CN111739950B - 太赫兹光电探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例提供一种太赫兹光电探测器，包括：上层结构；上层结构包括频率选择表面、微带线和肖特基二极管；频率选择表面通过微带线与肖特基二极管连接；频率选择表面用于吸收特定频率的入射波能量；微带线用于汇集入射波能量，并将汇集后的入射波能量传导至肖特基二极管；肖特基二极管用于对入射波能量进行整流，输出对应的直流电信号。本发明实施例提供的太赫兹光电探测器，通过微带线将频率选择表面吸收的入射波能量传导至肖特基二极管，从而利用肖特基二极管整流成直流电信号输出，同时实现了频率选择以及将太赫兹信号转化为直流电信号的功能。
Description
技术领域
本发明实施例涉及光电子领域，更具体地，涉及一种太赫兹光电探测器。
背景技术
目前的太赫兹探测器主要为高莱管、热电堆和测辐射热计等，具有宽谱响应特点，无法满足选频测量的需求。在此类器件前端增加频率选择表面可以实现特定频率的光电探测。另外，在光电探测领域，能够将高频空间太赫兹信号转化为直流电信号是梦寐以求的技术之一。能吸收太赫兹波并输出直流电信号的探测器包括基于肖特基二极管的探测器、场效应晶体管和量子阱探测器等。但是，现有技术中缺乏一种能够同时实现频率选择以及将太赫兹信号转化为直流电信号的太赫兹光电探测器。
发明内容
为了解决上述问题，本发明实施例提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的太赫兹光电探测器。
本发明实施例提供一种太赫兹光电探测器，包括：上层结构；上层结构包括频率选择表面、微带线和肖特基二极管；频率选择表面通过微带线与肖特基二极管连接；频率选择表面用于吸收特定频率的入射波能量；微带线用于汇集入射波能量，并将汇集后的入射波能量传导至肖特基二极管；肖特基二极管用于对入射波能量进行整流，输出对应的直流电信号。
本发明实施例提供的太赫兹光电探测器，通过微带线将频率选择表面吸收的入射波能量传导至肖特基二极管，从而利用肖特基二极管整流成直流电信号输出，同时实现了频率选择以及将太赫兹信号转化为直流电信号的功能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的太赫兹光电探测器的俯视结构示意图；
图2为本发明实施例提供的太赫兹光电探测器的侧视结构示意图；
图3为本发明实施例提供的太赫兹光电探测器在0.2～0.3THz的吸收谱；
图4为本发明实施例提供的肖特基二极管两端电压随频率的变化图。
图中，10：上层结构；11：矩形金属条；12：肖特基二极管；13：微带线；14：电阻；20：中层结构；30：底层结构。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供一种太赫兹光电探测器，参见图1和图2，太赫兹光电探测器包括：上层结构10；上层结构10包括频率选择表面、微带线13和肖特基二极管12；频率选择表面通过微带线13与肖特基二极管12连接；频率选择表面用于吸收特定频率的入射波能量；微带线13用于汇集入射波能量，并将汇集后的入射波能量传导至肖特基二极管12；肖特基二极管12用于对入射波能量进行整流，输出对应的直流电信号。
其中，频率选择表面是指在介质上构筑的二维周期结构表面，具有空间滤波的功能，能反射、透射或吸收一定频段的电磁波，其频率选择特性主要取决于结构单元的形状和尺寸。目前，频率选择表面已覆盖从微波波段到光波段。基于上述特性，频率选择表面的重要应用是雷达散射截面缩减(RCS)或滤波器，而非直接作为天线，这限制了整体器件的吸收和转换效率。
其中，肖特基二极管12具有灵敏度高，响应快，能在室温下工作等优势，截止频率可达7.4THz。同时平面型的肖特基二极管12便于与外电路集成，已适用于太赫兹波段的整流和混频，在成像系统、探测系统和通信系统等领域中有广泛的应用。
具体地，太赫兹光电探测器可由多层结构组成，其中，上层结构10是位于最上层的结构。在上层结构10中，通过微带线13将频率选择表面和肖特基二极管12直连，从而能够将空间太赫兹波耦合为直流电驱动负载。其中，可通过设计不同形状和尺寸的结构单元，调整频率选择表面所吸收的入射波或电磁波的频段。微带线13可对整个频率选择表面所吸收的入射波能量进行汇集，汇集后统一输出到肖特基二极管12；肖特基二极管12将入射波能量整流成直流电信号。
本发明实施例提供的太赫兹光电探测器，通过微带线将频率选择表面吸收的入射波能量传导至肖特基二极管，从而利用肖特基二极管整流成直流电信号输出，同时实现了频率选择以及将太赫兹信号转化为直流电信号的功能。
另外，该太赫兹光电探测器相比于用螺旋天线结合肖特基二极管的太赫兹宽带检测器，无需硅透镜，厚度更薄，加工工艺更简单，成本更低，且具有频率选择性并可根据需要灵活调整的优点。与目前已有的在微波波段用频率选择表面结合二极管的探测器相比，本发明实施例提供的太赫兹光电探测器的结构一体化程度更高，所用二极管数目更少，厚度更薄。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，频率选择表面包括由多个矩形金属条11周期性排列形成的金属条阵列；金属条阵列中位于同一行的矩形金属条11通过一条微带线13连接。
