[发明专利]太赫兹单光子探测器及其探测方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种太赫兹单光子探测器及其探测方法，尤其涉及一种利用半导体量子点形成的太赫兹单光子探测器及其探测方法。

背景技术

太赫兹(THz，1THz＝10¹²Hz)波段通常是指频率从100GHz到10THz，相应的波长从3毫米到30微米，介于毫米波(亚毫米波)与红外光之间频谱范围相当宽的电磁波谱区域。太赫兹光子对应能量范围为0.14meV到41.4meV，该能量与分子和材料的低频振动和转动能量范围相匹配，这些决定了太赫兹波在电磁频谱中的特殊位置以及在传播、散射、反射、吸收、穿透等方面与毫米波、红外线显著不同的特点和应用。太赫兹技术为人们对物质的表征和操控提供很大的自由空间，并且在信息领域的高空间和时间分辨率探测、成像与信号处理、量子信息处理、大容量与高保密通信、射电天文探测、大气与环境监测、实时与安全的生物与医学诊断等领域有着重大应用前景。但长期以来，由于缺乏有效的太赫兹源和探测方法，导致太赫兹频段的电磁波未得到充分的研究和应用，被称为电磁波谱中的“太赫兹空隙”。

在开发和利用太赫兹波段时，太赫兹信号的探测具有举足轻重的意义。目前在太赫兹频段有以下三种主要探测方式：

(1)利用电光晶体的非线性效应进行差分探测，此种方式具有灵敏度高、可以同时探测THz辐射强度和相位，但这种探测仅能与特定的太赫兹辐射产生方式相配合，而且体积较大，不易与半导体器件电路集成，具有很大的局限性。

(2)热电探测器，这类探测器在太赫兹频段响应率较低，或者需要在液氦温度下工作，响应慢，而且没有光谱分辨本领，无法应用于太赫兹在线检测和太赫兹通信等领域。

(3)光子型探测器，比如太赫兹量子阱探测器，具有响应速度快、探测灵敏度高和较强的光谱分辨本领等特点，但暗电流较大，无法探测微弱太赫兹辐射。

以上三种类型的太赫兹探测器目前基本都不具有单光子精度，无法实现物体辐射的极微弱太赫兹光的灵敏探测。另一方面，目前的单光子探测器一般工作在X射线、紫外光、可见光和近红外光谱区域，是探测微弱的电磁辐射的一种不可或缺的有力手段，主要的器件有光电倍增管和雪崩光电二极管，但这些器件的工作原理决定了其工作频率很难降到太赫兹区域。

发明内容

本发明的目的在于提供一种容易与探测电路集成且噪声等效功率低、探测灵敏度高的太赫兹单光子探测器。

本发明的另一目的在于提供一种上述太赫兹单光子探测器的探测方法。

一种太赫兹单光子探测器包括：半导体异质结，所述半导体异质结表面形成有二维电子气；形成于所述半导体异质结表面的探测电极，用于收集太赫兹单光子；第一量子点，所述探测电极收集的太赫兹单光子激发所述第一量子点带单位正电荷；形成于所述半导体异质结表面的单电子测量仪，用于测量所述单电子测量仪的周围静电环境的电荷变化，所述单电子测量仪与所述第一量子点电容式耦合，所述第一量子点带的单位正电荷引起所述单电子测量仪中的电流发生跳变。

本发明的太赫兹单光子探测器优选的一种技术方案，所述单电子测量仪为单电子晶体管。

本发明的太赫兹单光子探测器优选的一种技术方案，所述探测电极呈蝴蝶结形。

本发明的太赫兹单光子探测器优选的一种技术方案，所述单电子测量仪包括：形成于所述半导体异质结表面的栅电极、第一电极、第二电极以及第二量子点，所述栅电极设置于所述探测电极和所述第二电极之间，所述第一量子点形成于所述栅电极的末端与所述探测电极的末端之间的区域，所述第二量子点形成于所述栅电极的末端、所述第一电极的末端、所述第二电极的末端之间的区域。

本发明的太赫兹单光子探测器优选的一种技术方案，所述探测电极包括两个探测电极单元，所述栅电极包括两个栅电极单元，所述栅电极单元的一边与所述探测电极单元的相邻近的一边平行，所述第一量子点形成于所述栅电极单元与所述探测电极单元的相聚末端之间的区域。

本发明的太赫兹单光子探测器优选的一种技术方案，所述第二电极与所述栅电极垂直，所述第一电极包括两个第一电极单元，所述第一电极单元对称设置于所述第二电极的两侧，所述第二量子点形成于所述栅电极单元、所述第一电极单元、所述第二电极的相聚末端之间的区域。

一种上述太赫兹单光子探测器的探测方法，包括如下步骤：所述探测电极收集太赫兹单光子；所述探测电极收集的太赫兹单光子激发所述第一量子点带单位正电荷；所述单位正电荷引起所述单电子测量仪中的电流发生跳变；分析所述单电子测量仪中的电流的时间序列从而对所述探测电极探测到的太赫兹单光子进行计数。