制了320×256 InGaAs焦平面阵列(FPA)探测器,它由InGaAs光电二极管阵列(PDA)与Si CMOS集成读出电路(ROIC)通过In凸点倒焊技术混合集成。背照射工作方式下其响应光谱范围为0.9~1.7μm。为实现InGaAs PDA与所设计的可调积分电容跨阻抗反馈放大器接口电路良好匹配,分析讨论了InGaAs光电二极管响应度、暗电流、结电容等光电特性对表征InGaAs FPA的主要性能指标的影响,优化了InGaAs光电二极管单元结构设计。采用优化结果研制的320×256 InGaAs FPA,在室温下的峰值探测率达到6×1012cm.Hz1/2.W-1,动态范围达到68 dB。     

一种弱光成像用AlGaN APD阵列的读出电路设计

设计了64×64 AlGaN雪崩光电二极管(APD)阵列的读出电路,该读出电路采用了具有稳定探测器偏压能力的电容跨阻抗放大器(CTIA)结构。利用APD的等效电路模型,推导了电荷-电压转换因子(CVF)与积分电容、放大器增益的关系。为增加最大探测光电流、降低响应的非均匀性,利用上述关系得到积分电容为70fF,放大器增益为300。读出电路的地址选择采用移位寄存器来实现,并采用电压缓冲器实现信号的输出。     

256×1线列InGaAs短波红外焦平面的研究

利用分子束外延(MBE)方法生长的掺杂InGaAs吸收层PIN InP/InGaAs/InP双异质结外延材料,通过台面制作、硫化后覆盖聚酰亚胺钝化、电极生长等工艺,制作了台面构造的256×1正照射InGaAs探测器阵列。测试了器件的I-V特性与响应光谱,得出器件的暗电流Id、零偏压电阻R0、G因子;通过信号和噪声的测试,计算出了在278K时的平均峰值探测率为1.33×1012cmHz1/2W-1。256元InGaAs探测器阵列与CTIA结构L128读出电路相互连,经封装后成功制备256×1线列InGaAs短波红外焦平面,在室温(300K)时测得256元响应信号,其响应不均匀性为19.3%。     

基于CMI及差分电流的紫外读出集成电路的研究

本文提出了一种基于电流镜镜像积分(CMI)及差分电流结构的GaN紫外探测器读出电路结构,分析了该读出电路结构的工作原理及特点.通过SPICE对电路结构进行了仿真验证,结果显示该读出电路结构可以对探测器的光响应电流信号进行有效的读取.     

集成AlGaN/GaN HEMT混频探测器的太赫兹矢量测量系统

矢量测量是表征太赫兹波段天线与准光系统波束特性的主流技术。该文介绍了一种基于AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(High-electron-mobility transistor, HEMT)混频探测器的太赫兹矢量测量系统。该系统核心器件为以准光-波导为耦合方式的高灵敏度太赫兹混频探测器,在340 GHz频率外差模式下,其噪声等效功率达-113 dBm/Hz。为了抑制系统相位噪声,搭建了基于二次下变频原理的硬件电路。通过对固定位置天线的长时间测量,表明系统相位稳定度优于4°,系统最小可测功率达到119 nW。基于相干AlGaN/GaN HEMT混频探测器实现了太赫兹连续波幅度和相位分布测量,该工作为后续阵列化太赫兹矢量测量提供了基础。     

256×256焦平面阵列读出电路数字控制研究

随着探测器阵列规模的快速发展,探测器阵列信号的整帧读出时间加长,在实时成像和光谱测试等方面遇到一些问题.文章主要针对256×256红外焦平面阵列进行数字控制研究,并着重对读出电路多通道输出控制方式进行讨论.该控制模式成功应用在256×256焦平面阵列读出电路中,在同样的主钟控制下,使帧读出时间缩短为原来的2/3(双通道输出)和2/5(四通道输出),在实际测试和检验中得到很好的效果.     

