《半导体科学与技术丛书：半导体太赫兹源、探测器与应用》主要论述了半导体太赫兹（THz）辐射源与探测器的基本原理、模拟与设计、器件研制方法以及THz通信与成像应用等。全书共分11章，包括第1章THz波产生、探测与应用概述；第2章THz场与低维半导体的相互作用及高场电子输运；第3章电子学THz振荡器与器件模拟；第4章THz半导体负有效质量振荡器非线性动力学；第5章THz场作用下微带超晶格非线性动力学；第6章石墨烯THz光电特性；第7章THz半导体量子级联激光器；第8章THz半导体量子阱探测器；第9章THz波的传输；第10章THz通信；第11章THz成像。
    《半导体科学与技术丛书：半导体太赫兹源、探测器与应用》适合从事THz、红外、微波、天文和生物医学等领域的工程技术人员，以及大专院校和科研院所相关专业的本科生、研究生和科研工作人员参考。

    第1章THz波产生、探测与应用概述
    1.1引言
    太赫兹波通常是指频率从100GHz到10THz，相应的波长从3mm到30m范围内，介于毫米波与红外光之间，频谱范围相当宽的电磁波[1？9]，THz波也被称为T射线，在电磁波谱中占有特殊的位置，处于电子学向光子学的过渡区域，其长波段与亚毫米波段相重合，而短波段与远红外波段相重合。到目前为止，电磁波谱中除THz波段以外的大部分波段都得到了广泛的研究和应用，而THz波因缺乏有效的辐射产生和检测方法，使得这一波段的电磁波未得到充分的研究和应用。因此，THz波段也被称为电磁波谱中的“THz空隙”，是电磁波谱中有待进行全面而深入研究的最后一个频率窗口。2004年美国TechnologyReview杂志把THz技术列为改变未来世界的十大技术之一。
    THz技术正处于一个飞速发展的阶段，正向深层次理论研究、器件研制以及应用系统研发等多方向迅速发展。THz技术的核心是THz辐射源和探测器。人们用不同的方法来产生和探测THz辐射，每一种方法都具有各自的特点。
    1.2THz波的产生
    THz辐射源通常包括自由电子激光器、工作于THz频段的气体激光器、真空电子学THz源、超快激光泵浦光电导THz源、THz量子级联激光器以及光子学THz辐射源和其他半导体电子学源等。
    （1）自由电子激光器。自由电子激光器是通过直接加速自由电子来实现激光辐射的。加速电子在有磁场作用下的周期性结构中运动，当速度与光速接近的电子束通过偏转磁铁形成的扭转磁场时，电子在洛伦兹（Lorentz）力的作用下，通过自发辐射产生THz射线。自由电子激光器的激发频率随着入射电子能量的增加而增加，频率覆盖了从远红外到X射线的宽广频谱，波长主要取决于摇摆器的周期和电子束的能量。这种激光器具有高度可调、高能量和高效率的特点，并且激射频率为电子能量的函数，可以通过改变电子能量得到不同的激射波长。与其他THz辐射源相比，自由电子激光器具有大功率、光束质量和波形结构优良、高效率和连续可调等优点[10]。但是，自由电子激光器价格昂贵、设备笨重，不适合大规模的实际应用。
    （2）气体激光器。光泵浦的气体分子激光器是一种能产生大功率、连续THz辐射的激光器[11]。气体激光器主要是利用光栅调谐的泵浦激光注入到低压气体腔中产生THz波[12]。气体激光器的原理是：通过光泵浦（一般泵浦激光为二氧化碳激光器，工作波长？约为10m），在分子的振动/转动能级之间形成粒子数反转，从而产生受激辐射。这种激光器可以室温下工作。但是，气体激光器的激射频率依赖于所选择的气体，因此频率不可以连续调谐。另外，这种激光器价格昂贵、体积大、功耗大。
