Receiving device of far infrared and THz range radar
Abstract
In this paper, the types of terahertz detectors are described. A physical model of the locator sensor receiving device, on which basis, high photosensitivity and photocurrent long-term relaxation associated with the electrons capture by the traps, as well as sensitivity in broad band terahertz range due to optical transitions from levels with different excitation energy is developed. Problems of the integrated receiver development based on PbSnTeIn films produced by molecular beam epitaxy on silicon substrates through the buffer layers calcium fluoride and barium while generating multiplexers are considered. On the basis of calculated and experimental data, noise-equivalent power and receiver prospects were evaluated.
About the Authors
E. M. Ilyin
МГТУ им. Н. Э. Баумана
Russian Federation
Russian Federation
D. V. Ishchenko
ИФП СО РАН имени А. В. Ржанова
Russian Federation
Russian Federation
A. E. Klimov
ИФП СО РАН имени А. В. Ржанова
Russian Federation
Russian Federation
N. S. Pashchin
ИФП СО РАН имени А. В. Ржанова
Russian Federation
Russian Federation
A. I. Polubekhin
МГТУ им. Н. Э. Баумана
Russian Federation
Russian Federation
S. P. Suprun
ИФП СО РАН имени А. В. Ржанова
Russian Federation
Russian Federation
E. V. Fedoseenko
ИФП СО РАН имени А. В. Ржанова
Russian Federation
Russian Federation
A. G. Cherevko
СибГУТИ
Russian Federation
Russian Federation
V. N. Sherstyakova
ИФП СО РАН имени А. В. Ржанова
Russian Federation
Russian Federation
V. N. Shumsky
ИФП СО РАН имени А. В. Ржанова
Russian Federation
Russian Federation
References
1. Неизвестный И. Г., Климов А. Э., Шумский В. Н. Матричные фотонные приемники для дальней инфракрасной и субмиллиметровой области спектра // УФН. 2015. Т. 185, № 10. С. 1031-1042.
2. Rogalski A. Far-Infrared Semiconductor Detectors and Focal Plane Arrays / Ch 2 in: THz and Security Applications, NATO Science for Peaceand Security Series B: Physics and Biophysics, edited by C. Corsi and F. Sizov, Dordrecht, The Netherlands. Springer, 2014. P. 60-87.
3. Rogalsky A. and Sizov F. Terahertz detectors and focal plane arrays // Opto-Electron. Rev., 2011. V. 19, № 3. P. 346-404.
4. Sizov F. F., Reva V. P., Golenkov A. G., Zabudsky V. V. Uncooled detector challenges for THz/sub-THz arrays imaging // Journal of Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves. 2011. V. 32, Issue 10. P. 1192-1206.
5. Акимов А. Н., Климов А. Э., Шумский В. Н., Асеев А. Л. Матричные фото-приёмные устройства субмиллиметрового диапазона на основе плёнок PbSnTe:In // Автометрия. 2007. № 4. С. 63-73.
6. Pfeiffer U. R., Öjefors E. A 600 GHz CMOS focal-plane array for terahertz imaging applications // Proc. 34th European Solid-State Circuits Conference, 2008. P. 110-113.
7. Sherry H., Al Hadil Richard, Grzyb Janusz, et al. Lens-integrated THz imaging arrays in 65 nm CMOS technologies // IEEE Radio Freq. Integr. Circuits Symp., Jun. 2011. P. 1-4.
8. Schuster F., Coquillat Dominique, Videlier Hadley, et al. Broadband terahertz imaging with highly sensitive silicon CMOS detectors // Opt. Express. 2011. V. 19, № 8. P. 7827-7832.
9. Schuster F., Videlier H., Dupret A., et al. A broadband THz imager in a low-cost CMOS technology // IEEE Int. Solid-State Circuits Conf. (ISSCC) Dig. Tech. Papers, San Francisco, CA, USA, Feb. 2011. Р. 42-43.
10. AlHadi R., Sherry Hani, Grzyb Janusz, et al. A 1k-pixel video camera for 0.7-1.1 terahertz imaging applications in 65-nm CMOS // IEEE J. Solid-State Circuits. 2012. V. 47, № 12. P. 2999-3011.
11. Öjefors E. , Grzyb Janus, Zhao Yan, et al. A 820 GHz SiGe chipset for terahertz active imaging applications // 2011 IEEE International Solid-State Circuits Conference 20-24 Feb. 2011, San Francisco, CA, Digest of Technical Papers. 2011. P. 224-226.
