甚长波量子阱红外探测器中的双激发态工作机理

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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；有缘学习更多＋谓ｙｇｄ３０７６考证资料或关注桃报：奉献教育（店铺）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。

量子阱-发光二极管红外上转换探测器工作机理

量子阱-发光二极管红外上转换探测器工作机理随着科学技术的不断发展，红外探测技术在军事、安全、医学、环保等领域的应用越来越广泛。

而量子阱-发光二极管红外上转换探测器作为一种重要的红外探测器，在红外热像仪、红外传感器、红外夜视仪等系统中扮演着重要的角色。

本文将从以下几个方面来详细介绍量子阱-发光二极管红外上转换探测器的工作机理：一、量子阱-发光二极管的基本结构和原理量子阱-发光二极管是一种特殊结构的半导体器件，它通常由多个由半导体材料组成的量子阱层、势阱层和P-N结构层组成。

当外加正向电压时，电子和空穴在P-N结处复合，释放出能量，从而产生光子。

而在量子阱层和势阱层之间的能带间隙调制可以使得器件在特定波段产生特定波长的光，因此量子阱-发光二极管可通过精确控制层厚度和材料组成来定制产生不同波长的光子，从可见光到红外光都能覆盖。

这也为红外上转换探测器提供了制备红外探测器的选择余地。

二、红外上转换技术原理红外上转换技术是指将较低能量的红外光转换为可见光或紫外光的一种技术。

在量子阱-发光二极管红外上转换探测器中，当被探测到的红外光照射到器件表面时，红外光子激发了器件内的电子，使得电子跃迁至价带和导带之间的激发态，然后激发态的电子再与空穴再结合，发射出可见光或紫外光。

通过检测被转换后的可见光或紫外光信号，即可实现对红外光的探测。

三、量子阱-发光二极管红外上转换探测器的工作机理量子阱-发光二极管红外上转换探测器在工作时，首先需要将外界的红外辐射引入到器件内部，这通常通过反射镜或透镜等光学元件来实现。

红外光子激发了器件内的电子后，电子会在耦合区域内跃迁至势阱层激发态，然后通过与空穴再结合释放出可见光或紫外光。

这些可见光或紫外光信号被探测器接收并转换成电信号，进而被放大和处理，最终形成红外图像或红外信号输出。

通过这样的工作机理，量子阱-发光二极管红外上转换探测器可以实现对红外光的高灵敏度探测和转换。

而且由于器件本身的量子结构和电子激发跃迁过程，使得量子阱-发光二极管红外上转换探测器具有高灵敏度、高速响应和大动态范围等特点。

640x512偏振长波量子阱红外焦平面探测器研制

Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｔｈｅｌａｒｇｅｆｏｒｍａｔｐｏｌａｒｉｍｅｔｒｉｃＬＷＩＲｑｕａｎｔｕｍｗｅｌｌｉｎｆｒｒｅａｄＦＰＡ．Ｔｈｅ２０Ｉｘｍ
关键词：偏振长波红外探测；大面阵量子阱焦平面组件；单片集成
中图分类号：ＴＮ３６２文献标志码：ＡＤＯＩ：ｌ０．３７８８／ＩＡ２０ｌ７４６．０１０４００４
Ｓｔｕｄｙｏｎ６４０ｘ５１２ｐｏｌａｒｉｍｅｔｒｉｃＬＷＩＲＱＷＩＰＦＰＡ
ｗｉｔｈｎｏｉｓｅｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ（ＮＥＴＤ）ｂｅｔｔｅｒｔｈｎａ３０ｍＫｗａｓｏｂｔａｉｎｅｄｗｉｔｈｔｈｅｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ
ｄｅｔｅｃｔｉｏｎｆｕｎｃｔｉｏｎｗａｓｒｅａｌｉｚｅｄｏｎｔｈｅＱＷＩＰＦＰＡ．Ｔｈｅ６４０￣５１２ｐｏｌａｒｉｍｅｔｒｉｃＬＷＩＲＱＷＩＰＦＰＡａｓｓｅｍｂｌｙ
ｍａｔｅｉａｒｌｅｐｉｔａｘｙａｎｄｃｈｉｐｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ，ｔｈｅｓｉｎｇｌｅ—ｃｈｊｐｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎｗｉｔｈＬＷＩＲａｎｄｔｈｅｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ

6.4.3 量子阱红外探测器

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。

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。

256×1甚长波量子阱红外焦平面研究

ｓｅｌｅｐｎｅｐａｓａ５ｍｄｒｓｏｓａｄｄｓｌｒｅａ．ｍ．ｅｍｅｕｅｖｒｇｐｃａｒｓｏｓｅｋｗａｔ１ｚｌｎａｅｐｎｅｂｎｗｉｔｗａａｇｒｔｎ１５ｈｈｈＴａｒｄａｅａｅｓ
李宁郭方敏，，熊大元，卫，文新。黄绮。周均铭陆王，，
（．１中国科学院上海技术物理研究所红外物理国家重点实验室，海２０８；上００３２中国科学院物理研究所，京１０８）．北０００
摘要：ＧＡ／１ＡａｓＡＧａｓ量子阱红外探测器由于其所依据的Ｇａｓ基材料较为成熟的材料生长和器Ａ件制备工艺．使其特别适合于高均匀性、大面积红外焦平面的应用。报道了甚长波２６ｌ元ＧＡｓ５ｘａ／ＡＧＡ１ａｓ多量子阱红外焦平面器件的研制成果，测嚣的峰值波长为１ｍ，应带宽大于１５ｍ。探５响．在
维普资讯
第３５卷第６期
Ｖ０．５Ｎｏ６１．３
红外与激光工程
ＩｒｒｄａｄＬａｅｇｎｅｉｇｎｆａｅｎｓｒＥｎｉｅｒｎ
２００６年１月２
Ｄｅ．Ｏ６ｃ２０
２６１甚长波量子阱红外焦平面研究５ｘ
，
中圈分类号：Ｎ２５Ｔ１
文献标识码：文章编号：０７２７（０６０ — ７６０Ａ１０ — ２６２０）６０５ — ３

红外探测Ⅱ类超晶格技术概述(一)

第５１卷　第４期激光与红外Ｖｏｌ．５１，Ｎｏ．４　２０２１年４月ＬＡＳＥＲ　＆　ＩＮＦＲＡＲＥＤＡｐｒｉｌ，２０２１文章编号：１００１５０７８（２０２１）０４０４０４１１·综述与评论·红外探测ＩＩ类超晶格技术概述（一）尚林涛，王　静，邢伟荣，刘　铭，申　晨，周　朋（华北光电技术研究所，北京１０００１５）摘　要：本文简单归纳总结了红外探测ＩＩ类超晶格材料的发展历史、基本理论、相比ＭＣＴ材料的优势和材料的基本结构。