    （3）真空电子学THz源。回旋管是目前工作在毫米波及THz频段典型的真空电子学器件[6]，功率可达千瓦以上。回旋管基于电子在磁场中的回旋谐振受激辐射机理，是一种快波器件，不需要传统微波、毫米波真空电子学器件所必需的慢波系统，可实现高频、大功率输出。在磁约束核聚变研究的推动下，回旋管的研究在毫米波及THz低频段进展迅速。回旋管在远程探测、高分辨雷达和THz辐射与物质的相互作用研究方面具有广阔的应用前景。
    （4）光电导THz源。其基本原理为：在光电导半导体材料（如GaAs等）表面沉积金属，制成偶极天线电极结构，当飞秒激光照射在电极之间的光电导半导体材料时，会在其表面瞬时产生大量自由电子{空穴对，这些光生载流子在外加直流电场或内建电场作用下被加速，并由于光生载流子的复合，在光电导半导体材料表面会形成变化极快的光电流，从而产生向外的电磁辐射脉冲。辐射的电磁波强度在远场情况下与电流的时间微分成正比，频率在THz波段[13，14]。影响辐射的主要因素有半导体材料电子的有效质量、光生载流子寿命、最大迁移率和材料的击穿电场。增大外电场可得到更强的THz辐射，制作大孔径的光电导天线可以提高THz辐射的效率。目前应用较多的是大面积光导天线、Grischkowsky型偶极天线[15]和螺旋形天线。
    （5）THz半导体量子级联激光器（quantumcascadelaser，QCL）。常规半导体激光器是通过半导体材料导带中的电子和价带中的空穴的复合来实现激射，其激射波长完全由半导体材料的能隙决定。大多数半导体激光器只能工作在近红外和可见频段，窄带隙的铅盐材料最低频率也只能到15THz[16]。最早的能产生THz辐射的半导体激光器是掺杂的锗/硅激光器[17]。该器件需要在液氦温度下工作，转换效率低，只能脉冲工作，因此限制了其实际应用。QCL从根本上改变了这一激射机制。QCL是一种只有电子参与的单极型激光器。电子从较高的能量状态跃迁到较低的能量状态，发射出光子。其激射波长取决于由量子限制效应决定的量子阱两个激发态之间的能级差，与半导体材料的能隙无关。在半导体带间激光二极管产生之前，Lax[18]于1960年就提出了子带间激光器的概念。当时的设计是在强磁场下采用光泵浦锗晶体，从而实现导带或者价带中朗道（Landau）能级之间的粒子数反转。1983年，Ivanov和Vasiley[19]首次在实验上实现了这种激光器的激射。1994年，Bell实验室的Faist等[20]首次实现了工作于中红外波段的QCL。2002年，意大利的等[21]成功研制出世界上第一个THzQCL，其频率为4.4THz，功率约为2mW。2003年，Scalari等[22]报道了由束缚态向连续态跃迁的THzQCL；美国麻省理工学院（MIT）的胡青课题组[23]利用声子共振散射和双面金属波导结构，得到激射频率约为3.0THz的QCL。随后，刘惠春课题组[24]和曹俊诚课题组[25]等也先后成功研制了THzQCL。目前，THzQCL最大输出功率达到250mW，最低工作频率可以达到1.2THz[26]，最高工作温度达186K。外加磁场时最低激射频率为0.68THz，最高工作温度可达225K[27]。THzQCL的研制成功是半导体固态THz辐射源发展的一个里程碑。THzQCL具有能量转换效率高、体积小、轻便和易集成等优点。其性能的不断提高将大大推动THz技术的应用。
    （6）电子学THz辐射源。最为典型的是耿氏振荡器，它具有极窄的线宽。耿氏振荡器作为电子转移器件，其最高频率由电子能谷散射的弛豫时间决定。类似的还有共振隧穿二极管[31]、渡越时间振荡器[32，33]、布洛赫（Bloch）振荡器[34]和冷等离子体振荡器[35]等。渡越时间振荡器按照载流子不同注入方式可分为碰撞离化振荡器和隧穿注入振荡器。隧穿注入方式可以降低器件的噪声，提高共振频率，性能要优于碰撞离化方式。渡越时间振荡器的振荡频率与器件长度有关系，减小长度可提高振荡频率。这类THz源主要基于半导体技术和微细加工技术，具有结构紧凑等特点。耿氏振荡器作为实验室信号源以及超导{绝缘体{超导（superconductor-insulator-superconductor，SIS）混频接收机的本振源，得到了广泛的应用。
