6.4.3 量子阱红外探测器

6.4 红外焦平面探测器
红外焦平面探测器
◆焦平面的概念与基本结构◆肖特基势垒探测器
◆量子阱与量子点探测器◆倒装互连技术
6.4 红外焦平面探测器6.4.3 量子阱与量子点探测器
量子阱与量子点探测器
量子阱探测器
量子阱红外探测器
❖量子阱红外探测器(QWIP)是随着分子束外延技术及量子阱超晶格材料的发展，利用GaAs/GaAlAs量子阱子带间红外光电效应制备的高灵敏红外探测器；它具有InSb、HgCdTe同样的性能，可实现大面积、均匀性高，且与目前的GaAs工艺兼容；
❖通过改变量子阱宽度和势垒高度对带隙宽度进行人工剪裁，可方便地获得6～20μm光谱范围的响应，通过在GaAs势阱层内增加InGaAs材料，短波长可扩展到3μm。

通过改善量子阱能带参量可以实现光谱响应大范围调节，在2~20μm 的范围内均可工作；
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量子阱红外探测器
❖当器件正偏时，电压增大，光电信号减少；零偏时，光电信号较大；反偏时，电压增大，光电信号增大量很少，达到饱和。

故量子阱探测器具有明显的整流特性；
❖能带与掺杂分布的不对称性，使得整个N型区有类似于P-N结的特性，故具有向长波延伸的条件。

❖从1987年贝尔实验室研制出第一个GaAlAs/GaAs量子阱红外探测器以来，该技术得到了迅速发展，成为三十多年来红外探测器领域研究的新热点。

❖下图为GaAs/AlGaAs量子阱红外探测器子带吸收的能带示意图，量子阱导带内基态电子(或空穴)在红外辐射作用下，向高能带跃迁，并在外电
场作用下做定向运动，形成与入射光强成正比的光电流。

量子阱的基本结构
❖Levine等人利用该原理试制出了最初的量子阱红外探测器。

该量子阱红外探测器是采用分子束外延法交替生长GaAs阱和AlGaAs势垒50个周期构成的超晶格结构。

量子阱红外探测器
量子阱探测器的基本工作模型
量子阱红外探测器工作的基本模型
❖束缚态－束缚态跃迁：量子阱中的两个子能带均为束缚态，在红外辐射的作用下，电子从基态被激发到第一激发态（光
谱响应窄），处于受激态的电子在外加较大偏压电场的作用
下，穿过薄势垒顶部产生隧道贯穿，并以热电子形式输运，
形成光电流；
❖束缚态－束缚态跃迁：量子阱中的两个子能带均为束缚态，在红外辐射的作用下，电子从基态被激发到第一激
发态（光谱响应窄），处于受激态的电子在外加较大偏
压电场的作用下，穿过薄势垒顶部产生隧道贯穿，并以
热电子形式输运，形成光电流；
❖束缚态－自由态跃迁：当势阱宽度进一步减小时，子能级的束缚态会在势阱中上升，形成高于势垒的自由态(或
连续态)（光谱响应较宽），在红外辐射作用下，使电子
直接从势阱进入自由态，在较小外加偏压作用下形成光
电流；
❖多量子阱跃迁：由两种不同半导体材料薄层交替生长形成多层结构（A/B/A/B…），两种跃迁方式均存在的多个量子阱探测器模型。

❖如果势垒层足够厚，相邻势垒间
的载流子波函数耦合很小，则多
层结构形成分离的量子阱。

在更
密的隔离材料层中的每一层里，
利用人工结构材料制造技术，
n=1能级逐次升高；控制超晶格薄层的厚度可以改变响应波长
可变空间超晶格能量滤波器(VSSEF)(b )量子阱宽度对能级的影响；(c ) 调整偏置电压后的能级图
❖通过施加一定偏压，可使得这一设计的
特殊材料层所有n=1的能级排列成一直
线。

