双色量子阱红外探测器中的耦合光栅

在量子阱红外探测器（QWIP）上制备光栅的目的是对垂直入射的红外辐射进行有效耦合。从实验、测试和有关文献出发,探讨了影响其耦合效率的参数及参数的优化值。重点分析了双色QWIP的光栅设计问题,并从提高双色量子阱红外探测器光栅耦合效率和响应均匀性出发,介绍了一种新型交叉组合二维双周期结构光栅的设计方法;以一种具体AlGaAs／GaAs双色量子阱红外探测器为例,模拟了对应的交叉组合二维双周期结构光栅的几何参数和耦合强度,并与传统的二维双周期光栅结果对比,显示了新型双周期结构光栅在提高光耦合强度方面的优越性。     

双色量子阱红外探测器中的耦合光栅

在量子阱红外探测器(QWIP)上制备光栅的目的是对垂直入射的红外辐射进行有效耦合。从实验、测试和有关文献出发,探讨了影响其耦合效率的参数及参数的优化值。重点分析了双色QWIP的光栅设计问题,并从提高双色量子阱红外探测器光栅耦合效率和响应均匀性出发,介绍了一种新型交叉组合二维双周期结构光栅的设计方法;以一种具体AlGaAs/GaAs双色量子阱红外探测器为例,模拟了对应的交叉组合二维双周期结构光栅的几何参数和耦合强度,并与传统的二维双周期光栅结果对比,显示了新型双周期结构光栅在提高光耦合强度方面的优越性。     

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。     

多色量子阱红外探测器的发展

军用红外探测器需要使用工作在各种红外波段的大规格、高均匀性多色焦平面阵列器件.满足这些要求的一个候选者就是量子阱红外（光电）探测器（Quantum Well Infrared Photodetector,QWIP）.作为新一代红外探测器,QWIP基于极薄半导体异质结构中的载流子束缚效应. GaAs/AlGaAs/QWIP的主要优点包括标准的Ⅲ-Ⅴ族衬底材料和技术、良好的热稳定性、大面积、低研发成本以及抗辐射性.QWIP的另一个重要优点是具有带隙工程能力.可以通过调节量子阱宽度和势垒组分设计出满足特殊要求（例如多色焦平面列阵应用）的器件结构.介绍了对QWIP探测物理机制的理解以及近年来多色QWIP技术的发展状况.     

量子阱红外探测器及相关量子器件的研究进展

本文紧扣量子阱中电子跃迁特点,围绕量子阱红外探测器(QWIP)的器件物理和器件应用的研究,分析QWIP的主要物理性质和器件性能,阐述QWIP及QWIP相关器件国内外研究动态,判断其发展趋势和研究方向。     

量子阱红外探测器焦平面阵列的商业化进程

从量子阱红外焦平面探测器(QWIP)产品商业化入手,介绍了各国量子阱红外焦平面探测器及相关产品的商用化情况,并讨论了量子阱红外焦平面阵列和相关QWIP产品在武器装备、工业控制、医疗等方面的应用;最后探讨了国内QWiP技术的研发现状和商业化进程.     

量子阱红外探测器最新进展

量子阱红外探测器(QWIP)自从20世纪80年代被验证后,得到了广泛积极的研究。基于Ⅲ-Ⅴ材料体系、器件工艺的成熟和自身的稳定性、响应带宽窄等特有的优势,QWIP成为对低成本、大面阵、双(多)色高精度探测有综合要求的第三代红外焦平面阵列(FPA)的重要发展方向。本文主要总结了国际QWIP器件的最新发展动态,并展望了其发展趋势。     