六氮五铌微测热辐射计太赫兹阵列探测芯片研究

太赫兹技术在安检成像等领域具有重要的应用前景,然而当前太赫兹技术应用面临高灵敏度太赫兹探测器缺乏的困难,因此开发检测灵敏度高、响应速度快、可室温工作、便于集成超大规模阵列的探测芯片具有重要科学意义和实际应用价值。太赫兹波段的微测热辐射计(microbolometer)阵列芯片和红外相机读出电路兼容,是最先实现太赫兹相机的芯片,成为研制太赫兹相机的主流。我们研制的Nb_5N_6 microbolometer阵列器件,由于可常温工作、工艺简单、检测灵敏度高、响应速度快、便于集成超大规模阵列,受到了国际科学界和工业界的关注。就Nb_5N_6 microbolometer太赫兹阵列探测芯片在设计制备过程中遇到的一些关键技术问题,如衬底干涉效应、高效耦合结构设计、低噪声读出电路设计、及焦平面阵列与读出电路的封装集成等,进行介绍和总结,为大规模太赫兹阵列探测芯片的设计与制备提供参考。     

基于氧化钒热敏特性的太赫兹探测器

采用氧化钒(VOX)薄膜作为热敏层的非制冷红外微测辐射热计在红外探测方面已取得很大成功,而当将其用于波长更长的远红外太赫兹(THz)波探测时其中存在的不足就会体现出来。介绍了基于微测辐射热计设计的 THz 探测器所需的 THz 波吸收材料、VOX热敏材料及信号读出电路应满足的基本要求,为研制 THz 波探测器提供了必要参考,并给出已研制成功的 VOX热敏薄膜材料的部分性能实验结果。     

亚毫米波与太赫兹信号的频谱分析

亚毫米波和太赫兹技术的发展对测试设备提出了更高的频率要求,可以采用频谱仪外接混频器的方式测量亚毫米波和太赫兹信号的频谱。基于谐波混频的原理,提出了利用较低频带的混频器测量更高频率的信号频谱的方法,试验中选用了一个W波段的无预选器的谐波混频器,测量对象是约0.2 THz的信号,利用Visual Basic语言编写程序对测试结果进行分析,测试结果表明这种方法切实可行。     

宽波段低虚警率激光告警电路研究

为满足复杂电磁环境下的使用要求,克服强背景光干扰造成的高虚警率,设计了一种具有较强的抗电磁干扰能力和低虚警率的激光告警电路。分析了现有各种激光探测技术的特点和不足,有针对性的采用了模拟电路和数字电路相结合的方式,在模拟电路部分实现了探测激光波段的改进,在数字电路部分实现了虚警率的降低。范围采用灵敏度高、响应带宽宽的光电探测器作为来袭激光接收装置,可探测探测器响应频带内不同波段的来袭激光信号。基于可编程逻辑控制器件(CPLD)的逻辑驱动控制电路能按程序给定的规则判别来袭激光信号的脉冲宽度,排除干扰光信号造成的误判,降低虚警率。测试结果表明,该电路的放大电路增益G=30,信噪比为20dB,探测距离≤5km,探测波长范围为850～1 700nm,虚警率≤5%。     

0.1 THz鳍线单平衡式基波混频电路研究

研究了一种基于石英基片的0.1 THz频段的鳍线单平衡混频电路,混频电路的射频和本振信号分别从WR10标准波导端口通过波导单面鳍线微带过渡和波导微带探针过渡输入,中频信号通过本振中频双工器输出。这是一种新型的混频电路形式,与传统的W波段混频器相比,混频电路可以省略一个复杂的W波段滤波器,具有电路设计简单、安装方便的特点。该电路使用两只肖特基二极管通过倒装焊工艺粘结在厚度为75 m的石英基片上,石英基片相对传统基板,可以极大提高电路加工精度。在固定50 MHz中频信号时,射频90~110 GHz范围内,0.1 THz混频器单边带变频损耗小于9 dB。