可用于多波段融合的超结构/阻挡杂质带复合结构探测器（特邀）

太赫兹辐射是指频率在30 μm~1 mm范围内的电磁波,具有穿透性强、安全性高、特征性强及定向性好等特点,因此,太赫兹技术在天文观测、安全监控、物质鉴定及生物医学等领域具有广阔的应用前景。阻挡杂质带探测器具有灵敏度高、阵列规模大、探测谱段宽等核心优势,是太赫兹辐射探测的优良选择。阻挡杂质带探测器目前主要采用三种材料体系,分别为Si、Ge、GaAs。基于这三种材料体系的阻挡杂质带探测器可实现在3~500 μm的超宽波段探测。超结构是由亚波长结构单元构成人工复合结构,在光电探测器上引入超结构,利用等离激元共振、偶极共振调控特性,可以将电磁场能量强烈的局域在金属/探测器界面位置。因此,超结构与阻挡杂质带结合,可有效调控探测峰位、缩小探测峰半高宽、强化光谱分辨能力,并有望大规模应用于3~500 μm的多波段融合探测。同时,超结构与阻挡杂质带探测器结合,可进一步提高器件响应率,减小器件尺寸,降低工艺难度。文中简要叙述了阻挡杂质带探测器的工作机理,介绍了国内外阻挡杂质带探测器的研究历史及研究现状。最后,在探测器波段调控、光谱分辨、增强吸收等角度详细介绍了Si、Ge、GaAs基超结构/阻挡杂质带复合结构探测器的研究现状,并结合目前该技术发展瓶颈问题,在高纯材料生长、光场局域效应机理研究等方面提出了下一步的研究展望。     

硅基阻挡杂质带太赫兹探测器及其成像研究

太赫兹探测及成像技术是推动太赫兹科学技术发展的基础和关键.为了实现高灵敏太赫兹探测及成像,设计了一种台面型硅基阻挡杂质带太赫兹探测器,详细介绍了其结构及探测机理,描述了其制备工艺流程,并搭建了黑体响应测试系统.结果表明,4.2K温度条件下,3.8V工作偏压时,探测器峰值响应率可达55A/W,响应频段覆盖6.7～60THz.此外,搭建了一套两维扫描成像系统,实现了高分辨率被动成像.实验结果表明,成像系统空间分辨率可达400μm、温度分辨率约为7.5mK.     

外延阻挡杂质带探测器的抗反射

传统外延阻挡杂质带探测器由于其材料物性和特殊的结构设计存在很强的反射,这些能量损失非常不利于器件的探测性能.报道了一种类光栅双层超构表面微结构阵列,并将此人工微结构引入到外延阻挡杂质带红外探测器以抑制对入射光的反射.实验结果显示,具有超构表面微结构阵列的器件在波长30μm处反射率低于3％,在25.3～32.2μm波段范...     

离子注入型硅掺砷阻挡杂质带长波红外探测器的研究

研究了基于离子注入技术制备硅掺砷阻挡杂质带探测器的工艺,通过优化工艺条件和相关器件的结构与材料参数,制造了具有良好光电响应性能的长波红外探测器。在温度5 K,-3.8 V工作偏压下,探测器的峰值响应波长为23.8μm,黑体响应率为3.7 A/W,3.2 V时最大探测率为5.2×10~(13) cm·Hz~(1/2)/W。性能指标堪与文献报道的结果相媲美甚至更好,展示了离子注入工艺在制作阻挡杂质带探测器方面的潜在优势,特别是离子注入工艺与目前的微电子电路技术相兼容,能将探测器与读出电路集成到一块芯片上,在降低成本的同时提高探测器成像性能。     

近表面加工技术制备的高性能Ge:B 阻挡杂质带探测器

阻挡杂质带（BIB）探测器是当前远红外天文探测领域的主流探测器。通过近表面加工技术成功制备出了高性能的Ge:B BIB探测器,响应波数范围从50 cm^-1到400 cm^-1。在3.5 K温度和30 mV工作电压下,器件在峰值响应84.9 cm^-1处的响应率达到21.46 A·W^-1,探测率达到4.34×10¹⁴cm·Hz^1/2·W^-1。研究了BIB探测器中界面势垒对响应光谱的影响。提出了一种新的激发模式—电极区内的载流子可以通过光激发的方式越过势垒。此外,还发现了一种增强BIB探测器在小波数处相对响应强度的方法。     

新型台面型GaAs基BIB探测器的背景电流测试与分析

制备了响应在太赫兹波段的台面型砷化镓(GaAs)基阻挡杂质带(BIB)探测器,并进行了背景电流的测试分析。采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)工艺进行外延层生长,能更有效地控制吸收层的掺杂浓度,提高阻挡层的纯度。另外,搭建了GaAs基BIB探测器的低温测试系统,在 3.4 K测试温度下,对器件施加-5~5 V偏压,测得300 K背景响应电流在10-2~10-6 A量级。在低电流区,电流随偏压增加的速率相对较快;在高电流区,电流随偏压增加的速率变得相对平缓。且对于相同偏压绝对值,正偏压工作模式下的背景响应电流比负偏压工作模式下的背景电流高。基于测试结果,重点分析了GaAs基BIB探测器的光电输运机理。     