具体地，频率选择表面的结构单元为矩形金属条11，该矩形金属条11按照周期性排列，形成金属条阵列。该阵列可以由m行×n列的矩形金属条11排列而成。那么，位于同一行的矩形金属条11可通过一条微带线13连接起来，具体可以与矩形金属条11的一个端部连接，从而使得一条微带线13能够汇聚同一行的全部矩形金属条11所吸收的入射波能量。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，金属条阵列包括相邻的第一行矩形金属条和第二行矩形金属条；微带线13包括第一微带线和第二微带线；第一微带线与第一行矩形金属条中各矩形金属条11的第一端连接，第二微带线与第二行矩形金属条中各矩形金属条11的第二端连接；第一端与第二端为矩形金属条11相对的两端；肖特基二极管的两端分别与第一微带线以及第二微带线连接。
具体地，参见图2，位于上部的八个矩形金属条11形成的一行矩形金属条11可以理解为第一行矩形金属条，位于下部的八个矩形金属条11形成的一行矩形金属条11可以理解为第二行矩形金属条。那么，位于上部的微带线13可以理解为第一微带线，位于下部的微带线13可以理解为第二微带线。矩形金属条11的下方可以理解为第一端，矩形金属条11的上方可以理解为第二端；那么，肖特基二极管的一端可以与第一微带线连接，肖特基二极管的另一端可以与第二微带线连接。从而肖特基二极管可以汇聚第一行矩形金属条和第二行矩形金属条中吸收的入射波能量。另外，应当说明的是，上述第一行矩形金属条和第二行矩形金属条应当理解为金属条阵列中任意相邻的两行金属条，并不局限于金属条阵列中的按照顺序排列的第一行金属条和第二行金属条。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，上层结构10还包括：电阻14；电阻14代表开路；电阻14的两端分别与第一微带线的端部以及第二微带线的端部连接；肖特基二极管的两端分别与第一微带线的中部以及第二微带线的中部连接。其中，电阻14的阻值可以为1MΩ，本发明实施例对此不作限定。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，肖特基二极管12还用于通过微带线13输出直流电信号。换言之，微带线13还可作为直流电信号的导线，输出肖特基二极管12输出的直流电信号。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，太赫兹光电探测器还包括：中层结构20和底层结构30；底层结构30、中层结构20和上层结构10从下至上依次设置。其中，中层结构20由高分子薄膜制成，高分子薄膜在太赫兹波段的相对介电常数小于设定介电常数，且损耗值小于设定损耗值。其中，底层结构30为金属底板，金属底板与矩形金属条11的金属材料种类及厚度均相同。即太赫兹光电探测器由金属-介质-金属三层构成一体化结构。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，金属材料种类为金、铜、银和铝中的任意一种；高分子薄膜为聚四甲基戊烯、聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯和聚四氟乙烯中的任意一种。其中，聚四甲基戊烯、聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯和聚四氟乙烯均为在太赫兹波段介电常数低且损耗少的高分子薄膜。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，金属底板与矩形金属条11的厚度为0.2～1μm之间，中层结构20的厚度为5～50μm之间；相对介电常数为2.0～2.5之间，中层结构20的损耗正切角为0～0.05之间。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，矩形金属条11的长度为100～750μm之间，宽度为50～700μm之间，厚度为0.2～1μm之间；频率选择表面的横向周期为100～800μm之间，纵向周期为150～850μm之间。其中，横向周期是指相邻的两个矩形金属条11之间沿横向的距离，纵向周期是指相邻的两个矩形金属条11之间沿纵向的距离。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，微带线13的宽度为2～20μm之间，厚度为0.2～1μm之间。
