新型低维结构锑化物红外探测器的研究与挑战

红外光电探测器已经历了半个多世纪的发展,先后出现了机械扫描式单元及线列探测器和凝视型红外焦平面探测器两代探测器技术,并形成了一个庞大的红外探测器器件家族.近年来人们逐渐提出了以高探测率、大面阵、低成本、多光谱为技术特点的第三代红外探测器概念.锑化物红外探测材料以其具备的优越光电性能:量子效率高,暗电流小,微带带隙可调,均匀性高、成本低等,成为第三代红外焦平面探测器的最优选材料.本文回顾了近年来国内外第三代红外探测器材料与器件的研究发展历程,重点阐明了锑化物II类超晶格红外探测材料在技术上的优势及其国内外发展现状.通过分析个多个重点研究机构的技术发展历程,阐明了锑化物材料与器件研究的发展趋势,面临的挑战以及今后数年内该领域的研究重点.     

长波和甚长波及其双色InAs/GaSb二类超晶格红外探测器的研究进展

本文报道了基于InAs/GaSb二类超晶格实现长波、甚长波及窄带长波/甚长波双色红外探测器的研究,生长的材料具有极高的材料质量.长波探测器单管器件在77 K条件下50%截止波长为9.6μm,峰值响应为3.2 A/W,峰值量子效率为51.6%;甚长波红外探测器单管器件在77 K条件下50%截止波长为14.5μm,量子效率为14%,热噪声限制的探测率为4.3×109 cm Hz1/2 W-1.通过改变偏压极性实现双色探测的窄带型长波/甚长波InAs/GaSb二类超晶格红外探测器两端器件,偏压小于0 V时在长波区工作,偏压大于40 mV时,在甚长波区工作.具体来说,偏压为-0.1 V时,器件光响应50%截止波长为10μm;而偏压为40 mV时,器件光响应50%截止波长为16μm.对于长波光响应,δλ/λ为44%,对于甚长波响应,δλ/λ为46%.甚长波对长波的串音为9.9%,长波对甚长波的串音为11.8%.     

面向HgCdTe红外焦平面探测器应用的分子束外延材料研究进展

报道了针对第三代碲镉汞红外焦平面的应用需求进行的碲镉汞分子束外延研究进展.面向大规模HgCdTe红外焦平面探测器的应用,开展了大面积替代衬底上的分子束外延技术研究,报道了在大面积替代衬底上的碲镉汞分子束外延材料的晶体质量、表面形貌和组份均匀性的改善方法和研究结果.512×512及以上规模的中波、短波碲镉汞面阵器件制备验证表明Si基碲镉汞材料满足应用需求.围绕甚长波红外焦平面探测器及雪崩红外焦平面探测器的研制需要,开展了低缺陷的ZnCdTe基碲镉汞分子束外延研究.外延获得的HgCdTe外延材料均匀性得到明显提高.经过外延条件的优化,厚度为10μm的HgCdTe/ZnCdTe(组分x=0.22)分子束外延材料位错密度最好结果为3×104 cm-2,双晶半峰宽小于25弧秒.     

HgCdTe材料的制备及其红外器件综述

近年来，HgCdTe材料在红外领域的应用得到了长足的发展，并成为继Si和GaAs以后最为重要的半导体材料之一。在发展过程中，由最初的采用体材料直接制作器件，发展到目前利用薄膜技术来制作器件，并通过灵活运用各种薄膜的制备和掺杂技术，采用不同的器件结构，使器件的性能取得了极大的提高。由单元到多元到焦平面，由单色到双色，由低温到高温，由短波波段到长波波段，HgCdTe红外探测器已发展成为了种类最齐全，应用最广泛的一类红外探测器。     

天文用阻挡杂质带红外探测器

低温目标红外辐射的灵敏探测和成像在航天和深空探测中具有重要的应用价值.300 K以下低温目标的辐射强度很弱,辐射特征波长位于中远红外区.阻挡杂质带红外探测器是中远红外探测器中重要的一员,具有覆盖波段宽、灵敏度高、暗电流低、抗辐射性能高等优点,能够胜任空间技术和天文探测在中远红外波段探测的苛刻要求.本文以红外天文探测对红外探测器的应用需求作为出发点,主要就国内外红外天文学、红外天文探测器发展概况,阻挡杂质带红外探测器发展历史及其材料、器件结构等方面做了简要综述,并简明扼要地介绍了阻挡杂质带探测器的器件物理模型.     