通过设计６１?系超晶格材料适当的层厚和不同层间应力匹配的界面可以构筑灵活合理的能带结构，打开设计各种符合器件性能要求的新材料结构的可能性（如各种同质结ｐｉｎ结构，双异质结ＤＨ、异质结Ｗ、Ｍ、Ｎ、ＢＩＲＤ、ＣＢＩＲＤ、ｐ π ＭＮ、ｐＢｉＢｎ、ｎＢｎ、ＸＢｐ、ｐＭｐ等结构），还可以在一个焦平面阵列（ＦＰＡ）像元上集成吸收层堆栈实现集成多色／多带探测。

Ｔ２ＳＬ探测器可以满足实现大面阵、高温工作、高性能、多带／多色探测的第三代红外探测器需求，尤其在长波红外（ＬＷＩＲ）和甚长波红外（ＶＬＷＩＲ）及双色／多带探测上可以替代ＭＣＴ。

关键词：ＩＩ类超晶格；ＴｙｐｅＩＩ；Ｔ２ＳＬ；ＳＬＳ；材料结构中图分类号：ＴＮ２１５文献标识码：ＡＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１５０７８．２０２１．０４．００２ＯｖｅｒｖｉｅｗｏｆｉｎｆｒａｒｅｄｄｅｔｅｃｔｉｏｎｔｙｐｅＩＩｓｕｐｅｒｌａｔｔｉｃｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（Ｉ）ＳＨＡＮＧＬｉｎｔａｏ，ＷＡＮＧＪｉｎｇ，ＸＩＮＧＷｅｉｒｏｎｇ，ＬＩＵＭｉｎｇ，ＳＨＥＮＣｈｅｎ，ＺＨＯＵＰｅｎｇ（ＮｏｒｔｈＣｈｉｎａＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＥｌｅｃｔｒｏＯｐｔｉｃｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００１５，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｈｉｓｔｏｒｙ，ｂａｓｉｃｔｈｅｏｒｙ，ａｄｖａｎｔａｇｅｓｏｖｅｒＭＣＴｍａｔｅｒｉａｌｓａｎｄｂａｓｉｃｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｉｎｆｒａｒｅｄｄｅｔｅｃｔｉｏｎｔｙｐｅＩＩｓｕｐｅｒｌａｔｔｉｃｅｍａｔｅｒｉａｌｓａｒｅｓｕｍｍａｒｉｚｅｄｉｎｔｈｅｐａｐｅｒＴｈｒｏｕｇｈｔｈｅｄｅｓｉｇｎ６１?ｓｕｐｅｒｌａｔｔｉｃｅｍａｔｅｒｉａｌｓｓｙｓｔｅｍｏｆａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅｌａｙｅｒｔｈｉｃｋｎｅｓｓａｎｄｍａｔｃｈｉｎｇｉｎｔｅｒｆａｃｅｓｔｒｅｓｓｂｅｔｗｅｅｎｌａｙｅｒｓｃａｎｂｕｉｌｄｆｌｅｘｉｂｌｅｒｅａｓｏｎａｂｌｅｂａｎｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｏｐｅｎｔｈｅｐｏｓｓｉｂｉｌｉｔｙｏｆｄｅｓｉｇｎｉｎｇｎｅｗｍａｔｅｒｉａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｔｈａｔｃｏｎｆｏｒｍｔｏｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆｔｈｅｄｅｖｉｃｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ（ｓｕｃｈａｓａｖａｒｉｅｔｙｏｆｈｏｍｏｊｕｎｃｔｉｏｎｐｉｎｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｄｏｕｂｌｅｈｅｔｅｒｏｊｕｎｃｔｉｏｎＤＨ，ｈｅｔｅｒｏｊｕｎｃｔｉｏｎＷ，Ｍ，Ｎ，ＢＩＲＤ，ＣＢＩＲＤ，ｐ π ＭＮ，ｐＢｉＢｎ，ｎＢｎ，ＸＢｐ，ｐＭｐ，ｅｔｃ），ａｌｓｏｃａｎｉｎｔｅｇｒａｔｅｍｕｌｔｉｌａｙｅｒａｂｓｏｒｐｔｉｏｎｌａｙｅｒｓｔａｃｋｏｎｏｎｅｆｏｃａｌｐｌａｎｅａｒｒａｙ（ＦＰＡ）ｐｉｘｅｌｔｏｒｅａｌｉｚｅｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｍｕｌｔｉｃｏｌｏｒ／ｍｕｌｔｉｂａｎｄｄｅｔｅｃｔｉｏｎＴ２ＳＬｄｅｔｅｃｔｏｒｃａｎｍｅｅｔｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆｔｈｅｔｈｉｒｄｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｉｎｆｒａｒｅｄｄｅｔｅｃｔｏｒｗｉｔｈｌａｒｇｅａｒｒａｙ，ｈｉｇｈｏｐｅｒａｔｉｎｇｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｈｉｇｈｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，ｍｕｌｔｉｂａｎｄ／ｍｕｌｔｉｃｏｌｏｒｄｅｔｅｃｔｉｏｎ，ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙｃａｎｒｅｐｌａｃｅＭＣＴｉｎｔｈｅｌｏｎｇｗａｖｅｉｎｆｒａｒｅｄ（ＬＷＩＲ），ｔｈｅｖｅｒｙｌｏｎｇｗａｖｅｉｎｆｒａｒｅｄ（ＶＬＷＩＲ）ａｎｄｔｈｅｔｗｏｃｏｌｏｒ／ｍｕｌｔｉｂａｎｄｄｅｔｅｃｔｉｏｎＫｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｌａｓｓＩＩｓｕｐｅｒｌａｔｔｉｃｅ；ｔｙｐｅＩＩ；Ｔ２ＳＬ；ＳＬＳ；ｍａｔｅｒｉａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅ作者简介：尚林涛（１９８５－），男，硕士，工程师，研究方向为红外探测器材料分子束外延技术研究。

