InAs/InAsSb超晶格红外中/中波双色焦平面探测器研制

超晶格材料已经成为了第三代红外焦平面探测器的优选材料。双波段红外探测器能够通过对比两个波段内的光谱信息差异,对复杂的背景进行抑制,提高探测效果,在需求中尤为重要。本文开展了InAs/InAsSb超晶格中/中双色焦平面探测器设计及制备技术研究,从器件设计、材料外延、芯片加工等方面展开研究,制备了中心距30 μm的320×256 InAs/InAsSb二类超晶格中/中波双色焦平面探测器。器件短中波峰值探测率达到7.2×10¹¹ cm·Hz^1/2W^-1,中波峰值探测率为6.7×10¹¹ cm·Hz^1/2W^-1,短中波有效像元率为99.51%,中波为99.13%,获得了高质量的成像效果,实现中中双色探测。     

短/中波双色碲镉汞红外探测器性能分析研究

介绍了国内外双色红外探测器的发展现状,并报道了中国电子科技集团公司第十一研究所（以下简称“中电十一所”）自行研制的像元间距为30 μm的Si基320×256短/中波双色红外探测器的性能。在77 K测试条件下,短波和中波两个波段的盲元率分别为0.88%和1.47%,平均峰值探测率分别为2.21×10¹² cm·Hz^1/2·W^-1和2.13×10¹¹ cm·Hz^1/2·W^-1,后截止波长分别为3.129 μm和 5.285 μm,且短波向中波波段的光谱串音为1.38%,中波向短波波段的光谱串音为2.82%。同时,该探测器在双波段具有较好的成像效果,为后续更大面阵、更佳性能的多波段探测器研究提供了基础。     

320×256 InAs/GaSb超晶格中/短波双色探测器组件研制

InAs/GaSb超晶格材料制备的新型红外器件在最近十几年得到了迅速发展。文中开展了InAs/GaSb二类超晶格中/短波双色焦平面探测器组件研制,设计了中/短波双色叠层背靠背二极管芯片结构,用分子束外延技术生长出结构完整、表面平整、低缺陷密度的PNP结构超晶格材料,制备出性能优良的320×256双色焦平面探测器组件,对探测器组件进行了测试分析。结果显示,在77 K下中波二极管RA值达到26.0 kΩ·cm2,短波的RA值为562 kΩ·cm2。光谱响应特性表明短波响应波段为1.7~3 μm,中波为3~5 μm,满足设计要求。双色峰值探测率达到中波3.12×1011 cm·Hz1/2W-1,短波1.34×1011 cm·Hz1/2W-1。响应非均匀性中波为9.9%,短波为9.7%。中波有效像元率为98.46%,短波为98.06%。     

长/长波双色二类超晶格红外探测器研究

报道了长/长波双色二类超晶格红外焦平面探测器组件的研制。通过能带结构设计和分子束外延技术,获得了表面质量良好的长/长波双色超晶格外延材料。突破了长波超晶格低暗电流钝化、低损伤干法刻蚀等关键技术,制备出像元中心距30 μm的320×256长/长波双色InAs/GaSb超晶格焦平面探测器芯片。将芯片与双色读出电路互连,采用杜瓦封装,与制冷机耦合形成探测器组件。组件双波段50%后截止波长分别为7.7 μm（波段1）和10.0 μm（波段2）。波段1平均峰值探测率达到8.21×10¹⁰ cmW^-1Hz^1/2,NETD实现28.8 mK;波段2平均峰值探测率达到6.15×10¹⁰ cmW^-1Hz^1/2,NETD为37.8 mK,获得了清晰的成像效果,实现长/长波双色探测。     