此时，该材料层成为通过电子隧道
电流的能量滤波器，隧道电流由具有特
定能量的电子构成，并存在于这一能级
输出电流中。

❖右图相当于一个光电倍增器阵列，每个
VSSEF 级中，形成单一能量的电子电流。

多量子阱红外探测器工作的基本模型
❖QWIP器件的暗电流特性是量子阱红外探测器的一个极为重要的特性参数，对器件噪声和工作温度都有很大的影响，进而直接影响器件的探测率。

量子阱红外探测器的暗电流
基态隧穿 热辅助隧穿●热激发QWIP 器件的三种暗电流机制①低于30K 温度下基态遂穿起主导作用
②30K--45K 温度下热辅助遂穿起主导作用
③更高温度下热激发起主导作用
量子阱探测器的工艺与特点
❖由于p 型掺杂QWIP 器件的载流子迁移率低，故目前常用的QWIP 焦平面器件为n 型掺杂光导型器件。

典型单色QWIP 器件结构
典型双色QWIP 器件结构
QWIP
器件结构工艺
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为什么要引入光耦合工艺
❖根据量子力学的跃迁选择定则，入射的光子只有在电极化矢量不为零时才能被子带中的电子吸收，进而从量子阱基态跃迁到激发态，形成电导率的变化而被器件所探测；
❖而从QWIP材料正面垂直入射的红外光沿电子跃迁方向的电极化矢量为零，所以，QWIP材料对垂直入射的红外光不吸收，必须进行光耦合操作。

四种常见的光耦合方式
►JPL研制的1024×1024元双色量子阱红外探测器，响应波段：4.4μm～5.1μm，7.8μm～8.8μm，代表了当前双色量子阱红外探测器的近期研制水平。

量子阱双色焦平面器件结构图
►NASA/JPL 联合研制的640×512 四色焦平面器件，响应波段为4～5.5μm，8.5～10μm，10～12μm，13～15.5μm，代表了当前多色量子阱红外探测器的最高研制水平。

640×512四色红外焦平面探测器阵列及器件结构层状图
量子阱红外探测器的特点
❖量子阱探测器的优势：
☺均匀性和热稳定性好，具有功率低、生长和钝化工艺成熟，便于加工，适于制造长波光伏和大规模FPA探测器；
☺其材料和工艺易于与信号读出电路耦合，量子阱探测器将是兆级像素、多色制冷FPA探测器的有力竞争者，但要达到实用化，还有很多理论和工艺问题需要探索和解决。

❖量子阱探测器的不足：
☹暗电流大，量子效率不高(低于30%)，难以获得很高的光电灵敏度；
☹需要强有力的低温控制，在制冷方式的选择上受到限制。

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量子点探测器
量子点红外探测器
量子点与量子阱：
❖量子阱是电子在材料一维方
向上运动受限，仅在一个方
向上量子化的效应明显。

❖量子点是电子在材料三维方
向上运动受限，第一激发态
就存在三重态的离散能级，
其量子化效应比量子阱更明
显。

半导体受限维度与电子能态密度
量子点红外探测器工作原理
❖当量子点束缚态内的电子受到光照时，如果光子的能量比电子激发所需要的能量大，则电子将从束缚态跃迁到激发态或连续态，在外加电场的作用下，电子被收集形成光电流。

图为QDIP的工作原理示意图。

❖两种基本的器件结构：垂直输运结构和横向输运结构。

垂直型量子点红外探测器通过载流子在顶部接触层和底部接触层之间的垂直输运来收集光电流，如下左图所示；横向型量子点红外探测器中，载流子则是在两个顶部欧姆接触之间的高迁移率通道中输运收集光电流，如下右图所示。

量子点红外探测器
❖2006年，报道了一种Si基Ge量子点光电探测器。

这种量子点探测器
结构如下图。

量子点红外探测器
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量子点红外探测器
❖量子点红外探测器利用三维受限的量子点材料为工作区，不仅克服了量子阱红外探测器上不能吸收垂直入射辐射的缺陷；
❖而且还避免了使用耦合装置带来的成本，甚至呈现出更加优越的性能（如暗电流进一步减小，增益系数更高），进而可实现室温工作不需要制冷等优点，是未来与HgCdTe、QWIP等红外探测器展开竞争的重要器件——越来越受到研究者的广泛重视。