红外-近红外波长变换器件p-QWIP-LED研究

报道了一种基于p型量子阱红外探测器(QWIP)和发光二极管(LED)的新型量子阱红外探测器. 该器件作为一种p型量子阱红外探测器(QWIP)和发光二极管(LED)的有效集成器件, 可以将QWIP探测的长波红外信号经光电转换过程后变成LED在近红外的发光. 通过电学直接读出方式和近红外(0.87 μm)光强度变化读出方式, 从实验上测量了器件的红外响应光谱, 设计与制备的器件实现了从长波红外(7.5 μm)向近红外(0.87 μm)的波长变化. 研究结果表明这种红外-近红外波长变换途径有可能导致红外焦平面技术体制的变化.     

中波/长波碲镉汞探测器温度响应特性分析

以Sofradir公司的红外中波320×256和长波288×4碲镉汞探测器为研究对象,建立了中波/长波红外碲镉汞焦平面探测器响应模型.对黑体温度响应特性曲线进行建模计算,并将计算曲线与常温段实测数据对比分析,结果显示两者具有较好的一致性,表明模型有效.从测试结果与模拟结果的一致性可以推测:响应模型对焦平面探测器探测低温目标具有参考价值.     

256×1甚长波多量子阱红外焦平面线列研制

通过材料设计与制备,甚长波GaAs/AlGaAs多量子阱红外探测器的峰值响应波长14.6μm,响应带宽大于2.2μm.256×1焦平面线列采用垂直入射二维光栅耦合工作模式,45K温度下,单元响应率4.28×10-2A/W、单元黑体探测率Db*=5.14×109cm·Hz1/2/W、单元黑体单色探测率Dλ*=4.24×1010cm·Hz1/2/W.通过铟柱与互补式金属-氧化物-半导体读出电路互连得到的甚长波量子阱红外探测器FPA(focal plane array)在积分时间100μs时,有效像元率Nef=99.22%、平均响应率R=3.485×106V/W、响应率的不均匀性UR=5.83%、平均黑体探测率典型值Db*=2.181×108cm·Hz1/2/W、平均单色探测率Dλ*=8.288×109cm·Hz1/2/W.器件已适合进行室温目标的热像图.     

基于三氧化钼和m-MTDATA超晶格的有机红外光敏场效应管

1 000 nm以上红外波段在光纤通信等方面具有重要的应用,而能够在此波段响应的有机红外光敏材料数量较少,限制了有机光探测器在近红外的应用.有机光敏场效应管(OPT)集光信号的探测与放大为一体具有高的灵敏度和低的噪声.利用三氧化钼(MoO_3)和有机小分子4,4′,4″-三(N-3-甲基苯基-N-苯基氨基)三苯胺(m-MTDATA)交替热蒸发沉积形成了一种在900～1 300 nm红外波段有显著增色效应的电荷转移复合物薄膜.采用该薄膜搭配高迁移率的并五苯沟道层制备的近红外OPT具有场效应光探测性能.对器件工作的物理机制进行了阐述.这种新型有机-无机超晶格红外光敏材料可以为有机红外探测器的研究开发提供新的选择.     