量子阱红外探测器探测波长与掺杂关系研究

量子阱红外探测器探测波长与掺杂关系研究王文鑫;贾华宇;李灯熬;吕玉祥;罗飚;刘应军【摘要】文章利用理论模型研究了GaAs/Alx Ga1-x As量子阱红外探测器(QWIP)中掺杂参数对探测器探测波长的影响,并借助2×2哈密顿方法计算了此模型的特征能态.通过将模拟结果与现有实验数据进行对比、分析可知,当掺杂浓度增加时,峰值归一化吸收率、吸收系数和响应度等呈非线性增大.同时还发现,在Alx Ga1-x As势垒中,Al的摩尔分数(x)增加时,子带间吸收能力增强,但吸收的峰值波长会向较短的波长方向移动,进而判定掺杂浓度是高性能QWIP设计的重要参数之一.【期刊名称】《光通信研究》【年(卷),期】2018(000)004【总页数】5页(P39-43)【关键词】量子阱红外探测器;哈密顿方法;摩尔分数;掺杂浓度【作者】王文鑫;贾华宇;李灯熬;吕玉祥;罗飚;刘应军【作者单位】太原理工大学物理与光电工程学院,山西晋中 030600;太原理工大学信息工程学院,山西晋中 030600;太原理工大学信息工程学院,山西晋中 030600;太原理工大学信息工程学院,山西晋中 030600;武汉电信器件有限公司,武汉430074;武汉电信器件有限公司,武汉 430074【正文语种】中文【中图分类】TN248.40 引言过去几十年中，对量子阱（Quantum Well，QW）中子带间吸收率和红外区域的波长检测等相关研究从未中止过，如今已取得了显著成果。

与此同时，研究人员还对基于QW结构的红外探测器（Infrared Photodetector，IP）的研制表现出极大的兴趣，目前，IP在医学、夜视摄像机、军事防御和热成像等领域已有广泛应用［1－2］。

当前，基于GaAs的量子阱红外探测器（Quantum Well Infrared Photodetector，QWIP）已成为在长波长（Long Wave，LW）红外（Infrared Radiation，IR）区域中最有希望用于IR成像的光电探测器之一。

量子阱半导体激光器的的基本原理及其应用

量子阱半导体激光器的的基本原理及其应用无研01 王增美（025310）摘要：本文主要阐述了量子阱及应变量子阱材料的能带结构，以及能态密度和载流子有效质量的变化对激光器阈值电流等参数的影响，简要说明了量子阱激光器中对光场的波导限制。

最后对量子阱半导体激光器的应用作了简要的介绍，其中重点是GaN 蓝绿光激光器的发展和应用。

引言半导体激光器自从1962年诞生以来，就以其优越的性能得到了极为广泛的应用，随着新材料新结构的不断涌现和制造工艺水平的不断提高，其各方面的性能也不断得到改善，应用范围也不在再局限于信息传输和信息存储，而是逐渐渗透到材料加工、精密测量、军事、医学和生物等领域，正在迅速占领过去由气体和固体激光器所占据的市场。

20世纪70年代的双异质结激光器、80年代的量子阱激光器和90年代出现的应变量子阱激光器是半导体激光器发展过程中的三个里程碑。

制作量子阱结构需要用超薄层的薄膜生长技术，如分子外延术（MBE ）、金属有机化合物化学气相淀积（MOCVD ）、化学束外延（CBE ）和原子束外延等。

我国早在1974年就开始设计和制造分子束外延（MBE ）设备，而直到1986年才成功的制造出多量子阱激光器，在1992年中科院半导体所（ISCAS ）使用国产的MBE 设备制成的GRIN-SCH InGaAs/GaAs 应变多量子阱激光器室温下阈值电流为1.55mA ，连续输出功率大于30mW ，输出波长为1026nm [4]。

量子阱特别是应变量子阱材料的引入减少了载流子的一个自由度，改变了K 空间的能带结构，极大的提高了半导体激光器的性能，使垂直腔表面发射激光器成为现实，使近几年取得突破的GaN 蓝绿光激光器成为新的研究热点和新的经济增长点，并将使半导体激光器成为光子集成（PIC ）和光电子集成（OEIC ）的核心器件。

减少载流子一个自由度的量子阱已经使半导体激光器受益匪浅，再减少一个自由度的所谓量子线（QL ）以及在三维都使电子受限的所谓量子点（QD ）将会使半导体激光器的性能发生更大的改善，这已经受到了许多科学家的关注，成为半导体材料的前沿课题。