128×128短波/中波双色红外焦平面探测器

首次在国内报道了128×128面阵短波/中波（SW/MW）双色碲镉汞（HgCdTe）红外焦平面探测器（infrared focal plane arrays, IRFPAs）的研究成果.基于由采用分子束外延（MBE）和原位掺杂技术生长的ppPN型碲镉汞（Hg1-xCdxTe）多层异质结材料,通过B+注入、台面腐蚀、台面侧向钝化和爬坡金属化,以及双色探测芯片与读出电路（Readout Integrated Circuit,ROIC）混成互连等工艺,得到了128×128面阵双色焦平面探测器.通过湿化学腐蚀方法的优化,将光敏元尺寸为（50×50）μm2的双色微台面探测器的占空比提高了一倍.该面阵双色红外焦平面探测器具有较好的均匀性和正常的光电特性.在液氮温度下,二个波段的光电二极管截止波长λc分别为2.7μm和4.9μm,对应的峰值探测率D*λp分别为1.42×1011cmHz1/2/W和2.15×1011 cmHz1/2/W.     

红外成像寻的用双色凝视焦平面探测器设计的基本要求

文中讨论了红外成像寻的器用红外焦平面探测器的工作波段、阵列结构、规模、相对孔径等问题,提出双色凝视红外焦平面探测器设计的基本要求: (1)波长组合以相邻波段为宜;(2)双色FPA以叠层结构的凝视型为宜; ( 3)通过限制红外成像传感器的视场,将双色凝视FPA的规模控制在320 ×256以下为宜; (4)在探测元尺寸50μm ×50μm时,中波/长波双色凝视FPA的F数以1～2. 44为宜。     

双色量子阱红外探测器大面阵芯片的研制

采用GaAs/AlGaAs和InGaAs/AlGaAs多量子阱,研制出了双色同像素读取结构的中波/长波量子阱红外探测器及160×128元中波/长波双色多量子阱红外探测器芯片。器件的材料结构生长是采用分子束外延技术,在5.08 cm半绝缘GaAs衬底上完成的。发展了双色大面阵制备工艺,二维光栅的制备使用标准光刻和离子束刻蚀技术。在77 K时,对量子阱红外探测器测试,得到中、长波段峰值探测率分别为Dλ*=（1.61～1.90）×1010 cmHz1/2W-1和（1.54～2.67）×1010 cmHz1/2W-1。中、长波段峰值波长分别为(2.7~3.8) μm和8.3 μm。     

新型热释电材料及其在高性能红外探测器中的应用

采用改进的Bridgman法生长出了大尺寸高质量的Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-PbTiO₃(PMNT)单晶,并发现了PMNT单晶具有非常大的热释电响应。为探索高性能的热释电材料,提高现有红外探测器的性能,对PMN-PT的热释电性能、及其在红外探测器中的应用进行了系统的研究。研究表明：PMNT单晶具有优异的热释电性能,其综合性能优于传统的热释电材料。用PMNT单晶制备出了的红外探测器,电压响应率和比探测率分别为Rv = 211 V/W,D* = 1.06×108 cm·Hz^1/2·W^-1,器件性能能够基本满足使用要求,同时也表明PMNT单晶有望在高性能的红外探测及成像器件中得到实际应用。     

快速响应高探测度的长波红外探测器

美国新泽西州默里山美国电话电报公司贝尔实验室的Levine及其合作者研制出长波红外区的GaAs/AlGaAs探测器,在77K时响应率为30kV/W,探测度D^*=1.0×10¹⁰cmHz^1/2/W。该探测器工作在8.3μm,带宽>70MHz。     

128×128短波/中波双色红外焦平面探测器

首次在国内报道了128×128面阵短波/中波(SW/MW)双色碲镉汞(HgCdTe)红外焦平面探测器(infraredfocal plane arrays,IRFPAs)的研究成果.基于由采用分子束外延(MBE)和原位掺杂技术生长的p-p-P-N型碲镉汞(Hg1-xCdxTe)多层异质结材料,通过B+注入、台面腐蚀、台面侧向钝化和爬坡金属化,以及双色探测芯片与读出电路(Readout Integrated Circuit,ROIC)混成互连等工艺,得到了128×128面阵双色焦平面探测器.通过湿化学腐蚀方法的优化,将光敏元尺寸为(50×50)μm2的双色微台面探测器的占空比提高了一倍.该面阵双色红外焦平面探测器具有较好的均匀性和正常的光电特性.在液氮温度下,二个波段的光电二极管截止波长λc分别为2.7μm和4.9μm,对应的峰值探测率Dλ*p分别为1.42×1011cmHz1/2/W和2.15×1011cmHz1/2/W.     