320×256 GaAs/AlGaAs长波红外量子阱焦平面探测器

量子阱红外探测器(Quantum well infrared photodetector, QWIP)已经经历了20多年的深入研究,各种QWIP器件,包括量子阱红外探测器焦平面阵列(FPA)的研制也已经相当成熟。但是在国内,受制于整体工业水平, QWIP焦平面阵列器件的研制仍然处于起步阶段。研制了基于GaAs/ AlxGa1-xAs 材料、峰值响应波长为9.9 m的长波320256 n型QWIP焦平面阵列器件,其像元中心距25 m, 光敏元面积为22 m22 m。GaAs衬底减薄后的QWIP焦平面阵列,与Si基CMOS读出电路(ROIC)通过铟柱倒焊互连,并且在65 K工作温度下进行了室温环境目标成像。该焦平面器件的规模和成像质量相比之前国内报道的结果都有较大提高。焦平面平均峰值探测率达1.51010 cmHz1/2/W。     

P型张应变Si/SiGe量子阱红外探测器的能带设计

提出P型张应变Si/SiGe量子阱红外探测器(QWIP)结构,应用k·P方法计算应变Si/SiGe量子阱价带能带结构和应变SiGe合金空穴有效质量.结果表明量子阱中引入张应变使轻重空穴反转,基态为有效质量较小的轻空穴态,因此P型张应变Si/SiGe QWIP与n型QWIP相比具有更低的暗电流;而与P型压应变或无应变QWIP相比光吸收和载流子输运特性具有较好改善.在此基础上讨论了束缚态到准束缚态子带跃迁型张应变p-Si/SiGe QWIP的优化设计.     

P型张应变Si/SiGe量子阱红外探测器的能带设计

提出P型张应变Si/SiGe量子阱红外探测器(QWIP)结构,应用k·P方法计算应变Si/SiGe量子阱价带能带结构和应变SiGe合金空穴有效质量.结果表明量子阱中引入张应变使轻重空穴反转,基态为有效质量较小的轻空穴态,因此P型张应变Si/SiGe QWIP与n型QWIP相比具有更低的暗电流;而与P型压应变或无应变QWIP相比光吸收和载流子输运特性具有较好改善.在此基础上讨论了束缚态到准束缚态子带跃迁型张应变p-Si/SiGe QWIP的优化设计.     

量子阱太阳能电池的外量子效率

通过实验比较了砷化镓量子阱太阳能电池与不含量子阱结构的普通砷化镓太阳能电池的外量子效率. 结果表明,量子阱太阳能电池吸收光子的波长从870nm 扩展到了1000nm. 当波长小于680nm时,量子阱太阳能电池的外量子效率低于普通太阳能电池;而当波长大于于680nm时,量子阱太阳能电池的外量子效率高于普通太阳能电池. 对这个现象给出了解释,并对用量子阱太阳能电池代替三结电池的中间子电池的可能性进行了讨论.     

量子阱太阳能电池的外量子效率

通过实验比较了砷化镓量子阱太阳能电池与不含量子阱结构的普通砷化镓太阳能电池的外量子效率.结果表明,量子阱太阳能电池吸收光子的波长从870nm扩展到了1000nm.当波长小于680nm时,量子阱太阳能电池的外量子效率低于普通太阳能电池;而当波长大于于680nm时,量子阱太阳能电池的外量子效率高于普通太阳能电池.对这个现象给出了解释,并对用量子阱太阳能电池代替三结电池的中间子电池的可能性进行了讨论.     

Terahertz Semiconductor Quantum Well Devices

For eventually providing terahertz science with compact and convenient devices,terahertz (1～10THz) quantum-well photodetectors and quantum-cascade lasers are investigated. The design and projected detector performance are presented together with experimental results for several test devices,all working at photon energies below and around optical phonons. Background limited infrared performance (BLIP) operations are observed for all samples (three in total) ,designed for different wavelengths. BLIP temperatures of 17,13, and 12K are achieved for peak detection frequencies of 9.7THz(31μm) ,5.4THz(56μm) ,and 3.2THz(93μm) ,respectively. A set of THz quantum-cascade lasers with identical device parameters except for doping concentration is studied. The δ-doping density for each period varies from 3.2 × 1010 to 4. 8 × 1010cm-2. We observe that the lasing threshold current density increases monotonically with doping concentration. Moreover, the measurements for devices with different cavity lengths provide evidence that the free carrier absorption causes the waveguide loss also to increase monotonically. Interestingly the observed maximum lasing temperature is best at a doping density of 3.6 × 1010cm-2.     