量子传感器的工作原理与应用技巧介绍

量子传感器的工作原理与应用技巧介绍一、引言随着科学技术的不断发展，传感器在各行各业的应用中起到了重要的作用。

而量子传感器作为传感器领域的一项新兴技术，因其高精度、高灵敏度、低噪声等特点而备受瞩目。

本文旨在介绍量子传感器的工作原理以及一些应用技巧，希望能对读者有所帮助。

二、量子传感器的工作原理1. 量子特性的利用量子传感器利用量子力学中的量子特性来提高传感器的灵敏度和精度。

其中，量子叠加态和量子纠缠态是量子传感器的主要工作原理。

量子叠加态是指粒子在一定条件下同时处于多个不同状态的叠加态。

通过制备粒子的叠加态，量子传感器可以同时探测不同特性，从而增加了传感器对待测量的精确度。

量子纠缠态是指两个或多个粒子之间相互关联，无论其距离有多远，它们的状态都是相互依赖的。

利用量子纠缠态，量子传感器可以通过对其中一个粒子的测量来获取其他纠缠粒子的信息，从而达到远距离测量的目的。

2. 环境干扰的抑制量子传感器的工作原理还涉及到对环境干扰的抑制。

由于传统传感器在实际应用中容易受到环境因素的影响，导致测量结果的误差较大。

而量子传感器通过利用量子特性来抵抗环境干扰，可以提高测量精度。

量子传感器在测量过程中采用一种被称为量子干涉的方法，该方法可以将待测量与外部环境的干扰通过干涉效应相互抵消。

因此，即使在干扰较大的环境中，量子传感器仍能够获得准确的测量结果。

三、量子传感器的应用技巧1. 温度测量量子传感器在温度测量方面有着广泛的应用。

传统的温度传感器需要与待测物体接触，容易受到热扩散和传热不均匀的影响，导致测量结果不准确。

而量子传感器利用粒子的量子特性，可以通过光谱测量等方法实现对温度的高精度测量，同时避免了与物体接触的问题。

2. 磁场测量量子传感器在磁场测量方面也具有潜在的应用价值。

传统的磁感应计需要使用磁敏材料来感应磁场，而随着磁敏材料中的磁颗粒的增加，测量精度会下降。

而量子传感器可以利用量子纠缠态来实现对磁场的测量，不需要接触物体，并且具有更高的测量精度。

量子阱红外探测器(QWIP)调研报告

量子阱红外探测器（QWIP）调研报告信息战略中心（2007.07.12）引言 (2)1、量子阱红外探测器的原理 (3)1.1量子阱红外探测器基本原理简介 (3)1.2QWIP的几种跃迁模式 (4)1.3量子阱结构的选择 (6)1.4QWIP的材料选择 (7)1.5入射光的耦合 (9)1.6QWIP的性能参数 (11)1.7 量子阱周期数对器件性能的影响[9] (12)1.8QWIP的抗辐射机理与方法 (13)参考文献： (17)2、量子阱红外探测器的制备方法 (19)2.1直接混杂法制备红外探测器焦平面阵列像元 (19)3、量子阱红外探测器的国内外主要应用 (22)3.1红外探测器分类 (22)3.2红外探测器发展历程 (23)3.3红外探测器基本性能参数 (23)3.4各种焦平面阵列（FPA S）的性能比较 (25)3.5红外成像系统的完整结构 (26)3.5.1 焦平面结构 (27)3.5.2 读出电路 (27)3.6QWIP探测器实例分析 (29)3.7QWIP的应用领域及前景分析 (31)参考文献： (33)引言半导体量子阱(Qw)、超晶格(SL)材料是当今材料科学研究的前沿课题，被比喻为实验中的建筑学，即以原子为最小砌块的微观建筑学。

它所产生的人工晶体，其性质可人为改变控制，它比通常意义上的晶体材料具有巨大的优越性和发展前景。

它的一个极有前途、极为重要的应用领域是新型红外探测器，即第三代红外焦平面量子阱探测器。

量子阱新材料是发展新型红外探测器的先导。

红外焦平面探测器是从单元和线阵基础上发展起来的第三代红外探测器，它标志着热像技术已从“光机扫描”跃进到“凝视”这个高台阶，从而使热像系统的灵敏度、可靠性、功能容量及实时性等都获得无以伦比的瞩目进步。

众所周知，探测器是决定红外系统属性的主要矛盾，基于红外焦平面探测器的问世，它与信号读出处理电路一体化的成功，以及长寿命闭环斯特林致冷器的实用化，使红外焦平面探测器在以下重要领域得到重要应用或正在考虑其应用：①空间制导武器。

量子阱激光器的工作原理

量子阱激光器的工作原理量子阱激光器的工作原理量子阱激光器(Quantum well lasers, QWLs)是一种高效率的激光光源，能够产生高功率、高稳定性、高峰值功率的激光脉冲，是光纤通信、光学测量、非线性光学等领域中广泛应用的重要激光器。

在它的发射原理上，有两种形式，一种是通过量子阱层的重卡尔曼激发来实现发射，另一种是基于量子阱阱层的重卡尔曼放大效应。

它们的工作原理各有不同，本文主要对量子阱激光器的工作原理及其应用进行详细的介绍。

1.量子阱激发发射原理量子阱激发发射是基于量子阱层的重卡尔曼激发特性实现的。

当一个量子阱材料的厚度与对称轴的平行，其特性和一个单独的量子系统相似，被看做由一组量子级由低能到高能依次排列的阶梯结构，即量子阱体系。

因此，如果激光输入至量子阱结构，会发生重卡尔曼激发，量子阱结构的准自由电子，从低能的量子级转移到高能的量子级，从而释放出能量并产生激光辐射。

2.量子阱放大发射原理量子阱放大是量子阱激发的一种改进形式。

它是指在量子阱结构中把一个或多个低阱量子级称作“放大”量子级，当重卡尔曼激发后，准自由电子从低能的阱内量子级跃迁至放大量子级时，将激发功率增强很多倍，从而产生的激光辐射功率也更大。

3.量子阱激光器的应用量子阱激光器可以用来实现高功率、高稳定性和高峰值功率的激光脉冲，在光纤通信、非线性光学、光学测量及分析领域都有广泛应用。

量子阱激光器可用于高速光纤通信、激光打印及数字影像系统中，也可用于光纤激光器及光频率多工系统中。

此外，量子阱激光器可用于激光投影显示、投影打印及激光雷达系统等多种高效率激光系统和应用中。

总之，量子阱激光器具有高功率、高稳定性、高峰值功率、小尺寸、低成本等优势，常用于多种高效率光源的应用，预计将会在新技术领域中发挥更大的作用。

红外探测技术的原理及发展前景_袁华

科技信息博士·专家论坛红外探测技术的原理及发展前景中北大学信息工程系袁华王召巴[摘要 ]本文首先介绍了红外探测技术的原理及其在军事方面的应用 ,然后分析了红外探测技术在未来的发展前景。

[关键词 ]红外探测技术原理应用发展前景1 引言随着红外物理与技术的不断发展,红外探测技术已被广泛地应用于军事、煤矿的安全生产等各个领域,例如:在作战时,导弹和战斗机平台的雷达面积呈现显著减小的趋势,无法用无线电来比较准确的探测目标,相反地,此类探测目标由于是高速运动的,所以它与空气的摩擦和其发动机机的尾焰均会产生强烈的红外辐射,有利于用红外系统对其进行探测[1]。

在矿山施工中,可用高温度分辨红外热像仪对岩体进行实时监测,及时发现裂缝和危石、检测供电设备运行状况、判断电气故障、观测顶底板围岩的破碎情况、避免煤矿自然等现象的发生[2]。

本文主要对红外探测技术的原理及发展趋势,作进一步的研究和探讨。

2 红外探测技术的原理及应用任何物体,只要其温度高于绝对零度,就会发出红外辐射,由于物体各部位温度不同,辐射率不同,就会显示出不同的辐射特征,经过大气传输,被红外探测设备接收后,经光电转换,成为人眼可观察的图像。

红外探测技术是利用目标与背景之间的红外辐射差异,所形成的热点或图像来获取目标和背景信息的,探测系统包括:光学系统和探测器、信息处理器、扫描与伺服控制、显示装置、信息输出接口、中心计算机和激光测距等装置。

