量子阱红外探测器的研究与应用

讨论了量子阱红外探测器的量子阱结构以及光耦合模式的研究状况，简要介绍了该探测器在国防、工业、消防和医疗方面的应用。     

量子阱红外探测器

评述了半导体量子阱内子带间光跃迁的主要特性以及量子阱红外探测器的物理问题和器件结构特点,介绍了国外在此领域研究的最新进展,讨论了有关子带间跃迁和量子阱红外探测器研究的若干发展趋势.     

GaAs／GaAlAs中红外量子阱探测器和双色量子阱红外探测器

本文报道我们在国内率先研制的ＧａＡｓ／ＧａＡｌＡｓ中红外（３～５μｍ）量子阱探测器和双色量子阱红外探测器的制备和性能．ＧａＡｓ／ＧａＡｌＡｓ中红外量子阱探测器是光伏型，探测峰值波长为５．３μｍ，８５Ｋ下的５００Ｋ黑体探测率为３e９ｃｍ·Ｈｚ１／２／Ｗ，峰值探测率达到５×１０１１ｃｍ·Ｈｚ１／２／Ｗ，阻抗为５０ＭΩ．ＧａＡｓ／ＧａＡｌＡｓ双色量子阱红外探测器是偏压控制型的两端器件，在零偏压下该探测器仅在３～５μｍ波段有响应，响应峰值波长为５．３μｍ，８５Ｋ温度下５００Ｋ黑体探测率为３e９ｃｍ     

多量子阱红外探测器垂直光耦合研究

对多量子阱红外探测器制作中GaAs衬底减薄工艺程序进行了研究与讨论.通过将器件压焊封装进杜瓦瓶中,测量其室温和低温条件下,I-V特性,以及在低温条件下的器件信噪比,并以傅里叶变换红外光谱仪对器件进行光谱测量,得到光电流谱,从而比较了将器件衬底磨45.斜角的边耦合情况,以及直接将衬底减薄至(29±2)μm两种情况下器件的性能.并讨论了减薄材料在垂直入射情况下仍能引起器件光吸收的主要原因.结果表明,由于GaAs材料的各向异性,湿法腐蚀会使器件台面形成正梯形和倒梯形结构,其作用等同于器件磨至45°斜角,因此在垂直入射时器件也会有光电流产生.此外,在衬底进行减薄抛光后,衬底会有很小的起伏,这也可能引起光耦合,从而产生光电流.     

多量子阱红外级联光伏探测器

1概述 红外辐射是介于可见光与微波之间(0.75μm～1000μm)的电磁波,是一种不可见的辐射.由于可通过大气窗口1μm～3μm、3μm～5μm、8μm～14μm三个波段内的红外辐射在大气中传播时吸收和散射较少,可以到达较远的距离,相对于可见光,能提供特殊的重要信息,如位置、温度、几何尺寸、表面、距离和组份等,受到人们的广泛关注[1].     

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。     

GaAs/AlGaAs量子阱长波10.55 μm红外焦平面探测器

利用GaAs/AlGaAs量子阱结构,研制了像元规模为640×512、中心响应波长在10.55 μm附近的红外焦平面阵列器件,与50 K集成式制冷机耦合后,测试了相关性能,其等效噪声温差达到22.5 mK。焦平面组件通过了初步的开关机试验以及热真空试验后,表现良好。考虑封装冷屏导致在面源黑体测试时产生的焦面照度不均匀问题进行了数值计算,并分析了与近似解析计算的误差,表明当F数变小时应当采用数值计算,并认为探测器测试的非均匀性主要由照度不均匀贡献。针对10.55 μm量子阱探测器,利用开源的MEEP FDTD软件,进行了近场耦合的光场分布计算,计算结果表明目前的结构参数在光衍射方面是比较接近优化的。     

光栅耦合量子阱红外探测器一维光栅的光谱响应

通过包括所有可能的高阶衍射波，本文计算了量子阱红外探测器一维光栅的光谱响应，发现一维光栅有很宽的光谱范围，可以同时覆盖3～5μm和8～14μm两个波段，这将有益于红外焦平面列阵和双色探测器的设计．同时，文中就光栅深度和沟道宽度对光栅光谱响应的影响作了研究，发现光栅的深度对其光谱响应和耦合效率有明显的影响，存在一个对应最大耦合效率的光栅深度。     

高灵敏度低暗电流GaAs量子阱红外探测器

本文报道我们研制的高灵敏度、低暗电流的ＧａＡｓ量子阱长波长红外探测器的制备和性能．探测器具有５０个ＧａＡｓ量子阱和Ａｌ０．２８Ｇａ０．７２Ａｓ势垒，器件制成直径为３２０μｍ的台面型式单管．探测器的主要性能──响应率和探测率与偏置电流和工作温度关系很大．通过材料结构的精心设计和器件工艺的改进使探测器的性能进一步提高：探测峰值波长为９．２μｍ，工作温度为７７Ｋ时，峰值电压响应率为９．７e５Ｖ／Ｗ，峰值探测率超过１e１１ｃｍ·／Ｈｚ／Ｗ，暗电流小于０．１μＡ．     

Strain effect on intersubband transitions in rolled-up quantum well infraredphotodetectors

Pre-strained nanomembranes with four embedded quantum wells (QWs) are rolled up into threedimensional (3D) tubular QW infrared photodetectors (QWIPs),which are based on the QW intersubband transition (ISBT).A redshift of~0.42 meV in photocurrent response spectra is observed and attributed to two strain contributions due to the rolling of the pre-strained nanomembranes.One is the overall strain that mainly leads to a redshift of~0.5 meV,and the other is the strain gradient which results in a very tiny variation.The blue shift of the photocurrent response spectra with the external bias are also observed as quantum-confined Stark effect (QCSE) in the ISBT.     