Terahertz Semiconductor Quantum Well Devices

For eventually providing terahertz science with compact and convenient devices,terahertz (1～10THz) quantum-well photodetectors and quantum-cascade lasers are investigated. The design and projected detector performance are presented together with experimental results for several test devices,all working at photon energies below and around optical phonons. Background limited infrared performance (BLIP) operations are observed for all samples (three in total) ,designed for different wavelengths. BLIP temperatures of 17,13, and 12K are achieved for peak detection frequencies of 9.7THz(31μm) ,5.4THz(56μm) ,and 3.2THz(93μm) ,respectively. A set of THz quantum-cascade lasers with identical device parameters except for doping concentration is studied. The δ-doping density for each period varies from 3.2 × 1010 to 4. 8 × 1010cm-2. We observe that the lasing threshold current density increases monotonically with doping concentration. Moreover, the measurements for devices with different cavity lengths provide evidence that the free carrier absorption causes the waveguide loss also to increase monotonically. Interestingly the observed maximum lasing temperature is best at a doping density of 3.6 × 1010cm-2.     

量子阱结构中的等效宽度分析

在有效质量近似下,分析了有限深势阱的电子基态能级,并和有相同能级的无限深势阱模型作比较,用数值方法得到了不同电场下两者之间的阱宽的关系 ,首次得出经验公式,发现结果与前人的实验和理论结果吻合得很好.分析了两种模型下的波函数和结合能,证实了有外加电场时采用零电场下的等效宽度的合理性.     

量子阱结构中的等效宽度分析

在有效质量近似下,分析了有限深势阱的电子基态能级,并和有相同能级的无限深势阱模型作比较,用数值方法得到了不同电场下两者之间的阱宽的关系 ,首次得出经验公式,发现结果与前人的实验和理论结果吻合得很好.分析了两种模型下的波函数和结合能,证实了有外加电场时采用零电场下的等效宽度的合理性.     

Hybrid CdSe-ZnS Quantum Dot-InGaN-GaN Quantum Well Red Light-Emitting Diodes

We have demonstrated the fabrication and characterization of hybrid CdSe-ZnS quantum dot (QD)-InGaN-GaN quantum well (QW) red light-emitting diodes (LED). The red-emitting QD-resin blend was dropped on the InGaN blue LED to complete the device fabrication. With proper blend ratio, the blue light from the InGaN QWs can be effectively down converted to the red light. In our case, when the QD concentration is as high as 40 mg/1 ml of resin, the luminous flux from the hybrid LED biased at 20 mA is 0.65 lm, from which the luminous efficiency of 9.3 lm/W can be obtained. Also, the corresponding electroluminescence spectrum exhibits the contribution of red light emission to the total light intensity is 98%, while the Commission Internationale de l'Eclairage chromaticity coordinates of the red light are (0.635, 0.275). However, the coordinates would be gradually shifted with current increasing from 10 to 60 mA due to the fluctuation of red/blue light ratio and thermal effect.      

通过量子阱异质结中最佳带隙偏移改善量子阱激光器的性能

我们分析了量子阱异质结的带隙偏移对量于阱（ＱＷ）激光器性能的影响。表明，除了应变之外，带隙偏移的优化也能改进ＱＷ激光器的性能，尤其是能够同时达到超低阈值电流和高速。改进步骤是从减少ＱＷ激光器填充态开始，因为在光限制区导带结构和价带结构的不对称性可以通过ＱＷ异质结的最佳带隙偏移来补偿。其结果为设计高性能的ＱＷ激光器以及其它有源激光器件提供了设计规范。     

GaN基量子阱红外探测器的设计

为了实现GaN基量子阱红外探测器,利用自洽的薛定谔一泊松方法对GaN基多量子阱结构的能带结构进行了研究。考虑了GaN基材料中的自发极化和压电极化效应,通过设计适当的量子阱结构,利用自发极化和压电极化的互补作用,设计出了极化匹配的GaN基量子阱红外探测器,为下一步实现GaN基量子阱红外探测器做好了准备。