硅基BIB红外探测器研究进展

以锗基和硅基为主的阻挡杂质带（blocked impurity band,BIB）红外探测器的兴起有力推进了红外天文学的快速发展,其中硅基BIB红外探测器在特定波长的航天航空领域有着不可替代的地位。国外对硅基BIB红外探测器的研究已有40多年,以美国航空航天局（NASA）为主的科研机构已经实现了硅基BIB红外探测器在天文领域的诸多应用,而国内对硅基BIB红外探测器的研究尚处于起步阶段。本文首先阐述了硅基BIB红外探测器的工作原理,然后简单概述了器件结构和制备工艺,并对不同类型的硅基BIB探测器的性能进行了对比分析,之后介绍了其在天文探测中的应用,最后对硅基BIB红外探测器未来的发展进行了展望。     

石墨烯纳米带p-i-n结构太赫兹探测器的设计

研究了石墨烯纳米带横向p-i-n结构探测器对太赫兹波的响应特性,基于载流子输运方程和泊松方程,建立了考虑迁移、扩散、生成、复合等载流子运动的太赫兹探测器数学模型。根据该模型,对石墨烯纳米带横向p-i-n结构的太赫兹波响应进行了仿真,获得了反向栅压诱导生成的p-i-n二极管的能带图;进而探讨了纳米带宽度、i区长度及偏置电压对响应电流的影响,分析表明石墨烯纳米带带隙随宽度增大而减小,响应频率减小;i区长度与载流子寿命匹配时响应电流达到峰值;光电流随偏置电压的增大而增大,并趋于饱和。     

基于远红外激光源的太赫兹透射成像系统软件设计

太赫兹辐射成像在危险品检测、医疗和食品检验等领域有广泛的应用前景,基于远红外激光源的太赫兹二维透射成像方法具有很大的实用价值.在此成像系统中控制软件设计和实现是太赫兹成像系统的关键环节.本文采用Visual C 自行设计和编制了成像系统控制软件,此软件控制整个系统的运行,包括平移台的移动、数据采集卡的数据采集、峰峰值检测、生成图像、图像的显示以及图像的存储,另外附带太赫兹激光器参数查询功能.成像实验结果表明,此软件满足系统要求,运行良好,获得了较清晰的太赫兹图像.     

非对称针尖结构对远红外超材料谐振性能的影响研究

为提高远红外超材料的品质因子Q和检测灵敏度,本文研究了一种用于金属远红外超材料的非对称针尖设计。以传统双开口方形谐振环为模型,通过理论模拟,研究了开口狭缝针尖角度变化对其电场分布、谐振频谱以及品质因子Q的影响。结果表明,非对称针尖增强了谐振环的表面电场局域性,减小了谐振峰的半峰宽,并使品质因子Q提高到传统谐振环（非针尖设计）的三倍以上。该研究结果为开发高灵敏远红外超材料传感器提供了新的思路,并为传统开口谐振环提出了一种简单实用的Q因子优化方法。     

替代衬底上的碲镉汞长波器件暗电流机理

基于暗电流模型,通过变温I-V分析长波器件(截止波长为9~10μm)的暗电流机理和主导机制.实验对比了不同衬底、不同成结方式、不同掺杂异质结构与暗电流成分的相关性.结果表明,对于B+离子注入的平面结汞空位n~+-on-p结构,替代衬底上的碲镉汞(HgCdTe)器件零偏阻抗(R0)在80 K以上与碲锌镉(CdZnTe)基碲镉汞器件结阻抗性能相当.但替代衬底上的HgCdTe因结区内较高的位错,使得从80 K开始缺陷辅助隧穿电流(I_(tat))超过产生复合电流(I_(g-r)),成为暗电流的主要成分.与平面n~+-on-p器件相比,采用原位掺杂组分异质结结构(DLHJ)的p~+-on-n台面器件,因吸收层为n型,少子迁移率较低,能够有效抑制器件的扩散电流.80 K下截止波长9.6μm,中心距30μm,替代衬底上的p~+-on-n台面器件品质参数(R0A)为38Ω·cm2,零偏阻抗较n-on-p结构的CdZnTe基碲镉汞器件高约15倍.但替代衬底上的p+-on-n台面器件仍受体内缺陷影响,在60 K以下较高的Itat成为暗电流主导成分,其R0A相比CdZnTe基n~+-on-p的HgCdTe差了一个数量级.     

