专利名称：探测电磁辐射的设备和方法
探测电磁辐射的设备和方法
背景技术：
位于千兆-太赫兹(THz)频率范围的电磁波区域近来在科学和技术的各种领域中已日益得到关注。部分地，由于即将到来的对更高频率计算机通信通道和系统的需求引起这种关注。另外，大的生物和化学剂的毒性分子在THz区域中具有共振吸收线，因此，例如能够实现不同人类组织的X射线断层术。同样地，也可完成某些(化学)武器和爆炸物的探测。其他潜在的应用可以包括材料中结构和其他缺陷的探测、食品检测和天体的研究。
发明内容
下列是本发明的例证性实施方式的概括描述。提供其作为序文以帮助本领域技术人员更快地消化随后的详细的设计讨论，该详细的设计讨论不意欲以任何方式限制权利要求的范围，权利要求附于此以便具体的指出本发明。下文公开的实施方式基于包含具有掺入缺陷(incorporated defect)的二维 (2D)载流子(电子或者空穴)层的半导体系统中的等离体子(plasmon)的共振激发，提供新的快速、便携式的、微型电磁辐射探测器等离体子。探测器的工作频率位于毫米/亚毫米范围(相应频率在IGHz和IOTHz之间)。装置可以包括一个或多个半导体结构，每一个半导体结构包括至少一个二维带电层(电子或者空穴)——具有至少一个有意掺入的缺陷—— 和至所述一层或者多层的至少两个电势接点。“缺陷”可以包括引入二维带电层的任何非均勻性。例如，可以以下列形式实现这种缺陷蚀刻区域、限制或者扩张(restriction or expansion)、金属覆盖、杂质掺杂、介电环境缺陷、结构缺陷等等。在具有强的各向异性的材料中，可以使载流子以三维移动，但是主要以二维移动，因此包括“准”二维载流子层。任选地，装置可以包括施加垂直于载流子层的磁场的设备和/或调整载流子层中的电子密度的机构。通过测量辐射感应的电压/电流可以探测装置暴露于的辐射。可以在公开的基本探测器的基础上容易地创造矩阵照相机——由于基本探测器的小的尺寸(通常几微米级)并且没有移动的元件。测量装置或者探测器的输出信号提供关于电磁辐射的存在以及入射的电磁辐射强度的至少之一的信息。探测系统实施方式可以包括探测器矩阵，其用于给出关于电磁辐射的存在以及入射的电磁辐射强度的至少之一的空间分布的信息。如下文公开的探测电磁辐射的例证性方法包括如下步骤在装置上定向辐射，从而在电磁辐射的存在下引起等离体子的激发；通过与其相关的光电压或者光电流的测量探测所述等离体子的激发；和形成/评估所述测量的结果以得到关于电磁辐射的信息。根据下文公开的原理例证性实施方式的操作还可以包括下列特征1.入射的电磁辐射与电位探针和/或与二维带电层和/或与在晶体上蒸发的天线结构耦合，从而在其上感应交变电势。2.交变电势引起等离子体波，该等离子体波在由二维带电层形成的腔中传播。3.通过缺陷部分地反射等离子体波，并且在由至少一个电位探针和至少一个缺陷形成的腔中和/或在由至少两个缺陷形成的腔中共振。这样在装置内部产生复杂的振荡电场。该场的振幅由腔尺寸与等离体子的波长的比例确定，其又是辐射频率、应用的磁场和装置中载流子密度的函数。4.通过装置的非线性性质调谐装置内部的振荡电�。贾虏煌牡缡平拥愣灾涞闹绷鞯缪�。可以由接点和带电层之间的过渡的非线性伏安特性和/或由至少一个缺陷的存在引起非线性性质。测量的信号的振幅包含与辐射强度相关的信息。在GaAs/AWaAs量子阱装置中已证明刚刚讨论的例证性探测器操作，所述量子阱装置以条(stripe)的形式构造，其中在末端具有两个接点，缺陷或者一系列缺陷在整个条引入量子阱。在上至200K的温度下，光伏效应产生可容易探测的信号。明显地，可以根据本文提出的原理构造在上至和高于环境的较高温度下操作的实施方式。在频率跨度从IGHz 至600GHz中已证实例证性实施方式的成功的探测器操作。