基于上述实施例的内容，本发明实施例还提供一种太赫兹光电探测器的具体实例，如下：太赫兹光电探测器分为三层结构。其侧视结构如图1所示。上层结构10为周期性矩形金属条11阵列；中层结构20为介质层，其厚度为12μm，采用聚丙烯材料，其介电常数εr＝2.1+0.0005i；底层结构30是厚度为0.5μm的铜层。探测器的俯视结构如图2所示，上层周期性矩形金属条11阵列的横向周期为304μm，纵向周期398μm。其中，矩形金属条11长298μm、宽48μm、厚度为0.5μm，材料为铜，其电导率为5.8e7S/m。每行与8个矩形金属条11相连的微带线13的宽度为10μm，厚度为0.5μm，材料也为铜。上层结构10还包括作为集总元件的肖特基二极管12和代表开路的电阻14(1MΩ)。肖特基二极管12的参数为RS＝20Ω,Ctot＝1.3×10-14F,GS＝1.67×10-4S,I0＝10-4A,T＝300K，这里忽略寄生参数和趋肤效应等因素的影响。肖特基二极管12位于8个矩形金属条11的中间，与相邻的两条微带线13相连。代表开路的电阻14也与相邻的两条微带线13相连，但位于微带线13的一端。
采用有限元方法对结构进行仿真设计，入射波频率范围设为0.2～0.3THz，偏振方向沿Y方向，功率为1μW。
本实施例对太赫兹光电探测器进行仿真设计以及响应度的理论计算。当上层矩形金属条11内自由电子的固有频率与入射波频率相同时，形成共振，吸收峰在0.24THz附近，如图3所示。同时，通过用微带线13连接同一行的多个金属条，将多个金属条所捕获的电磁波能量收集起来、并传导至肖特基二极管12上整流，然后以直流电信号输出。入射波功率设定为Pi＝1μW,1MΩ电阻14两端的电压相当于开路时的输出电压VOutput,则探测器的理论响应度为R＝VOutput/Pi。如图4所示，在1μW入射波照射下，开路电压在吸收峰0.24THz处达到最大，约为0.014V，因此，所设计探测器的理论响应度为14000V/W。
综上，本发明实施例填补现有技术空白，提供了一种基于频率选择表面的太赫兹光电探测器的设计方案。采用对太赫兹波段能量损耗低的材料，并引入微带线将频率选择表面的多个结构单元所吸收的能量汇集到肖特基二极管上，从而提高探测器的响应度和一体化程度。该探测器探测的单一频率在0.1-7.4THz范围内，输出直流电信号用于探测。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (9)
1.一种太赫兹光电探测器，其特征在于，包括：上层结构；
所述上层结构包括频率选择表面、微带线和肖特基二极管；所述频率选择表面通过所述微带线与所述肖特基二极管连接；
所述频率选择表面用于吸收特定频率的入射波能量；
所述微带线用于汇集所述入射波能量，并将汇集后的所述入射波能量传导至所述肖特基二极管；
所述肖特基二极管用于对所述入射波能量进行整流，输出对应的直流电信号；
所述肖特基二极管还用于通过所述微带线输出所述直流电信号；
还包括：中层结构和底层结构；所述底层结构、所述中层结构和所述上层结构从下至上依次设置；
所述中层结构由高分子薄膜制成，所述高分子薄膜在太赫兹波段的相对介电常数小于设定介电常数，且损耗值小于设定损耗值；
所述底层结构为金属底板。
2.根据权利要求1所述的太赫兹光电探测器，其特征在于，所述频率选择表面包括由多个矩形金属条周期性排列形成的金属条阵列；所述金属条阵列中位于同一行的所述矩形金属条通过一条所述微带线连接。
3.根据权利要求2所述的太赫兹光电探测器，其特征在于，所述金属条阵列包括相邻的第一行矩形金属条和第二行矩形金属条；所述微带线包括第一微带线和第二微带线；
所述第一微带线与所述第一行矩形金属条中各所述矩形金属条的第一端连接，所述第二微带线与所述第二行矩形金属条中各所述矩形金属条的第二端连接；所述第一端与所述第二端为所述矩形金属条相对的两端；
所述肖特基二极管的两端分别与所述第一微带线以及所述第二微带线连接。
4.根据权利要求3所述的太赫兹光电探测器，其特征在于，所述上层结构还包括：电阻；所述电阻代表开路；所述电阻的两端分别与所述第一微带线的端部以及所述第二微带线的端部连接；所述肖特基二极管的两端分别与所述第一微带线的中部以及所述第二微带线的中部连接。
5.根据权利要求2所述的太赫兹光电探测器，其特征在于，还包括：
所述金属底板与所述矩形金属条的金属材料种类及厚度均相同。
6.根据权利要求5所述的太赫兹光电探测器，其特征在于，所述金属材料种类为金、铜、银和铝中的任意一种；所述高分子薄膜为聚四甲基戊烯、聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯和聚四氟乙烯中的任意一种。
7.根据权利要求5所述的太赫兹光电探测器，其特征在于，所述金属底板与所述矩形金属条的厚度为0.2～1μm之间，所述中层结构的厚度为5～50μm之间；所述相对介电常数为2.0～2.5之间，所述中层结构的损耗正切角为0～0.05之间。
8.根据权利要求2所述的太赫兹光电探测器，其特征在于，所述矩形金属条的长度为100～750μm之间，宽度为50～700μm之间，厚度为0.2～1μm之间；所述频率选择表面的横向周期为100～800μm之间，纵向周期为150～850μm之间。
9.根据权利要求1所述的太赫兹光电探测器，其特征在于，所述微带线的宽度为2～20μm之间，厚度为0.2～1μm之间。
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