红外及远红外激光探测器

本介绍了近年来红外及远红外技术中探测器材和探测器体系结构的一些新发展，并介绍了HgCdTe探测器，非本征光电导体，多量子阱红外探测器，高温超导红外探测器和肖特基势垒混频器五种新的探测器及探测机理。     

红外光电子学中的新族——量子阱红外探测器

回顾了近10年基于半导体中量子限制效应红外探测器的进展．主要关注的是二维限制结构,即量子阱结构,形成的区别与传统红外光子探测的子带跃迁机理．在红外光电子领域作为新族的量子阱红外探测器（quantum well infrared photo-detector,QWIP）与最典型的红外探测器代表碲镉汞红外探测器进行了各自特色的分析,包括基本工作机理和材料与器件的制备技术等方面．对于QWIP发展的回顾提升了与碲镉汞红外探测器之间的互补关系．也给出了对于QWIP在未来发展方面的基本趋势．     

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.     

量子阱器件的发展及其应用

随着半导体量子阱材料的发展，量子阱器件广泛应用于各种领域。本文主要介绍量子阱的基本原理，重点从量子阱材料．量子阱激光器、量子阱虹外探测器、量子阱LED、量子阱光集成器件等方面介绍量子阱理论在光电器件方面的发展及其应用。     

一种新型红外探测器的介绍——量子点红外探测器

本文简单介绍了半导体量子点材料的基本性质及相应的红外探测器的工作原理,并举例讨论了几种典型的量子点红外探测器的结构。最后,对量子点红外探测器的主要优点进行了总结。     

平面漏斗形微腔集成的高性能长波红外探测器

为实现量子阱红外光探测器件对垂直于阱结构的入射光吸收,减小模式体积,降低暗电流,提高比探测率D^*,提高红外光探测器件性能,以10.55 μm长波红外光为例,利用等离激元微腔与量子阱材料结合,形成F-P共振,增加GaAs/AlGaAs量子阱层的吸收率和器件的响应率。设计了平面漏斗形等离激元微腔集成的量子阱红外探测器（quantum well infrared photodetector,QWIP）,使用基于有限元数值仿真方法对其进行分析。结果表明：平面漏斗形等离激元微腔集成的QWIP具有较小的光子模式体积和较高的局域场强,光吸收率维持在81%～89%的情况下,可以使探测材料体积减小38%～50%,获得的D^*比一般等离激元微腔集成的QWIP增大10%～15%。     

量子点红外探测器的性能优化

量子点红外探测器是近年来出现的一种新型低维纳米结构探测器,因其优越的特性引起了人们的广泛关注.本文给出了一种估算量子点红外探测器光电流的方法,并以此为基础,进一步研究了探测器结构对光电流性能的影响.结果显示,当结构参数层内量子点密度和量子点横向尺寸的取值都比较小时,探测器能获得一个高的光电流.     

太赫兹单光子探测器

太赫兹波探测技术在天文、国防、安检以及生物等领域发挥着越来越重要的作用.随着技术的发展,太赫兹探测器的灵敏度在不断提高,目前已经发展到单光子探测水平.在太赫兹频段,由于光子能量低,传输损耗较大,太赫兹单光子探测器的研制开发面临极大的技术挑战.本文首先介绍了太赫兹单光子探测器的基本原理、主要指标和测试系统并提出了实现太赫兹单光子探测的基本要求.然后,介绍了几种常见的太赫兹单光子探测器,包括半导体量子点探测器、量子阱探测器以及超导量子电容探测器,并对这些器件的发展历史、工作原理和性能指标进行了概述.半导体量子点探测器以及量子阱探测器可以实现10-21W/Hz1/2量级的噪声等效功率,并且具有很大的电流响应以及动态范围,但是其量子效率较低.超导量子电容探测器目前已实现1.5 THz的单光子探测,其噪声等效功率优于10~(-20)W/Hz~(1/2)并且探测效率可达90%.此外,纳米测热辐射计等太赫兹探测器也展现了太赫兹单光子探测的前景,本文对其工作原理和发展现状进行了介绍.结合目前国际上的重大研究项目以及报道的应用实例分析了太赫兹单光子探测器在太赫兹成像、天文观测、量子信息等领域的应用前景,阐述了太赫兹单光子探测器在这些应用中的优势.最后,对太赫兹单光子探测器的性能指标进行了总结并对未来的发展趋势进行了展望.     

干涉法和K-P模型计算量子阱红外探测器能带结构的比较

利用电子波在量子阱界面上的反射和干涉理论，可以计算量子阱红外探测器（QWIP）的能带结构。用此干涉法与K-P模型所得到的峰值波长与阱宽的关系曲线在阱宽非常小的条件下存在差异，依据测不准原、理对此进行了探讨，分析表明在小尺寸的量子阱中基态能级是不确定的，其有能量偏差。同K-P模型相比较，干涉法更简单易行。     

