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.     

硅基阻挡杂质带红外探测材料与器件研究进展

红外探测在天文物理研究领域具有极其重要的应用前景,由于天文深空探测对象的特殊性,对红外探测器的性能要求十分苛刻.阻挡杂质带(BIB)红外探测器,因其具有响应波段宽、噪声低、灵敏度高以及抗辐射性能好等优点,在过去30年中发展成为国际上天文领域首选的红外探测器.BIB红外探测器的探测波长覆盖中红外到远红外波段,它的推广应用促进人类在天文深空探测领域取得了一系列重大的科学成果.我国在BIB红外探测器的研究起步较晚,近年来也取得了较大进展,但是与国际领先水平相比尚有较大差距.本文主要回顾、评述了过去5年多我国在BIB红外探测器领域的研究进展,对BIB红外探测材料及其相应BIB器件的制备工艺、物性表征和光电响应特性,以及表面等离激元对器件光电响应的调控等做了详尽介绍,为我国BIB红外探测器的发展提供参考和实验依据.     

长波红外探测器的辐射定标

辐射定标是实现红外测温技术的基础。针对复杂环境下,大范围高温区域的测量任务,建立辐射定标数学模型。首先,采用长波红外热像仪和高温黑体炉进行定标实验,分析探测器响应灰度值与黑体辐射的关系。然后,考虑到探测器在测温过程中有可能进入饱和状态,进一步分析探测器响应灰度值与积分时间的关系。提出综合考虑黑体辐射和积分时间的定标计算方法;并给出了热像仪的理论测温范围的推导过程。最后,通过辐射定标数据的温度反演验证该方法的准确性,获取可参考的理论测温范围。实验结果证明该方法满足应用需求,不仅能够快速、有效地得到定标数据,而且对实际的应用具有一定的指导作用。     

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%.     

锑化物超晶格长波红外焦平面探测器研究进展

锑化物的研究开始于20世纪50年代,70年代随着超晶格概念及后来能带工程的出现,锑化物在红外探测领域的潜力逐渐显露.基于现实的需求,锑化物材料的生长外延及工艺处理技术取得了快速进步,这也得益于之前对Ⅲ-Ⅴ族材料的大量研究.Ⅱ类超晶格(T2SL)的发展主要源于两个主要原因:首先相对于HgCdTe材料,Ⅱ类超晶格具有低成本、可重复性、可操作性、高均匀性等优势,尤其在长波红外及以上波段,Ⅱ类超晶格相对于HgCdTe的优势更明显.其次与HgCdTe材料相比,Ⅱ类超晶格具有很低的俄歇复合概率,这意味着Ⅱ类超晶格红外探测器具有比HgCdTe探测器更低的暗电流或更高的工作温度,提高长波焦平面的工作温度对于降低成像系统的功耗、尺寸及重量至关重要.另外,大气窗口在8–14μm有最高的透射率,同时温度为室温(300 K)的物体所发射的红外辐射波长大约为10μm.因此,长波红外探测对于InAs/GaSbⅡ类超晶格极具价值.理论上Ⅱ类超晶格红外探测器在等效截止波长下能提供同等或超越HgCdTe探测器的性能.但由于Ⅱ类超晶格材料在少子寿命上与HgCdTe存在很大差距,导致Ⅱ类超晶格探测器在耗尽区有很高的产生复合电流.为了抑制产生复合电流及其他机制暗电流,提出了各种结构并应用于Ⅱ类超晶红外探测器上,如PπMN结构、CBIRD以及单极势垒型等,极大地降低了长波器件的暗电流,同时增加了器件阻抗及探测率.此外,InAs/InAsSb超晶格的提出,避免了由Ga在禁带引入复合中心,有效地提高了少子寿命.随着Ⅱ类超晶格技术及理论的不断完善,锑化物超晶格长波焦平面在可操作性、均匀性、稳定性、可扩展性上的优势将更为明显.     

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%。     

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.     

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＊=5．14×10^9cm．Hz^1.2/W、单元黑体单色探测率Dλ＊=4．24×10^10cm．Hz^1/2/W．通过铟柱与互补式金属一氧化物一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 planearray）在积分时间100μs时,有效像元率Nef=99．22％、平均响应率R=3．485×10^6V/W、响应率的不均匀性UR=5．83％、平均黑体探测率典型值Db^＊=2．181×10^8cm．Hz^1/2/w、平均单色探测率Dλ^＊=8．288×10^9cm．Hz^1/2/W．器件已适合进行室温目标的热像图．     

甚长波红外光电探测材料和器件专题·编者按

任何处于非绝对零度的物体都会辐射电磁波,探测辐射电磁波就能实现对物体的探测.根据普朗克黑体辐射定律推算出黑体辐射能量密度随温度的4次方成正比.因此,低温目标的辐射能量密度很弱,对探测器灵敏度要求极高.另一方面,黑体辐射峰值波长随温度降低向长波方向红移, 5800 K时峰值波长位置在0.5μm左右, 100 K时在30μm附近. 30μm对应的半导体材料禁带宽度仅为40 me V,差不多等于一个光学声子的能量.这样窄的带隙,材料的电学性能几乎完全受控于本征热激发,使得根据传统带间跃迁原理制备的探测器无法工作.     

高Tc超导薄膜红外（光）探测器的研究

系统地报道了近年来关于高Ｔｃ超导薄膜红外（光）探测器的研究成果，先后进行了单元分立器件、２×２、２×４集成式阵列器件以及约瑟夫逊结型红外（光）探测器的研究。器件经过１０多次的液氮温度至室温的冷热循环，并在室温下保存两年以上，所得测量结果基本不变。采用具有约瑟夫逊效应的高Ｔｃ超导双晶晶界结的光探测器具有量子效应，其响应速度快于６．３５×１０－７ｓ。     

Study of an athermal infrared dual band optical system design containing harmonic diffractive element

Infrared radiation has three main atmospheric win-dows, consisting of near infrared (0.75—2.5 mm)mid-wave infrared (3.2—4.5 mm) and thermal infraredband (8—14 mm). Most infrared optical systems are single band, which causes many insufficiencies in obtaininginformation. So a dual band imaging optical system has been brought forward by some investigators in order to enhance self-survival and detect targets-enemy[1]. An in-frared optical system with dual bands has great superiority in obtainin…     

非制冷红外焦平面探测器技术应用及市场分析

主要介绍了非制冷红外焦平面探测器的发展历史、现状以及主要应用领域,分析了非制冷红外焦平面探测器技术未来发展趋势和市场应用前景,对红外产品生产厂家的未来发展方向提供了参考建议.     

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。