压电陶瓷微位移驱动器在FY-3卫星G型辐射制冷器上的应用

压电陶瓷微位移驱动器是利用逆压电效应来实现电控位移并产生驱动力的一种新型微位移器件。FY-3气象卫星有效载荷中分辨率光谱成像仪（MERSI）采用大冷量G型辐射制冷器冷却碲镉汞（HgCdTe）红外探测器,即长波红外和短波红外线列探测器,分别安装在辐射制冷器二级和一级上。在对G型辐射制冷器的后光路校核过程中,根据传递函数（MTF）值确定其相对于红外探测器组件的最终位置。压电陶瓷微位移驱动器作为真空和低温下红外透镜组件的驱动工具。     

阻挡杂质带甚长波红外探测器

阻挡杂质带(Blocked Impurity Band,BIB)探测器是从杂质带光电导(Impurity Band Conduction,IBC)探测器发展而来,利用杂质能级上的电子跃迁,可以探测光子能量远小于半导体禁带宽度的低能光子.BIB探测器的探测波长主要由衬底和掺杂杂质决定,可以覆盖5–300μm波段范围.得益于探测波长长、探测率高和抗辐射性好等优点,BIB探测器自问世以来就一直被大量研究,广泛应用于各种大型天文基红外探测平台上.目前,Si基BIB探测器发展迅速,但是Ge基和GaAs基BIB探测器的发展相对缓慢.BIB探测器对于推动天文和相关科学的发展具有不可替代的作用,欧美等发达国家在BIB探测器上的科研投入巨大.随着我国经济和科技的发展,我国科研人员急切盼望国产BIB探测器可以早日投入使用.本文主要针对BIB探测器物理模型、制备方法、测试手段和国内外发展现状等方面展开讨论,探究BIB探测器的主要工作机制以及器件研发的关键技术,帮助相关研究人员快速了解BIB探测器.     

有限的半导体超晶格中的电荷密度激发

本文应用麦克斯韦方程和适当的边界条件导出了有限的类型—Ⅱ半导体超晶格的集体表面激发色散关系的一个解析表达。对有限的超晶格,所得结果指出:表面等离子激元的能量与这一体系的层厚直接有关,但是临界波矢与它的厚度无关。类型—Ⅱ超晶格的一般化的公式加上适当的条件可化为类型—Ⅰ超晶格的结果。     

Dark current mechanism of unpassivated mid wavelength type II InAs/GaSb superlattice infrared photodetector

We investigate the dark current mechanism for an unpassivated mid wavelength(MW) type II InAs/GaSb superlattice infrared photodetector by doing the variablearea diode tests. The bulk resistance-area product and the resistivity due to the surface current are determined to be17.72 X cm2 and 704.23 X cm at 77 K, respectively. It is found that for all the mesa sizes used, the dark current is dominated or predominated by the surface component, and with scaling back the mesa size, the surface current increases while the bulk component decreases. The activation energy is determined to be 145 meV for the temperature range around 140–280 K, while it is 6 meV when temperature is below 100 K. It is also found that the dark current is dominated by the generation-recombination current for the MW device when temperature is between140 and 280 K.     

应变超晶格(InxGa1-xAs)n/(GaAs)n(001)的电子结构和光学性质

用半经验的紧束缚方法ｓｐ３ｓ＊计算了薄层应变超晶格（ＩｎｘＧａ１－ｘＡｓ）ｎ／（ＧａＡｓ）ｎ（００１）的电子结构．给出了组份Ｘ为０．５３的超晶格（ＩｎｘＧａ１－ｘＡｓ）ｎ／（ＧａＡｓ）ｎ的带隙值随层厚ｎ的变化关系,以及超晶格（ＩｎｘＧａ１－ｘＡｓ）１２／（ＧａＡｓ）１２的带隙值随组份Ｘ的变化关系．在得到超晶格能量本征值和本征函数的基础上,计算了该超晶格系统的光学介电函数虚部,并与体材料ＧａＡｓ和体合金ＩｎｘＧａ１－ｘＡｓ的光学性质作了比较．计算结果表明,应变超晶格在较宽的能量范围有较好的光谱响应．     

一种红外焦平面温度监测电路

制冷型红外探测器的工作温度严重影响着其性能,在工作过程中,必须对其工作温度进行监测。法国sofradir公司的红外探测器组件采用晶体管2N2222的发射结作为其温度监测的传感器。本文设计了一种红外焦平面探测器的温度实时监测电路,并采用替代电阻对温度进行标定。