    其他光子学THz源主要包括基于非线性效应的差频发生器[36]和参数振荡器（parametricoscillation）[37]等。
    1.3THz波的探测
    THz辐射源的低功率输出和THz频率范围内较大的热辐射背景噪声等因素对THz探测器的探测灵敏度等性能提出了很高的要求[8]。早在1960年，THz探测器就已经出现。当时主要采用液氦冷却的测辐射热仪（bolometer）和光电导探测器。
    有关THz探测器的发展可以参看Richards[38]和Haller[39]的综述文章。1984年，科学家发明了微机械的硅测辐射热仪[40]，为后来的红外室温焦平面探测器阵列[41]技术奠定了基础。近来，这种焦平面阵列探测器已经成功地应用于THz实时成像系统[42]。对于THz辐射的探测，目前主要采用傅里叶（Fourier）变换光谱探测法、时域光谱THz探测法、外差式探测法和THz半导体量子阱探测器直接探测法等。
    这些探测方法各有其特点。
    （1）傅里叶变换光谱探测法。傅里叶变换光谱方法是常用的中远红外频谱测量方法。目前傅里叶变换光谱仪覆盖了从红外到THz波段很宽的频率范围。傅里叶变换光谱仪是基于迈克耳孙（Michelson）干涉仪研制而成的。通过连续改变干涉仪内一个镜面的位移，测量得到的干涉图样包含了光源的频谱特性。对于红外及THz波段的光谱测量，光源常常采用电磁辐射范围很宽的高温黑体（如白炽硅碳棒等），探测器则采用各种热辐射计。为了降低热噪声的影响，热辐射计需要在低温下工作。傅里叶变换光谱仪使用的热辐射探测计是热效应探测器，是非相干的，因此不能记录THz辐射的位相信息。
    （2）时域光谱（time-domainspectroscopy，TDS）THz探测法。对脉冲THz信号，THzTDS方法[43]是一种非常有效的探测手段。THzTDS实验系统基于泵浦{探测技术，主要由超快飞秒激光系统、扫描延迟线系统、THz发射和探测系统、准直光学系统、数据获取和电子识别系统组成。在探测过程中，飞秒激光被分为两束，一束用来产生THz辐射，另一束作为探测参考光束，并被THz脉冲电场调制，采用光电二极管进行信号检测[44]。其中，THz探测有两种采样方式，分别是光电导采样方式和电光采样方式。光电导采样方式使用载流子寿命较短的材料。当THz波束照射在材料上时，在超快探测激光波束的激励下，很短的时间内材料中产生高密度电子空穴对，并形成与THz脉冲瞬时电场成正比的电流输出。通过改变探测参考光束的时间延迟，可以得到整个THz电场随时间的变化情况。电光采样方式使用电光晶体作为THz脉冲的接收元件，利用晶体的泡克耳斯（Pockels）效应，即THz电场对探测光脉冲的偏振状态进行调制，实现对THz波的探测[43]。典型的THzTDS探测系统的探测频率范围为几个太赫兹。THzTDS探测法能对THz电场的位相随时间变化等信息进行相干测量，因此在THz光谱和成像等方面具有广阔的应用前景。
    （3）外差式探测法。在对THz波的探测中，当需要更高的频谱分辨率时，可以采用其他的窄带探测方法，如外差式探测法等。外差探测技术是一种全息探测技术，可探测电场的振幅、频率和相位等信息。它具有选波性能良好、偏振鉴别能力良好、信噪比损失小和探测器内部噪声低等特点。外差式探测系统需要一个本征THz振荡源。待测信号与本征THz信号混频，对信号频率进行向下搬移，然后再对搬移后的低频信号进行放大和测量。
    ……