红外接收光学系统的作用是把目标或目标区域的红外辐射聚焦在探测器上,其结构类似于通常的接收光学系统,但由于工作在红外波段,其光学材料和镀膜必须和其工作波长相适应。

红外探测器将目标及背景的红外辐射转换成电信号,经过非均匀性修正和放大后以视频形式输出至信息处理器。

信息处理器由硬件和软件组成,对视频进行快速处理后获得目标信息,通过数据接口输出。

显示装置可以实时显示视频信号、状态信息。

中心计算机的作用是对整个系统提供时序、状态、接口及对内、对外指令等控制。

一种新型红外探测器的介绍_量子点红外探测器_刘炜

果 ,而考试一过所记的知识就很快遗忘了 ,因而导致部分学生对考试产生抵触情绪。他们宁愿接受学业不良的结果 ,也不愿作出
努力。对于这种归因 ,一方面我们看到学生把学业的失败归因于
没有努力 ,这对教育者引导学生形成正确归因是有利的 ;另一方面我们也应通过改革考试内容、改变学生的认知来调整学生的学习态度。
3、量子点红外探测器的基本机构 1998年 , Cho 和 Kim[9]提出了一种在调制掺杂异质结中埋入量子点的探测器结构 ,在这种结构中 ,量子点处于高电子迁移
率晶体管 ( HEM T )结构的二维电子气之下 ,在设计结构时考虑
到二维电子气通道完全耗尽 ,因此 ,器件的暗电流很小 ,器件的结构如图 1所示。该探测器 300K时的响应峰波长 10. 4μm ,探测率 D= 3× 107cm Hz1 /2 /W , 80K 时的响应峰波长 10. 6μm,探测率 D= 6× 1010cm Hz1 / 2 /W。
习兴趣”排在第一位 ,这与以往的结论中认为学业成败是努力或能力的结果不同。这种归因 ,一方面可以看作是学生的一种托
辞 ,“我不努力学习成绩不好是因为我不感兴趣” ,另一方面也说明我校的课程设置及不能轻易转专业的制度束缚了部分学生的
发展。教育者应指导学生不能跟着兴趣走 ,同时我们也应增设一些新兴课程、加大选修课的比例 ,以满足学生不同需要。
其次 ,由于 M BE技术在制备超晶格材料上的成熟艺 ,利用 M BE技术可以比较容易的设计制备出符合 (下转第 39页 )
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趣、注意力、教学质量、平时努力、临时努力、学习方法、学习条

量子阱传感器工作原理

量子阱传感器工作原理量子阱传感器是一种利用量子现象来检测和测量外部环境变化的传感器。

它采用一种类似于电子管的结构，其中具有准能量级的狭窄区域被夹在两个较低的能量屏障之间。

量子阱传感器的工作原理基于以下两个主要方面：1.量子限制效应量子阱传感器中的狭缝形成了一个带状结构，只允许特定的电子能量水平存在。

这种能级的特殊形态被称为量子态。

当自由载流子（如电子或空穴）从一个能量屏障进入量子阱后，它就被“限制”在量子态中，因为在这种状态下它不能够获得足够的能量逃离出去。

2.波长选择探测量子阱传感器还利用波长选择探测，这是一种通过选择合适的输入光波长来监测介质中特定化学或生物分子的技术。

当输入的光波长合适时，量子阱传感器的检测器就会吸收一部分光子并将其转化为电子空穴对，形成一个电荷。

通过测量这个电荷，传感器就能确定介质中特定分子的浓度。

因此，量子阱传感器的工作原理可以简单概括为：当输入光波长与特定分子的共振频率相同时，量子阱传感器就能通过量子限制效应将这些分子“捕捉”于量子态中，并利用波长选择探测技术测量其浓度。

量子阱传感器具有高灵敏度和快速响应的特点，并且对特定分子非常敏感。

因此，它们通常被用于环境监测、医学诊断和食品安全等领域。

例如，量子阱传感器可以用来检测大气中的化学污染物，如一氧化碳、二氧化氮和甲醛等有害气体；它们也可以用来检测体液中的生物分子，如葡萄糖、蛋白质和DNA等，以诊断糖尿病、癌症和遗传疾病等疾病；此外，一些食品安全实验室也使用量子阱传感器来检测食品中的污染物和添加剂。

总之，量子阱传感器具有广泛的应用前景，它是基于一系列复杂的量子物理现象而设计的高新技术产品，可以实现对环境和生物分子等微小变化的高灵敏检测，具有非常重要的研究和应用价值。

(课内实践论文)量子阱激光器的工作机理和特性

量子阱激光器的工作特性姓名：李强学号：1108141211 量子阱的工作机理1.1 什么是量子阱量子阱是指由2种不同的半导体材料相间排列形成的、具有明显量子限制效应的电子或空穴的势阱。

量子阱的最基本特征是，由于量子阱宽度(只有当阱宽尺度足够小时才能形成量子阱)的限制，导致载流子波函数在一维方向上的局域化。

在由2种不同半导体材料薄层交替生长形成的多层结构中，如果势垒层足够厚，以致相邻势阱之间载流子渡函数之间耦合很小，则多层结构将形成许多分离的量子阱，称为多量子阱。

如果势垒层很薄，相邻阱之间的耦合很强，原来在各量子阱中分立的能级将扩展成能带(微带)，能带的宽度和位置与势阱的深度、宽度及势垒的厚度有关，这样的多层结构称为超晶格。

具有超晶格特点的结构有时称为耦合的多量子阱。

量子肼中的电子态、声子态和其他元激发过程以及它们之间的相互作用，与三维体状材料中的情况有很大差别。

在具有二维自由度的量子阱中，电子和空穴的态密度与能量的关系为台阶形状。

而不是象三维体材料那样的抛物线形状。

1.2 量子阱基本原理半导体超晶格是指由交替生长两种半导体材料薄层组成的一维周期性结构，图1为超晶格结构的示意图。

以GaAs／AlAs半导体超晶格的结构为例:在半绝缘GaAs衬底上沿[001]方向外延生长500nm左右的GaAs薄层，而交替生长厚度为几埃至几百埃的AlAs薄层。

这两者共同构成了一个多层薄膜结构。

GaAs的晶格常数为0.56351nm，AlAs的晶格常0.56622nm。

由于AlAs的禁带宽度比GaAs的大，AlAs层中的电子和空穴将进入两边的GaAs 层，“落入”GaAs材料的导带底，只要GaAs层不是太薄，电子将被约束在导带底部，且被阱壁不断反射。

换句话说，由于GaAs的禁带宽度小于AlAs的禁带宽度，只要GaAs层厚度小到量子尺度，那么就如同一口阱在“吸引“着载流子，无论处在其中的载流子的运动路径怎样，都必须越过一个势垒，由于GaAs层厚度为量子尺度，我们将这种势阱称为量子阱(见图1、2)。