图1是根据例证性实施方式的探测器的侧面示意图；图2是图1的探测器的顶部示意图；图3是可选实施方式的侧面示意图；图4是图3的实施方式的顶部示意图；图5是可选实施方式的侧面示意图；图6是图5的实施方式的顶部示意图；图7是可选实施方式的侧面示意图；图8是图7的实施方式的顶部示意图；图9是包括形成为异质结的电荷层的可选实施方式的顶部示意图；图10是图9的实施方式的侧面示意图；图11是说明根据图9和10装置的一个实施方式的能带图；图12是包括限制缺陷的可选实施方式的侧面示意图；图13是图12的装置的顶部示意图；图14是包括蚀刻区域缺陷的可选实施方式的侧面示意图；图15是图14的实施方式的顶部示意图；图16是包括台阶缺陷(st印defect)的可选实施方式的侧面示意图；图17是图16的实施方式的顶部示意图；图18是包括两个门缺陷(gate defect)的可选实施方式的侧面示意图；图19是图18的实施方式的顶部示意图；图20是包括六个门缺陷的可选实施方式的侧面示意图；图21是图20的实施方式的顶部示意图；图22是应用交错式缺陷(interleaved defect)的可选实施方式的侧面示意图；图23是图22的实施方式的顶部示意图；图M是图10的装置的例证性实施方式的光电压对电子密度的曲线图；图25是描写图10的装置的例证性实施方式的混合测量(标准化响应对千兆赫兹的频率)的曲线图；图沈是探测器电压对磁场强度的曲线图27是探测器电压对磁场强度的曲线图；图观是探测器信号振幅对开式温标温度⑷的曲线图；图四是图12和13的装置的例证性实施方式的探测器电压对颈部宽度的曲线图；图30是图14和15的装置的例证性实施方式的探测器电压对磁场的曲线图；图31是图18和19的装置的例证性实施方式的探测器电压对磁场的曲线图；和图32是光电压对磁场的曲线图。发明详述对于元激发(elementary excitation)诸如低维电子系统中的等离子体激发(等离体子)的性质存在着日益增加的关注。这种关注的推动力来自科学兴趣和毫米和亚毫米辐射探测领域中的许多潜在的应用。等离体子是相对于遮蔽杂质的背景与电荷密度的振荡相关的固体中的元激发。1976年首次在液态氦中并且随后在硅转换层(silicon inversion layer)中(1977)和在GaAs异质结结构(1979)中报导和观察到二维电子系统中的等离体
子。早在1967年斯特恩如下计算长波限中的2D等离体子的光谱(kF >> q >>w/c)
权利要求
1.固态探测器设备，包括具有载流子层的半导体结构，其中载流子以二维OD)移动； 在所述载流子层中引入的一个或多个缺陷；和至所述载流子层的至少第一接点和第二接点，所述接点间隔开一段距离。
2.权利要求1所述的探测器，还包括测量所述第一接点和第二接点之间的光电压或者光电流的测量装置，所述测量装置的输出信号提供关于(a)电磁辐射的存在和(b)入射电磁辐射的强度的至少之一的信息。
3.根据权利要求1所述的设备，其中至少一个缺陷包括载流子密度非均勻性。
4.根据权利要求3所述的设备，其中所述密度非均勻性由载流子或者杂质加入、或者由载流子或者杂质除去产生。
5.根据权利要求3所述的设备，其中所述密度非均勻性通过施加门电压加入或者除去载流子产生。
6.根据权利要求5所述的设备，包括改变所述门电压的振幅的机构。
7.根据权利要求1所述的设备，其中至少一个缺陷包括限制或者扩张。
8.根据权利要求1所述的设备，其中至少一个缺陷包括载流子层中的非均勻性。
9.根据权利要求1所述的设备，其中至少一个缺陷包括载流子层介电环境非均勻性。
10.根据权利要求1所述的设备，其中至少一个缺陷包括导致载流子有效质量非均勻性的结构非均勻性。