长波双色Al_xGa_(1-x)As/GaAs量子阱红外探测器的研制

介绍了长波双色AlxGa1-xAs/GaAs多量子阱红外探测器单元的设计、制作和测试。器件光敏面面积为300μm×300μm,光吸收峰值波长分别为10.8、11.6μm;采用垂直入射光耦合的工作模式,65K温度2V偏压下,两个多量子阱区的暗电流分别为4.23×10-6、4.19×10-6A;黑体探测率分别为1.5×109、6.7×109cm.Hz1/2/W;响应率分别为0.063、0.282A/W。GaAs基量子阱红外探测器(QWIP)材料生长和加工工艺成熟、大面积均匀性好、成本低、不同波段之间的光学串音小,使得AlGaAs/GaAsQWIP在制作多色大面阵方面具有明显的优势。     

Fabrication and characterization of two-color midwavelength/long wavelength HgCdTe infrared detectors

High-performance 20-μm unit-cell two-color detectors using an n-p⁺-n HgCdTe triple-layer heterojunction (TLHJ) device architecture grown by molecular beam epitaxy (MBE) on (211)-oriented CdZnTe substrates with midwavelength (MW) infrared and long wavelength (LW) infrared spectral bands have been demonstrated. Detectors with nominal MW and LW cut-off wavelengths of 5.5 μm and 10.5 μm, respectively, exhibit 78 K LW performance with >70 % quantum efficiency, reverse bias dark currents below 300 pA, and RA products (zero field of view, 150-mV bias) in excess of 1×10³ Ωcm². Temperature-dependent current-voltage (I–V) detector measurements show diffusion-limited LW dark current performance extending to temperatures below 70 K with good operating bias stability (150 mV ± 50 mV). These results reflect the successful implementation of MBE-grown TLHJ detector designs and the introduction of advanced photolithography techniques with inductively coupled plasma (ICP) etching to achieve high aspect ratio mesa delineation of individual detector elements with benefits to detector performance. These detector improvements complement the development of high operability large format 640×480 and 1280×720 two-color HgCdTe infrared focal plane arrays (FPAs) to support third generation forward looking infrared (FLIR) systems.     

256×1甚长波量子阱红外焦平面研究

GaAs/AlGaAs量子阱红外探测器由于其所依据的GaAs基材料较为成熟的材料生长和器件制备工艺,使其特别适合于高均匀性、大面积红外焦平面的应用。报道了甚长波256×1元GaAs/AlGaAs多量子阱红外焦平面器件的研制成果, 探测器的峰值波长为15 μm,响应带宽大于1.5 μm。在40 K工作温度下,器件的平均黑体响应率Rp=3.96×106 V/W, 平均黑体探测率为D*=1.37×109 cm·Hz1/2/W, 不均匀性为11.3%, 并应用研制的器件获得了物体的热像图。     

基于MOCVD技术的长波AlGaAs/GaAs量子阱红外焦平面探测器

采用n型掺杂背面入射AlGaAs/GaAs量子阱结构,用MOCVD外延生长和GaAs集成电路工艺,设计制作了大面积AlGaAs/GaAs QWIP单元测试器件和128×128、128×160、256×256 AlGaAs/GaAs QWIP焦平面探测器阵列。 用液氮温度下的暗电流和傅里叶红外响应光谱对单元测试器件进行了评估,针对不同材料结构,实现了9 μm和10.9 μm的截止波长; 黑体探测率最高达到2.6×109 cm·Hz1/ 2·W-1 。 将128×128 AlGaAs/GaAs QWIP阵列芯片与CMOS读出电路芯片倒装焊互连,成功演示了室温环境下目 标的红外热成像;并进一步讨论了提高QWIP组件成像质量的途径。     

YBa2Cu3-xZnxO7薄膜红外探测器的研究

在对红外探测器进行理论分析的基础上,设计并研制了液氮温度下的Yba2Cu3-xZnxO7薄膜红外探测器,系统地测试了器件的特征参数.最好的结果为:对于波长为10μm,调制频率为f=500Hz,带宽为Δf=1Hz的红外输入辐射Rv(500,10,1)=3587V/W,NEP(500,10,1)=6.5×10-12W/Hz1/2,D*(500,10,1)=7.2×1012cmHz1/2/W,τ(500,10,1)=1.2ms.     