5-红外检测技术与系统

红外热像仪用于医学诊断
红外成像的军事应用
夜视、武器瞄具、红外搜索和跟踪、红外制导、卫星遥感等。
红外制导
原理：许多军事目标，特别是一些运动目标，如飞机、火箭、坦克、军舰等
都具有大功率的动力部分，不断地向外发射很强的红外辐射，红外制导就是利用这些目标自身发射的强大的红外辐射使导弹能自动进行瞄准和跟踪，并引起导弹自动接近目标，直到命中为止。
原理：利用材料的光电效应制成的红外探测器。室温下，
材料固有的热激发强，导致暗电流和噪声大，严重降低探测器的性能，因此，这类探测器需要制冷，通常工作在 200K以下。
光电导型探测器（重点）
光伏型探测器（重点）
光子型红外探测器
量子阱红外探测器
（工作在低温下，需要制冷）
光电子发射探测器
超导探测器
光电导型
常用的光电导型探测器
硫化铅（PbS）探测器、硒化铅（PbSe）探测器、锑化铟（InSb）探测器、 Ge掺杂的各种探测器。
性能特点
光电导效应只有在辐射辐射照射一段时间后，电导率变化才会达到稳定值，同样，辐射停止后，经过一段时间后电导率减小达到稳定值，因此，光电导探测器响应速度较慢，通常为毫秒量级。
原理
红外辐射产生的电子-空穴对，在外加偏压作用下分离，导致材料电导率增大，称为光电导效应。利用具有光电导效应的材料制成的红外探测器为光电导型探测器。
其特性类似于可变电阻器，探测器与负载电阻和偏压电源串联，当辐射照射探测器时，光子引起探测器电导率的变化调制了流经探测器和负载电阻的电流，从负载取出信号。
器件实例
美国FLIR研制的单片式热敏电阻UFPA，使用氧化钒（VOx）材料， 640512像元，NETD=30mK。