HgCdTe/Si materials for long wavelength infrared detectors

The heteroepitaxial growth of HgCdTe on large-area Si substrates is an enabling technology leading to the production of low-cost, large-format infrared focal plane arrays (FPAs). This approach will allow HgCdTe FPA technology to be scaled beyond the limitations of bulk CdZnTe substrates. We have already achieved excellent mid-wavelength infrared (MWIR) and short wavelength infrared (SWIR) detector and FPA results using HgCdTe grown on 4-in. Si substrates using molecular beam epitaxy (MBE), and this work was focused on extending these results into the long wavelength infrared (LWIR) spectral regime. A series of nine p-on-n LWIR HgCdTe double-layer heterojunction (DLHJ) detector structures were grown on 4-in. Si substrates. The HgCdTe composition uniformity was very good over the entire 4-in. wafer with a typical maximum nonuniformity of 2.2% at the very edge of the wafer; run-to-run composition reproducibility, realized with real-time feedback control using spectroscopic ellipsometry, was also very good. Both secondary ion mass spectrometry (SIMS) and Hall-effect measurements showed well-behaved doping and majority carrier properties, respectively. Preliminary detector results were promising for this initial work and good broad-band spectral response was demonstrated; 61% quantum efficiency was measured, which is very good compared to a maximum allowed value of 70% for a non-antireflection-coated Si surface. The R₀A products for HgCdTe/Si detectors in the 9.6-μm and 12-μm cutoff range were at least one order of magnitude below typical results for detectors fabricated on bulk CdZnTe substrates. This lower performance was attributed to an elevated dislocation density, which is in the mid-10⁶ cm⁻² range. The dislocation density in HgCdTe/Si needs to be reduced to <10⁶ cm⁻² to make high-performance LWIR detectors, and multiple approaches are being tried across the infrared community to achieve this result because the technological payoff is significant.     

非均匀GaAs/AlGaAs量子阱红外探测器材料表征和器件性能研究

本文利用分子束外延（MBE）技术成功生长了GaAs/AlGaAs非均匀量子阱红外探测器材料,并对相关微结构作了细致表征。分析比较了非均匀量子阱结构和常规量子阱红外探测器性能差异,并对比研究了不同势阱宽度下非均匀量子阱红外探测器的性能变化。通过高分辨透射电子显微镜（HRTEM）结合能谱仪（EDS）对非均匀量子阱红外探测器材料微结构进行了分析,并利用二次离子质谱仪（SIMS）对非均匀势阱掺杂进行了表征。结果表明,该量子阱外延材料晶体质量很好,量子阱结构和掺杂浓度也与设计值符合较好。对于非均匀量子阱红外探测器,通过改变每个阱的掺杂浓度和势垒宽度,可以改变量子阱电场分布,而与传统的均匀量子阱红外探测器相比,其暗电流显著下降（约一个数量级）。在不同阱宽下,非均匀量子阱的跃迁模式发生改变,束缚态到准束缚态跃迁模式下（B-QB）的器件具有较高的黑体响应率以及较低的暗电流。     

用于天文观测的InGaAs近红外探测器性能测试方法

基于天文红外探测器评价体系,利用改进的“光子转移曲线”测试方法,分别测试了液氮制冷和热电制冷的两款InGaAs近红外探测器的性能。NIRvana-LN光电子与输出数字量的转换因子为0.16ADU/e^-,读出噪声实测值是83 e^-,远高于标称值15 e^-;NIRvana的高、低转换因子分别为1.25ADU/e^-和0.097ADU/e^-,读出噪声分别为105 e^-和380 e^-;NIRvana在高转换因子档下暗电流实测值是415 e^-/s,大约是标称值的2倍。理论估算云南天文台两米环形望远镜在1.565 μm太阳磁场测量时的信号电子数约8800 e^-,在实测暗电流4.06 e^-/s,像元曝光时间20 ms,读出噪声83.59 e^-条件下,NIRvana-LN探测器信噪比为70。     

基于辐射通量表观对比度光谱的红外预警卫星探测波段选择方法

选择合理的探测波段是设计红外预警卫星需要解决的重要问题.提出了一种基于点目标辐射通量表观对比度光谱确定红外预警卫星探测波段的方法.论文首先建立了较完善的火箭尾焰表观对比度光谱计算模型,进一步建模计算了典型液体和固体火箭尾焰在不同高度的红外辐射特性,使用通用大气辐射传输(CART)软件计算了典型大气条件下的地球/大气背景辐射以及不同高度处大气的透过率和路径辐射,在此基础上以典型液体和固体火箭为例,计算了尾焰在不同高度处的辐射通量表观对比度光谱.结果表明:不论液体还是固体火箭,在2.55~2.85μm和4.19~4.48μm波段的辐射通量表观对比度都比较大,红外预警卫星工作波段可以选为上述波段.     

Comparison of normal and inverted band structure HgTe/CdTe superlattices for very long wavelength infrared detectors

The type III band alignment of HgTe/CdTe superlattices leads to the interesting possibility of achieving very long wavelength infrared (VLWIR) (15 μm and longer) cutoff wavelengths with either normal (HgTe layer thickness less than about 70 ? for CdTe layer thickness of 50 ?) or inverted (HgTe thickness greater than about 70 ?) band structures. The inverted band structure superlattices promise even greater cutoff wavelength control than the normal band structure ones. However, the electronic band gaps of inverted band structure superlattices are substantially less than their optical band gaps, leading to large thermal carrier concentrations even at temperature as low as 40 K. These high carrier concentrations in turn give rise to more rapid Auger recombination than normal band structure superlattices with the same cutoff wavelengths. We conclude that the highest performance is expected from VLWIR HgTe/CdTe superlattice-based detectors with normal band structure absorber layers.