11.根据权利要求1所述的设备，其中所述载流子层的多个缺陷在空间周期性地排布。
12.根据权利要求1所述的设备，其中所述载流子层的多个缺陷在空间非周期性地排布。
13.根据权利要求1所述的设备，其中除所述第一接点和第二接点之外，提供至所述载流子层的多个另外的接点。
14.根据权利要求1所述的设备，包括改变施加于所述设备的磁场的振幅的机构。
15.权利要求1所述的设备，其中所述磁场包括垂直于所述载流子层的场元件。
16.根据权利要求1所述的设备，包括改变所述载流子层中的电荷密度的机构。
17.根据权利要求1所述的设备，其中所述2D载流子层是电子层。
18.根据权利要求1所述的设备，其中所述2D载流子层是空穴层。
19.根据权利要求1所述的设备，其中所述半导体结构包括GaAs/AWaAs异质结结构， 其中( 是镓，As是砷，和Al是铝。
20.根据权利要求1所述的设备，其中所述半导体结构包括下列之一Si MOSFET结构、 InAs结构、或者Si/Ge结构，其中Si是硅，h是铟，As是砷，和Ge是锗。
21.根据权利要求1所述的设备，其中所述2D载流子层或者所述准2D载流子层以单量子阱形式实现。
22.根据权利要求1所述的设备，其中所述2D载流子层或者所述准2D载流子层以双量子阱形式实现。
23.根据权利要求1所述的设备，其中所述2D载流子层或者所述准2D载流子层以包含多个量子阱的超晶格形式实现。
24.根据权利要求1所述的设备，其中所述2D载流子层或者所述准2D载流子层以异质结形式实现。
25.根据权利要求1所述的设备，并且包括在一个芯片上形成的多个同样的探测器。
26.根据权利要求1所述的设备，还包括连接至所述载流子层的所述接点之一的天线结构。
27.根据权利要求1所述的设备与用于将电磁辐射定向到所述设备上的透镜、角状物和波导管的至少一个结合。
28.根据权利要求1所述的设备，还包括冷却所述设备至环境温度和液氮沸点之间的温度的机构。
29.探测电磁辐射的方法，包括下述步骤提供包括具有至少一个缺陷的二维OD)载流子层的装置；和使所述装置暴露于电磁辐射，从而在所述电磁辐射存在下引起等离体子激发。
30.权利要求四所述的方法，还包括下述步骤通过参考光电压的测量探测所述等离体子的激发并且形成结果；和评价所述结果以获得关于所述电磁辐射的信息。
31.权利要求四所述的方法，还包括调谐所述电磁辐射的频率。
32.权利要求31所述的方法，其中所述调谐步骤包括调节所述载流子层的密度。
33.权利要求31所述的方法，其中所述调谐步骤包括调节施加的磁场。
34.根据权利要求1所述的设备，并且包括在一个芯片上形成的多个不同的探测器。
35.根据权利要求1所述的设备，其中由于强的材料各向异性允许载流子以三维移动， 但是主要以二维(准2D载流子层)移动。
36.权利要求四所述的方法，其中允许载流子以三维移动，但是主要以二维(准2D载流子层)移动。
全文摘要
高速和微型探测系统，特别是用于GHz和THz范围中的电磁辐射，其包括具有2D载流子层或者准2D载流子层的半导体结构——其中具有掺入的一个或多个缺陷、至载流子层的至少第一和第二接点、和测量第一和第二接点之间的光电压的装置。各种实施方式中的系统操作依赖于半导体结构中的等离子体波的共振激发。
文档编号G01B15/00GK102257406SQ200980148814
公开日2011年11月23日 申请日期2009年10月6日 优先权日2008年10月7日
发明者I·V·库库斯金, V·M·马拉维 申请人:特拉辛斯集团公司
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