前言
第1章 THz波产生、探测与应用概述
1.1 引言
1.2 THz波的产生
1.3 THz波的探测
1.4 THz波的应用
1.5 小结
参考文献

第2章 THz场与低维半导体的相互作用及高场电子输运
2.1 THz场与异质结的相互作用
2.1.1 引言
2.1.2 THz场作用下异质结的电子输运
2.1.3 THz场作用下异质结的多光子辅助吸收
2.1.4 THz场感生的异质结带间碰撞离化
2.1.5 小结
2.2 THz场作用下量子阱的光吸收
2.2.1 引言
2.2.2 光场作用下量子阱中电子的哈密顿量
2.2.3 量子阱子带间泵浦-探测光吸收
2.2.4 量子阱子带跃迁的相干控制
2.2.5 THz场作用下量子阱子带占据数和吸收
2.2.6 THz场作用下量子阱带间光吸收
2.2.7 小结
2.3 THz场作用下超晶格的光吸收
2.3.1 引言
2.3.2 准玻色表象及激子运动方程
2.3.3 THz场作用下超晶格的光吸收与极化
2.3.4 小结
2.4 半导体高场电子输运
2.4.1 引言
2.4.2 多能谷半导体高场电子输运
2.4.3 非抛物半导体高场电子输运
2.4.4 多能谷非抛物带半导体的碰撞离化过程
2.4.5 小结
参考文献

第3章 电子学THz振荡器与器件模拟
3.1 p型量子阱THz负有效质量振荡器
3.1.1 引言
3.1.2 负有效质量半导体稳态输运
3.1.3 THz电流振荡模式与频率
3.1.4 小结
3.2 基于带内反射点负微分电导的THz振荡器
3.2.1 引言
3.2.2 基于带内反射点的THz振荡器设计
3.2.3 带内反射点THz振荡器模拟
3.2.4 小结
3.3 隧穿注入渡越时间THz振荡器
3.3.1 引言
3.3.2 量子传输边界方法
3.3.3 器件的直流及小信号输运特性
3.3.4 小结
3.4 双势垒共振隧穿结构THz振荡器
3.4.1 引言
3.4.2 维格纳-泊松耦合模型
3.4.3 共振隧穿结构的Ⅰ-Ⅴ特性
3.4.4 共振隧穿结构的THz电流振荡
3.4.5 共振隧穿结构快速开关特性
3.4.6 小结
3.5 半导体器件的流体动力学模拟
3.5.1 引言
3.5.2 抛物性流体动力学平衡方程器件模拟
3.5.3 非抛物能带半导体器件模拟
3.5.4 多能谷非抛物能带半导体器件模拟
3.5.5 小结
参考文献

第4章 THz半导体负有效质量振荡器非线性动力学
4.1 引言
4.2 THz负有效质量振荡器混沌动力学
4.2.1 直流偏置下的THz振荡
4.2.2 周期态和混沌态之间的转变
4.3 THz负有效质量振荡器的场畴模式
4.4 THz场作用下电流的庞加莱分支图
4.5 THz场作用下电流的功率谱分支图
4.6 小结
参考文献

第5章 THz场作用下微带超晶格非线性动力学
5.1 微带超晶格振荡器中时空电场畴和负微分电导
5.1.1 引言
5.1.2 微带超晶格中的电场畴和负微分电导
5.1.3 微带宽度和掺杂浓度的影响
5.1.4 小结
5.2 THz场作用下微带超晶格中电流的时空同步和混沌
5.2.1 引言
5.2.2 电场畴与自维持电流振荡
5.2.3 同步振荡与电流抑制
5.2.4 THz场作用下微带超晶格的混沌动力学
5.2.5 小结
5.3 THz场与磁场作用下微带超晶格混沌动力学
5.3.1 引言
5.3.2 超晶格微带电子输运
5.3.3 超晶格微带中电子平均速度的演化
5.3.4 微带超晶格的混沌动力学特性
5.3.5 小结
5.4 THz场作用下量子点超晶格中的混沌动力学
5.4.1 引言
5.4.2 量子点超晶格电子输运
5.4.3 速度-电场关系与弛豫频率
5.4.4 THz场作用下量子点超晶格的混沌动力学
5.4.5 混沌区域与控制参数的依赖关系
5.4.6 小结
参考文献

第6章 石墨烯THz光电特性
6.1 引言
6.2 石墨烯多量子阱中的共振隧穿
6.2.1 石墨烯系统的传输矩阵方法
6.2.2 石墨烯多量子阱电子输运特性
6.3 石墨烯pn结在THz频段的三阶非线性光电导
6.3.1 石墨烯pn结带内和带间光电导理论模型
6.3.2 三阶非线性THz光电导
6.4 石墨烯在THz频段的五阶非线性光电导
6.4.1 石墨烯带间光电导理论模型
6.4.2 五阶非线性THz光电导
6.5 双层石墨烯纳米带的强THz光电导
6.6 小结
参考文献