基于量子阱子带间跃迁的红外探测器研究

基于量子阱子带间跃迁的红外探测器研究荣新;王新强【摘要】红外探测器广泛应用于夜视、热成像、通讯、制导、遥感控制等领域,在民用和军事上都有重要研究意义.本文从基本原理出发,介绍研究方法、实验设计思路及北京大学在本领域近年的研究进展,着重展示科研中遇到的困难及解决方法,力图以此引导研究性实验教学,为相关科研提供参考.【期刊名称】《物理实验》【年(卷),期】2018(038)004【总页数】10页(P1-9,15)【关键词】子带间跃迁;红外探测器;量子阱结构;氮化物半导体;分子束外延【作者】荣新;王新强【作者单位】北京大学物理学院,北京 100871;北京大学物理学院,北京 100871【正文语种】中文【中图分类】TN2151 量子阱子带间跃迁的基本原理1.1 红外探测器简介红外探测器的发展历史[1]如图1所示，最早的红外探测器是利用红外线的热效应进行探测的，称为红外热探测器. 1940年前后，利用红外线光子效应的光电探测器逐渐成为主流，并在军事的需求促进下得以快速发展，红外光电探测器以碲镉汞(MCT)和铟镓砷(InGaAs)等材料发展并逐渐成熟[1]. 红外探测器的响应波段可以针对不同的光谱范围，按照波长从短到长依次为近红外(NIR)、短波红外(SWIR)、中波红外(MWIR)、长波红外(LWIR)、超长波红外(VLWIR)、太赫兹波(THz)等，波长越长的红外光光子能量越小，因此探测的难度也随之增大，器件制作成本大幅上升. 红外光电探测器按其探测原理可以分为光伏型和光导型2种：光伏型光电探测器利用光生伏特效应，在零偏压下仍有电信号响应；光导型光电探测器需要外加偏压，要考虑抑制暗电流以增加信噪比. 当前红外探测器已经发展至第三代探测器，以高空间分辨率和智能多色识别为显著特征，在超低暗电流、超宽谱探测、室温工作、小型化、柔性化等方面快速发展. 例如使用碲镉汞长波-中波红外双色探测器可以同时捕捉LWIR和MWIR波段信号，根据普朗克黑体辐射定律，不同温度的物体对应的辐射光子能量极值不同，双色探测意味着可以提高系统的探测能力，在导弹制导、预警以及目标追踪等方面意义重大，此外还包括红外-可见、红外-紫外等多种类型的双色探测器.图1 红外探测器发展历史1.2 子带间跃迁及其光电器件由于碲镉汞和铟镓砷等红外材料的组分均匀性控制方面的难题不利于其大面积红外焦平面阵列成像，同时器件工作温度偏低限制了其器件小型化、低成本、便携等方面的应用和发展. 为此，近年发展了基于量子结构的子带间跃迁(Intersubband transition，ISBT)原理制备的红外探测器[2-3]. 通常LED、半导体激光器等光电器件均是依据带间跃迁(Interband transition)的原理制成. 与此不同，子带间跃迁是指电子(或空穴)在导带(或价带)量子阱中不同子带能级之间的跃迁，如图2所示. 从高能级到低能级的ISBT可用于制备发光器件，如量子级联激光器(QCL)等[4]，从低能级向高能级的ISBT可用于制备光电探测器，如光导型的量子阱红外探测器(QWIP)和光伏型的量子级联探测器(QCD)等[5-7]. 根据量子跃迁理论，ISBT需要满足跃迁选择定则[2]，即ISBT只能吸收p光(TM光)，对s光(TE光)没有响应.图2 子带间跃迁与带间跃迁原理比较1.3 氮化物材料的子带间跃迁Ⅲ族氮化物(Ⅲ-Nitride)半导体材料包括二元系材料[氮化镓(GaN)、氮化铝(AlN)、氮化铟(InN)等]、三元合金(InxGa1-xN和InxAl1-xN及AlxGa1-xN等)以及多元合金，属于第三代半导体材料[8-10]. GaN的晶体结构主要为六方纤锌矿结构，纤锌矿GaN的晶体结构和能带结构[8,9]如图3所示，从能带结构中可知GaN为宽禁带半导体材料，禁带宽度为3.4 eV，为直接禁带半导体. 氮化物材料的发光特性较好，以其制备的蓝光LED引发了白光照明革命，当前LED光效高、亮度大、寿命长，大大节省了电力能源，减少了环境污染，日本科学家Akasaki(赤崎勇)等人因此贡献获得2014年诺贝尔物理学奖[11]. 同时，氮化物广泛应用于深紫外器件、太阳能电池、高电子迁移率晶体管(HEMT)、子带间跃迁器件等光电子器件或电子器件领域[12-14]. 由于纤锌矿氮化物中每个原子周围最近邻4个异类原子并不完全对称，因此存在自发极化，同时由于异质外延等的应力的原因存在压电极化[8]，如Ga面[(0001)面]和N面面]为典型的极性面，沿该方向生长的量子阱具有很强的极化场(～MV/cm)，如沿a面或m面生长，则为非极性面生长，量子阱中不存在极化场，同理r面为半极性面，晶格极性是氮化物中的重要属性，会大幅影响材料生长和器件性能.(a)Ga面GaN (b)N面GaN(c)能带结构图3 纤锌矿GaN的晶体结构和能带结构当前基于ISBT的QWIP研究较成熟的体系为GaAs基材料[5]，然而其器件工作通常需低温制冷，实现室温工作红外成像尚不成熟. GaN基材料属于宽禁带半导体材料，施主类型杂质电离能较大可有效抑制电子室温热激发，因此GaN基ISBT红外探测可实现室温工作[15-16]. AlGaN带间跃迁可实现紫外探测，利用AlGaN量子阱的ISBT可实现红外探测，因此采用单一氮化物体系可实现单片集成的紫外-红外双色探测[17]，如图4所示，通过AlGaN/GaN多量子阱ISBT实现红外探测，一定组分的AlGaN薄膜实现紫外探测，同时通过3个接触层防止紫外和红外信号的相互串扰. 氮化物ISBT的弛豫时间较小可制备超快器件，氮化物异质结构导带带阶大可实现几乎全红外波段光谱ISBT[18]，此外，氮化物半导体的物理、化学性质稳定，抗辐射性能强，适用于极端环境. 当前，氮化物ISBT研究主要在法国、瑞士、日本、美国、以色列、中国等国家开展研究，目前的研究热点是非极性面/半极性面材料生长和器件制备、紫外-红外双色探测器、提升中红外波段器件工作温度等. 目前已经取得了一定进展，但由于氮化物高的位错密度(c面GaN位错密度约为108 cm-2)导致较大的暗电流，同时强的极化场降低了载流子的纵向输运等原因仍然进展有限，需要深入研究其机理及相应解决方案. 本文主要研究3～5 μm大气窗口波段的氮化物ISBT及其QWIP器件.图4 典型氮化物单片集成紫外-红外双色探测器结构2 研究方法概述2.1 氮化物材料的MBE生长方法国际主流的Ⅲ族氮化物外延生长方法可分为3类：金属有机化学气相沉积(MOCVD)、分子束外延(MBE)以及氢化物气相外延(HVPE). MBE是远离平衡态的生长方式，生长温度低可有效防止界面原子互扩散，生长速度慢可实现原子级的精确控制，生长室真空度高适宜进行超高质量高纯材料的制备，在单原子层、数字合金、短周期超晶格、低密度量子点、纳米线量子结构等生长方面优势明显. 在量子力学中的有限深平底势阱等结构可以通过MBE生长半导体材料的方法完美实现，一种半导体材料对应一定的禁带宽度，如图2所示，当不同材料的界面达到单原子层的锐利度且存在导带带阶时，可以实现量子阱结构，其阱宽和势垒高度可以分别通过改变材料厚度和组分的方法实现. 但MBE是超高真空系统，设备维护成本和材料制备成本较高. MBE是在20世纪60年代末美国贝尔实验室的A. Y.Cho(卓以和)等人开创的[19]，常见的MBE系统一般包括真空系统、生长控制系统、原位监控系统、测试系统等，通过真空泵(机械泵、分子泵、离子泵、钛升华泵、低温泵等)创造超高真空生长环境，生长控制系统包含源炉(Cell)和相应的快门(Shutter)、控温系统、样品控制台等. 源炉中存放高纯源材料，通过控制Cell温度控制束流大小，通过控制Shutter精确控制源材料的生长顺序，原位表征系统主要有反射高能电子衍射仪(RHEED)等，可以实时观察样品表面的生长模式. 材料生长需要关注生长区间相图(Growth regime)，即材料制备过程中保持特定生长模式的条件范围，包括生长温度、源束流比例等，生长区间的掌握对于晶体生长极具指导性作用. GaN和AlN生长时通常考虑金属的再蒸发过程，在一定生长温度下控制Ⅲ/Ⅴ束流比可导致不同的生长区间，可分为：富N生长区间(N-rich regime)、平衡态生长区间(Intermediate regime)和富金属-液滴生长区间(Droplet regime)，平衡态生长区间对生长最为有利，温度越高该生长窗口越大. InN情况与此不同，通常需要考虑InN的分解，而生长温度下In金属的再蒸发很弱，主要考虑边界生长温度[20]，生长应维持在边界生长温度附近，大于该温度InN分解过程严重，无法生长.2.2 材料表征技术Ⅲ族氮化物常用的表征方法有：原子力显微镜(AFM)表征样品表面微观形貌；X射线衍射(XRD)表征材料物相、晶体质量、应力以及多量子阱等信息. 