12. Uzunkol M., Gurbuz Ozan D., Golcuk Fatih, andRebeiz Gabriel M. A 0.32 THz SiGe 4x4 imaging array using high efficiency on-chip antennas // IEEE J. Solid-State Circuits. 2013. V. 48. № 9. P. 2056-2066.
13. Sengupta K., Seo D., Yang L., and Hajimiri A. Silicon Integrated 280 GHz Imaging Chipset With 4x4 SiGe Receiver Array and CMOS Source // IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology. 2015. V. 5, № 3. P. 427-437.
14. Han R., Zhang Y., Coquillat D., et al. A 280-GHz diode detector in 130-nm digital CMOS // IEEE J Solid-State Circ. 2011. V. 46, № 11. P. 2602-2612.
15. Han R., Zhang Y., Kim Y., et al. 280 GHz and 860GHz image sensors using Schottky-barrier diodes in 0.13 qm digital CMOS // IEEE International Solid-State Circuits Conference, San Francisco, 19-23 February 2012. P 254-255.
16. Hesler J. L. and Crowe T. W. NEP and responsivity of THz zero-bias Schottky diode detectors // Proceedings of the 32nd International Conference on Infrared and Millimetre Waves, and 15th International Conference on Terahertz Electronics, 2007. P. 844-845.
17. Brown E. R., Kazemi H., Young A. C., et al. High-sensitivity, quasi-optically-coupled semimet-al-semiconductor detectors at 104 GHz // Proc SPIE 6212: Terahertz for Military and Security Applications IV, edited by D.L. Woolard, R. J. Hwu, M.J. Rosker, and J.O. Jensen, 2006. 62120S(7).
18. Zhang Z., Rajavel R., Deelman P., and Fay P. Sub-micro area heterojunction backward diode millimeter-wave detectors with 0.18 pW/Hz1/2 noise equivalent power // IEEE Microw. Wirel. Compon. Lett. 2011. V. 21, № 5. P. 267-269.
19. Tank R., Teppe F., Boubanga S., et al. Plasma wave detection of terahertz radiation by silicon field effects transistors: Responsivity and noise equivalent power // Appl Phys Lett. 2006. Vol. 89. 253511(3).
20. Öjefors E., Pfeiffer U.R., Lisauskas A., and Roskos H.G. A 0.65 THz focal-plane array in a quarter-micron CMOS process technology // IEEE J. Solid-State Circuits. 2009. V. 44, № 07. P. 1968-1976.
21. Oda N. Uncooled bolometer-type terahertz focal-plane array and camera for real-time imaging // Comptes Rendus Phys. 2010. V. 11. Issue 7-8. P. 496-509.
22. Oden J., Meilhan J., Lalanne-Dera J., et al. Imaging of broadband terahertz beams using an array of antenna-coupled microbolometers operating at room temperature // Optics Express. 2013. V. 21. № 4. P. 4817-4825.
23. Bolduc M., Terroux M., Tremblay B., et al. Noise-equivalent power characterization of an uncooled microbolometer-based THz imaging camera // Proc SPIE. 2011. 80230C(10).
24. Middleton C., Zummo G., Weeks A., et al. Passive millimeter-wave focal plane array // Joint 29th Int. Conf. Infrared and Millimeter Waves & 12th Int. Conf. Terahertz Electronics, Conf. Digest. 2004. P. 745-746.
25. Eminoglu S., Tanrikulu M., and Akin T. A low-cost 128x128 uncooled infrared detector array in CMOS process // Journ. Microelectromechan. Syst. 2008. V. 17, № 1. P. 20-30.
26. Детектор Голея. [Электронный ресурс]. /Тидекс /Продукты /ТГц приборы /Детекторы Голея [сайт] - Режим доступа: http://www.tydexoptics.com/pdf/Golay_cell.pdf (дата обращения: 15.06.2016).
27. Discrete_Pyros_2014_V2.0 [Электронный ресурс]. /Gentec Electro-Optics (Gentec-EO) /THz Detectors /QS-THZ/ QS-THZ SPECIFICATIONS [сайт] - Режим доступа: https://gentec-eo.com/Content/downloads/specifications-sheet/Discrete Pyros 2014 V2.0.pdf (дата обращения: 21.06.2016).
28. Климов А. Э., Шумский В. Н. Многоэлементные фотоприемные устройства дальнего ИК-диапазона на основе гетероэпитаксиальных пленок PbSnTe, легированных In, на BaF2 // гл. 6. в кн: Матричные фотоприемные устройства инфракрасного диапазона / Под редакцией Синицы С.П. Наука. Новосибирск. 2001. С. 308-372.