第7章 THz半导体量子级联激光器
7.1 引言
7.2 THz QCL研究进展
7.3 THz QCL原理与设计
7.3.1 THz QCL基本原理
7.3.2 THz QCL有源区设计
7.3.3 THz QCL波导设计
7.3.4 THz QCL功率增强设计
7.4 THz QCL模拟方法
7.4.1 量子动力学方法
7.4.2 蒙特卡罗方法
7.4.3 率方程方法
7.5 四阱共振声子THz QCL
7.5.1 热声子效应
7.5.2 粒子数反转与增益
7.5.3 Ⅰ-Ⅴ特性
7.5.4 温度特性
7.6 三阱共振声子THz QCL
7.6.1 多体效应
7.6.2 参数优化
7.6.3 声子阱的影响
7.7 一阱注入区共振声子THz QCL
7.7.1 电场依赖关系
7.7.2 温度依赖关系
7.8 THz QCL制备与测量
7.8.1 THz QCL材料生长与表征
7.8.2 双面金属波导THz QCL
7.8.3 半绝缘等离子波导THz QCL
7.8.4 光谱测量
7.8.5 功率测量
7.8.6 光束表征
7.9 小结
参考文献

第8章 THz半导体量子阱探测器
8.1 引言
8.2 THz QWP探测原理
8.3 THz QWP器件模拟
8.3.1 模拟方法概述
8.3.2 有源区能带计算
8.4 THz QWP暗电流
8.4.1 暗电流模型
8.4.2 理论与实验的暗电流比较
8.5 THz QWP光电流谱
8.5.1 光电流产生机制
8.5.2 光吸收系数
8.5.3 理论与实验的光电流谱比较
8.6 THz QWP多体效应
8.6.1 包括多体效应的能带结构
8.6.2 考虑多体效应的光电流谱
8.7 THz QWP光栅耦合
8.7.1 光栅耦合的基本考虑
8.7.2 光栅衍射理论
8.7.3 金属光栅设计与优化
8.8 THz QWP制备与测量
8.8.1 THz QWP制备
8.8.2 THz QWP测量
8.8.3 THz QWP对THz QCL发射谱的表征
8.9 磁场调谐的THz QWP
8.9.1 稀磁半导体的色散与吸收模型
8.9.2 磁场下吸收峰可调的THz QWP
8.10 基于磁阻振荡的新型THz量子阱探测器
8.10.1 THz场辐照下量子阱的磁阻振荡
8.10.2 新型THz量子阱探测器设计
8.11 小结
参考文献

第9章 THz波的传输
9.1 引言
9.2 THz波在大气中的传输
9.3 THz波在不同介质中的传输
9.4 THz波在金属丝波导中的传输
9.5 小结
参考文献

第10章 THz通信
10.1 引言
10.2 THz局域通信中的光子晶体反射器
10.2.1 光子晶体的THz波反射率
10.2.2 THz波反射器
10.3 THz波的调制
10.3.1 THz QCL的直接调制
10.3.2 光子晶体对THz波的调制
10.4 基于THz QCL和THz QWP的无线通信演示
10.4.1 系统构成
10.4.2 器件制冷
10.4.3 文本传输
10.4.4 图片传输
10.4.5 音频传输
10.5 小结
参考文献

第11章 THz成像
11.1 引言
11.2 THz成像分类与特点
11.3 基于THz QCL和THz QWP的探测与成像技术
11.3.1 THz QCL的锁频技术
11.3.2 THz QCL作为本振源的混频技术
11.3.3 THz QWP阵列探测技术
11.4 基于THz QCL和THz QWP的成像实例
11.4.1 基于THz QCL的成像研究进展概述
11.4.2 基于THz QCL的主动扫描成像
11.4.3 基于THz QWP的被动成像
11.4.4 基于THz QWP的透射扫描成像
11.4.5 基于THz QCL和THz QWP的计算机断层成像
11.5 小结
参考文献