光子晶体结构对量子阱红外探测器光吸收增强效应的研究

针对量子阱红外探测器(QWIP)光吸收效率较低 的问题,研究了基于光子晶体的耦合结构对 QWIP光吸收效率的增强效应。通过建立吸收效率计算模型并使用有限元方法,研究了光子晶 体结构中谐 振模式的光场分布,以及光子晶体结构参数对QWIP吸收效率的影响规律。通过综合优化,利 用光子晶体的谐振增强效应,理论上可以获得约88%的QWIP光吸收效 率。     

金属腔量子阱红外探测器共振波长的角度依赖性

测量了金属腔量子阱红外探测器在斜入射条件下的光电流谱,斜入射条件分为入射面垂直于器件长轴和平行于器件长轴两种情形.从实验和理论上研究了金属腔共振模对入射角度的依赖性.实验结果表明:入射面垂直于器件长轴时,腔模共振波长不随入射角度变化;入射面平行于器件长轴时,腔模共振波长随入射角度变大而向短波移动.测试结果和推导出的共振...     

AlGaAs/GaAs quantum well infrared photodetector focal plane array based on MOCVD technology

128 × 128, 128 × 160 and 256 × 256 AlGaAs/ GaAs quantum well infrared photodetector (QWIP) focal plane arrays (FPA) as well as a large area test device are designed and fabricated. The device with n-doped back-illuminated AIGaAs/GaAs quantum structure is achieved by metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) epitaxial growth and GaAs integrated circuit processing technology. The test device is valued by its dark current performance and Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) spectra at 77 K. Cut off wavelengths of 9 and 10.9 μm are realized by using different epitaxial structures. The blackbody detectivity DB* is as high as 2.6 × 109 cm· Hz1/2·W-1. The 128 × 128 FPA is flip-chip bonded on a CMOS readout integrated circuit with indium (In) bumps. The infrared thermal images of some targets under room temperature background have been successfully demonstrated at 80 K operating temperature. In addition, the methods to further improve the image quality are discussed.     

卷曲量子阱薄膜中的应变特性

嵌入非对称耦合量子阱(quantum wells)的纳米薄膜经过化学腐蚀后,在应变工程技术下卷曲成三维的管状结构,不同管径的微管其光学特性存在不同的模式,对应两种应变释放:单轴应变释放和双轴应变释放.为研究应变状态之间的内在联系以及影响应变状态的客观因素,实验上用不同浓度的HF酸腐蚀液对纳米薄膜牺牲层进行腐蚀并卷曲成三维管状结构.对微管荧光光谱的测试结果显示,微管的单轴应变释放和双轴应变释放不仅与衬底有关,还与微管卷曲的起始状态有关,在一定条件下两种应变可以相互转换.     

卷曲量子阱红外探测器应力变化及对探测性能的影响

研究了卷曲量子阱红外探测器的应力状态变化及对光电性能的影响,发现拉应力使导带能级上移,压应力则使其下移,且双量子阱结构的卷曲薄膜的能带移动取决于两个量子阱的合应力变化;卷管薄膜可以有效将应力变化转变为应变,从而减小环境温度变化对能带移动的影响,提高红外器件温度稳定性;褶皱薄膜相比于卷管薄膜的量子阱具有较大的压应力,导致...     

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。     

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。     

160×128元多量子阱长波红外焦平面探测器件研制

报道了新研制出的160×128元GaAs/AlGaAs多量子阱长波红外焦平面器件。使用MBE的方法在半绝缘的GaAs衬底上生长器件结构；开发了用普通光刻技术和离子束刻蚀法制备2D光栅技术，以及探测器芯片与读出电路互联技术。在77 K时测试，器件的平均峰值探测率Dλ*=1.28×1010 cmW-1Hz1/2，峰值波长为λp=8.1 μm，截止波长为λc=8.47 μm。器件的非盲元率≥98.8％，不均匀性10％。     

量子阱红外探测器衬底完全去除技术研究

背面减薄技术对于提高量子阱红外焦平面探测器的性能有着重要的意义,通过衬底减薄能够缓解探测器芯片与读出电路的热膨胀失配,提高互连混成芯片可靠性,同时能够有效降低串扰。本文结合机械研磨、化学机械抛光和选择性湿法腐蚀技术,实现了量子阱探测器互连混成芯片的衬底完全去除。