29. Есаев Д. Г., Синица С. П., Французов А. А. Фотоприемники с блокированной прыжковой проводимостью // гл. 5. в кн: Матричные фотоприемные устройства инфракрасного диапазона / Под редакцией Синицы С.П. Наука. Новосибирск. 2001. С. 265-307.
30. Калюжная Г. А., Киселева К.В. Проблема стехиометрии в полупроводниках переменного состава типа А2В6 и А4В6 // Труды физического института им. П.Н. Лебедева. 1987. Т. 177. С. 5-84.
31. Драбкин И. А., Мойжес Б.Я. Спонтанная диссоциация нейтральных состояний примесей на положительно и отрицательно заряженные состояния // ФТП. 1981. Т. 15, В. 4. С. 625-647.
32. Волков Б. А., Ручайский О.М. Внутрицентровые кулоновские корреляции, зарядовые состояния и спектр примесей III группы в узкощелевых полупроводниках А4В6 // ПЖЭТФ. 1995. Т. 62, В. 3. С. 205-209.
33. Вул Б. М., Воронова И.Д., Гришечкина С.П., Рагимова Т.Ш. Накопление и время релаксации электронов при фотоэффекте в Pb0.78Sn0.22Te. / Б.М. Вул, // ПЖЭТФ. 1981. Т. 33, В. 6. С. 346-350.
34. Акимов А. Н., Ерков В.Г., Кубарев В.В., Молодцова Е.Л., Климов А.Э., Шумский В.Н. Фоточувствительность плёнок Pb1-xSnxTe<In> в терагерцовой области спектра // ФТП. 2006. Т. 40, В. 2. С. 169-173.
35. Klimov A. E., Kubarev V.V., Shumsky V.N. Terahertz sensitivity of Pb1-xSnxTe:In // Ferroelectrics. 2007. V. 347. P. 111-119.
36. Вул Б. М., Воронова И. Д., Калюжная Г. А., Мамедов Т. С., Рагимова Т. Ш. Особенности явлений переноса в Pb0.78Sn0.22Te с большим содержанием индия // ПЖЭТФ. 1979. Т. 29, B. 1. С. 21-25.
37. Волков Б. А., Панкратов О. А. Ян-Теллеровская неустойчивость кристаллического окружения точечных дефектов в полупроводниках А4В6 // ДАН СССР. 1980. Т. 255, В. 1. C. 93-97.
38. Засавицкий И. И., Лишка К., Хайнрих Х. О Ян-Теллеровском центре в Pb1-xSnxTe // ФТП. 1985. Т. 19, В. 6. С. 1058-1063.
39. Акимов А. Н., Климов А. Э., Неизвестный И. Г., Шумский В. Н., Эпов В. С. Температурные особенности релаксации фотопроводимости в плёнках PbSnTe:In при межзонном возбуждении // ФТП. 2016. Т. 50, В. 4. С. 447-453.
40. Виноградов В. С., Воронова И. Д., Рагимова Т. Ш., Шотов А. П. Модель флуктуационного примесного потенциала. Описание фотоэлектрических и гальваномагнитных явлений в Pb1-xSnxTe с примесью In // ФТП. 1981. Т. 15, В. 2. С. 361-368.
41. Цидильковский И. М. Бесщелевые полупроводники - новый класс веществ. М.: Наука. 1986. 240 с.
42. Гантмахер В. Ф. Электроны в неупорядоченных средах. М.: Физматлит. 2013. 290 с.
43. Volkov B. A., Pankratov O. A. Electronic structure of point defects in A4B6 semiconductors // SP JETP. 1985. V. 61, № 1. P. 164-171.
44. Федоров П. П., Бучинская И. И., Ивановская Н. А. и др. Фазовая диаграмма системы CaF2 и BaF2 // ДАН. 2004. Т. 401, В. 5. С. 652-655.
45. Suprun S. P. and Sheglov D. V. The influence of the electron beam on epitaxial layers CaF2 and BaF2/Si // JETP Lett. 2008. V. 88, № 6. P. 421-425.
46. Галкин П. С., Игуменов И. К., Климов А. Э. и др. Разработка элементов системы формирования изображения в терагерцовой области спектра на основе плёнок PbSnTe:In // Автометрия. 2009. Т. 45, № 4. С. 85-94.
Review
For citations:
Ilyin E.M., Ishchenko D.V., Klimov A.E., Pashchin N.S., Polubekhin A.I., Suprun S.P., Fedoseenko E.V., Cherevko A.G., Sherstyakova V.N., Shumsky V.N. Receiving device of far infrared and THz range radar. The Herald of the Siberian State University of Telecommunications and Information Science. 2016;(3):176-191. (In Russ.)
Views:
131
Email this article 