表面等离激元光栅在高灵敏红外探测器中的应用

金属中大量自由电子可以与电磁波耦合在金属表面形成表面等离激元(Surface Plasmon Polariton, SPP),能够将光辐射能量有效耦合并束缚在金属表面,在近场范围内形成显著的场增强效应.基于金属周期性结构形成的表面等离激元光栅在利用近场场增强效应的同时,可以灵活设计共振波长,因而在高灵敏红外探测器研发中得到广泛应用.采用半导体双量子阱(Quantum Well, QW)结构的电荷敏感型红外光晶体管探测器(Charge Sensitive Infrared Phototransistor, CSIP)是一种新型的高灵敏度红外探测器,它利用光敏浮栅(Photo-Gating)效应实现红外光电转换过程的倍增效应,因而具有波长可调、灵敏度高、光响应率高等优点.本文综述了表面等离激元光栅在CSIP红外探测器件中的设计和应用的研究进展,阐述金属孔阵列光栅的光耦合物理机制和场增强效果、偏振转换效率等特性,通过设计优化的表面等离激元耦合结构,提升CSIP器件光耦合量子效率,然后阐述了CSIP红外光探测器的生长结构、工艺流程,结合荧光谱测试、电流-电压(Current-Voltage, I-V)测试、慢步进扫描光谱测试等技术展示CSIP红外光探测器光电探测性能.最后进一步展望了SPP耦合CSIP高灵敏红外探测器的未来发展和应用研究趋势.     

GeSi／Si多量子阱光波导模特性分析和结构设计

根据普适于任意阱数方波折射率分布的多量子阱光波导模场分布函数和模特征方程,分析了以ＧｅＳｉ／Ｓｉ多量子阱为波导芯、Ｓｉ为覆盖层的光波导结构中锗含量、周期数、占空度、厚度、折射率分布等参量对光波导传播系数的影响．结合吸收特点,对波导探测器ＭＱＷ吸收层结构进行优化设计．     

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.     

基于CMOS晶体管的太赫兹探测器研究进展

随着太赫兹波的广泛应用,太赫兹探测技术成为研究的热点,探测器件主要以肖特基二极管,量子阱二极管,CMOS晶体管为主,CMOS晶体管探测器件具有响应度高,信噪比好,等效功率高等优点.首先介绍了太赫兹探测器的技术指标,接着从结构及材料两方面对近年来CMOS晶体管的改进方案进行了综述对比,最后介绍了太赫兹探测器的应用并对应用前景及未来发展方向进行了展望.     

InGaAs短波红外探测器的光电机理

利用ISE TCAD仿真软件,建立了铟镓砷(InGaAs)短波红外探测器表面漏电的二维模型。在背面照射方式下,模拟研究了InGaAs短波红外探测器的表面漏电对器件暗电流、总电流、量子效率和响应率的影响。研究结果表明,表面漏电会导致器件的暗电流和总电流增大,但响应率和量子效率会降低。由此可知,表面漏电是制约InGaAs短波红外探测器性能的重要影响因素,该研究结果为器件的设计与优化提供了理论依据。     

对称耦合量子阱能级特性研究与量子阱结构优化

采用无限深势阱模型分析对称耦合量子阱中最低子能级的形成,并利用二能级体系理论给出对称耦合量子阱中各子能级随外电场的变化规律。根据理论分析,指出了对称耦合量子阱在量子阱光开关应用中的优势和不足,并提出了一种新的耦合量子阱结构——准对称耦合量子阱。     

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.     

纤锌矿GaN/AlN无限量子阱中激子能量

利用改进的LLP变分法计算了纤锌矿GaN/AlN无限量子阱中激子的基态能量和结合能,并对闪锌矿GaN/AlN量子阱和纤锌矿GaN/AlN量子阱中激子的基态能量和结合能进行了对比.结果表明:纤锌矿GaN/AlN无限量子阱材料中激子基态能量和结合能随着量子阱宽度增大而降低,当阱宽较小时急剧下降,阱宽较大时缓慢下降,最后趋近GaN体材料的三维值;考虑极化子效应时激子的基态能量和结合能明显低于裸激子的基态能量和结合能,电子-声子相互作用对激子能量的贡献较大;纤锌矿GaN/AlN量子阱中激子基态能量小于闪锌矿GaN/AlN量子阱中激子的基态能量,纤锌矿GaN/AlN量子阱中激子的结合能大于闪锌矿GaN/AlN量子阱中激子的结合能,且随着阱宽的增大,两种阱中基态能量和结合能的差距越来越小.     

InGaAsP四元系量子阱材料的热稳定性

对与ＩｎＰ晶格匹配的ＩｎＧａＡｓＰ四元系量子阱材料进行了一系列热稳定性能的研究,通过光荧光谱（ＰＬ）的测量发现：ＩｎＧａＡｓＰ四元系量子阱材料在６５０℃以上的常规退火条件下有量子阱混合现象产生,而单量子阱结构较多量子阱或超晶格结构更容易产生量子阱混合。对单量子阱片进行快速退火处理后,荧光峰位置、峰宽无明显变化,表明量子阱混合的产生除了依赖于退火温度的高低,也与退火时间的长短密切相关。     

量子点量子阱中的极化子

首先研究了量子点量子阱中的电子态，对阱外及阱内的两种束缚态都进行了考虑，然后采用微扰方法，对量子点量子阱系统中的极化子效应进行了研究。最后采用CdS/HgS为材料的量子点量子阱 进行了数值计算，结果显示极化子效应对电子能级的修正明显并且不能被忽略。     

半导体量子阱中磁极化子的基态能量

本文从量子阱中电子-声子相互作用的哈密顿量出发,进一步考虑了外加磁场对极化子性质的影响,讨论了量子阱中磁极化子的基态能量与磁场和量子阱宽度的关系。数值计算结果表明,量子阱中界面声子与电子的相互作用是不可忽略的。