BF+2注入的多晶硅薄膜快速热退火后氟行为的研究

本文报道BF_2~+注入的多晶硅薄膜经快速热退火后的物理和电学性质。发现造成氟异常分布的原因是由于快速热退火过程中氟的外扩散以及在多晶硅/二氧化硅界面处的聚集。在注入剂量为1×10~(15)和5×10~(15)cm~(-2)的样品中,经快速热退火后可以观察到氟泡。     

Study on antireflective coatings of PbTe/PbSnTe heterojunction infrared detectors

ZnS antireflective coatings and passivation layer are developed on self-made PbTe/PbSnTe heterojunction infrared detectors and following experiments have been finished: WaterProof properties of ZnS coatings; Anti-reflective properties of PbSnTe materials and their detectors with ZnS coatings, respectively; ageing and stability tests of the PbSnTe detectors with ZnS coatings. All experimental results are excellent: The typical detectivity (D^*) of PbSnTe detector is 2.83×10¹⁰ cmHz^1/2W^?1. (with peak wavelength λp=9.8 μm and cut-off wavelength λc=11.7 μm). Average detectivity of the PbSnTe detector with ZnS anti-reflective coatings is increased by 45%. Ageing tests indicated that the PbSnTe detectors with ZnS coatings have still high stabilities after several years. They are used successfully in medical infrared imaging systems and other applications.     

大面积双面外延YBCO超导薄膜研制

本文通过倒筒式直流对靶溅射(ICP)方法,在3英寸范围内LaAlO₃和蓝宝石(Al₂O₃)单晶基片上成功实现了两面同时沉积YBCO(YBa₂Cu₃Oy)高温超导外延薄膜,其T_C0=88~91K,J_C=1~5×10⁶A/cm²,R_S(77K,145GHz)=20~40mΩ,双面薄膜的两面一致性和面内均匀性都非常良好,可以满足微波器件研制的要求.     

中波-长波双色量子阱红外探测器

采用n型掺杂的AlGaAs/GaAs和AlGaAs/InGaA多量子阱材料,基于MOCVD外延生长技术,利用成熟的GaAs集成电路加工工艺,设计并制作了不同结构的中波-长波双色量子阱红外探测器(QWIP)器件,器件采用正面入射二维光栅耦合,光栅周期设计为4μm,宽度2μm;对制作的500μm×500μm大面积双色QWIP单元器件暗电流、响应光谱、探测率进行了测试和分析。在-3V偏压、77K温度和300K背景温度下长波(LWIR)和中波(MWIR)QWIP的暗电流密度分别为0.6、0.02mA/cm2;-3V偏压、80K温度下MWIR和LWIR QWIP的响应光谱峰值波长分别为5.2、7.8μm;在2V偏压、65K温度下,LWIR和MWIR QWIP的峰值探测率分别为1.4×1011、6×1010cm.Hz1/2/W。     

行波管夹持杆微波等离子体化学气相沉积金刚石厚膜改善散热性能研究

采用微波等离子体化学气相沉积法在行波管Al₂O₃夹持杆上沉积金刚石厚膜,取代传统有毒的氧化铍陶瓷杆,用于宽带大功率行波管改善其散热性能.经材料性能测试,慢波组件装配及性能测试,获得了较好的实验结果:导热率大于12W/cm.℃,介电常数为5.0~5.5,介质损耗为1×10^-3,体积电阻率大于10¹³Ω/cm; 慢波组件导热性能与同结构的BeO组件相比提高3.0倍.整管冷测参数全部合格;整管热测在C波段测得Po=95W,G=35db.