拉曼谱(Raman)可表征声子振动模式、缺陷、层数成分鉴定、应力状态等；光致荧光谱(PL)、电致荧光谱(EL)和吸收谱(Photo-absorption)可表征材料能带性质；阴极荧光谱(CL)可空间分辨表征样品光学性质；同时大多数光学表征方法又可扩展为微区分辨、时间分辨、变温、变激发功率等模式. 扫描电子显微镜(SEM)表征纳米柱形貌、样品表面开裂情况等；透射电子显微镜(TEM)表征样品局域晶体质量、缺陷等，表征量子阱区域的界面锐利度，准确计算材料晶格常量及原子排布等.常见AFM型号为Bruker Icon等. AFM工作模式有接触模式(contact mode)、非接触模式(non-contact mode)和轻敲模式(tapping mode). AFM除了可测试样品表面形貌外，常见的其他模式还有C-AFM(Conducting AFM)，开尔文探针力显微镜(Kelvin probe force microscopy, KPFM)等. 本文工作采用的XRD型号为Bruker D8 高分辨X射线衍射仪，X射线的波长是0.154 nm(Cu的Kα线). 对于半导体材料可认为XRD为材料无损表征技术，其工作原理可分为运动学理论和动力学理论，动力学理论常见的资料很少涉及，运动学理论即满足布拉格方程 . XRD 主要有3种模式，ω-2θ联动扫描、ω扫描(Rocking curve)、倒易空间图(RSM). 对于多量子阱(或超晶格)样品，ω-2θ扫描会出现卫星峰，从卫星峰和厚度干涉条纹通过拟合可以得到多量子阱的结构信息，如势垒组分和势阱厚度等. 通过0级卫星峰可以计算多量子阱的等效组分，但应注意0级卫星峰并不总是卫星峰中最强的峰，特殊情况下该峰甚至有可能消光，如理论计算表明，InN/AlN按4 nm/4 nm方式生长多周期将出现0级卫星峰消光，GaN/AlN按12.4 nm/12.4 nm方式生长也将出现0级卫星峰消光. 常见SEM型号为FEI NanoSEM 430等. 其原理是测试聚焦电子束(能量一般在5～35 keV)与样品相互作用发射出的低能二次电子(Secondary electron)信号. 由于衍射极限的原因，电子显微镜的分辨率远高于光学显微镜. SEM是在扫描线圈的驱动下在样品表面按一定顺序作栅网式扫描，因此其成像不是各像素同时成像，而是探头对样品不同位置逐个像素扫描得到的. 本文工作的TEM型号为Tecnai F30场发射透射电镜，并配置了EDS能谱模块，TEM 是通过面阵CCD成像的，因此其成像是同时成像，其原理可以和阿贝成像与空间滤波实验相比拟，分为实空间像和倒空间像. TEM根据光阑对衍射斑点的选取可分为明场像和暗场像，暗场像中的弱束暗场像可以大大提高成像质量.TEM,XRD,RHEED彼此也有联系，他们都是晶格结构对电子衍射的结果.2.3 ISBT红外探测器的制备及器件响应首先通过傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)进行红外光吸收测试，如果其响应波段与设计一致可以考虑制备QWIP原型器件，如图5所示，器件的台面结构分为3步：刻蚀台面、蒸镀电极和侧面钝化. 最后选取Ⅳ特性较好的样品进行红外光电流测试，红外光吸收和光电流测试的FTIR装置示意图如图6所示.(a)台面工艺截面图(b)器件测试示意图图5 氮化物红外探测器台面工艺(a)红外光吸收测试装置(b)红外光电流测试装置图6 FTIR红外光吸收和电流测试装置FTIR的主要光学部件是迈克耳孙干涉仪[21-22]，光源通常为宽谱红外光源(复色光)，其发出的红外光入射到分光板(Splitter)上被分成2束，一束透射(T)到动镜上再反射(R)射向样品，另外一束反射(R)到定镜上再透射(T)射向样品，射向样品的光是2束干涉光：TR和RT. FTIR的频率分辨率可简单地认为是动镜扫描长度的2倍的倒数，如动镜扫描距离为5 cm时，分辨率为0.1 cm-1(～3 GHz)，与传统光栅分光相比FTIR既提高了分辨率又缩短了测量时间. 动镜有2种扫描模式，一种是以恒定的速度运动，称为连续扫描或线性扫描，另一种是每运动到一个位置停留一段时间再运动到下一个位置，称为步进扫描(Step-scan). 为了放大光电流响应谱，通常需要结合斩波器和锁相放大器，由于斩波器机械斩波的调制频率有限，一般光电流谱测试时需要采用步进扫描模式. 研究型FTIR光谱仪一般配置外置光源入口和光源输出窗口，以及外置电学信号入口和电学信号导出口. 随着动镜位置的变化，TR和RT干涉光相应的光程差随之变化，使得一系列频率的光干涉增强或减弱，干涉光入射到样品时某些波长的光被吸收，探测器采集到含样品信息的电信号，该电信号的原始数据是响应信号随动镜实空间位置的变化，经软件傅里叶变换后就得到信号随波数的变化关系，即响应谱. 测光吸收和光电流时电信号的来源不同，测光吸收时样品透射光通过系统自带的红外探测器(如低温制冷的MCT等)转化成电信号，测光电流时样品(即器件)直接产生电信号，或再通过锁相放大后形成信噪比增强的电信号.实际测试中根据跃迁选择定则，ISBT只对p光有响应，对s光没有响应，在入射样品的p光与s光强度一致的情况下，以s光入射时的透射谱Is(λ)为参考，用p 光入射时的透射谱Ip(λ)与s光的透射谱Is(λ)相除，就可以扣除样品反射、光源随波长的强度分布、探测器随波长的响应谱的影响，进而可计算吸收系数谱α(λ)，设光线经过吸收区的有效路径为t，根据比尔朗伯定律有Ip(λ)=I0exp [-αp(λ)t]，Is(λ)=I0exp [-αRef(λ)t]，可得即吸收系数α(λ)正比于实际光电流信号很好时还可以进一步测试黑体谱，得到红外器件的比探测率D*、响应率R、响应时间τ以及量子效率η等特征参量.3 实验研究进展3.1 量子阱子带间跃迁的材料体系制备有源区量子阱结构首先需要选取合适的材料，氮化物中主要有AlGaN/GaN，InAlN/GaN，GaN/InGaN等结构[23-25]，区别在于前两者GaN为势阱，后者GaN为势垒. 同时由于晶格结构中按照AlN,GaN,InN顺序晶格常量依次变大，因此高质量AlGaN相比于InAlN更易制备，MBE生长中二元材料相比于三元材料生长质量高，由于通常宽势垒结构中势垒的输运是主要考虑的，因此势垒采用二元GaN有一定的优势. 调制ISBT跃迁的能量可以通过调节量子阱的阱宽或势垒材料组分等方法实现，理论与实验研究表明改变阱宽时调制的幅度更明显，如图7所示，通过改变势阱宽度，ISBT能量可以在很大范围内调制. 图7(a)中为AlGaN/GaN体系红外吸收谱，同时AlGaN薄膜部分的紫外吸收谱对应280 nm 日盲区，即实现了紫外-红外双色吸收，图7(b)为GaN/InGaN体系的红外吸收谱[24-25]，图中的吸收谱的测试需要对样品进行3个面的抛光，以实现波导结构.(a)AlGaN/GaN体系红外吸收谱和AlGaN紫外吸收谱(b)GaN/InGaN体系的红外吸收谱图7 光吸收谱如果不进行多次优化，通常实验中测试的信号会很弱，解决方法是需要从材料制备和测试两方面找原因，比如材料制备方面考虑晶体生长质量、量子阱界面及周期控制、势阱n型掺杂浓度等是否合适，测试方面考虑优化最佳光路、适当的光阑遮挡、偏振片的控制、抛光的平整度等.3.2 量子阱结构的设计及优化电子吸收特定波段的红外光从基态跃迁到激发态，光激发电子在外加偏压下纵向输运形成光电流. 需要指出的是激发态的电子同样有机会弛豫回基态，而且除了光激发电子纵向输运外，势垒热激发电子纵向输运形成暗电流，基态电子纵向隧穿也贡献一小部分暗电流，器件设计的原则是要尽量提升光电流，抑制暗电流. 通常氮化物ISBT结构的设计为如图8(a)所示，这种结构中由于氮化物的极化场导致导带边倾斜，进而形成三角形势垒，基态载流子吸收红外线后优先跃迁到能量较低的态，此时三角形势垒不利于激发态电子的纵向输运，需要着重解决极化场问题[26].(a)传统量子阱无偏压(b)传统量子阱有偏压(c)台阶量子阱无偏压(d)台阶量子阱有偏压图8 氮化物量子结构的导带边及电子能级示意图一种可能的解决方法是设计如图8(c)的台阶量子阱结构，在该结构中，基态载流子吸收红外线后直接跃迁到准连续态，而尖峰势垒厚度一般小于2 nm，便于载流子的纵向输运，同时平带势垒可以抑制暗电流增加信噪比. 平带势垒的形成需要基于等效组分原理，即在AlGaN多层结构中保持平带势垒的Al组分与单周期平均Al组分一致. 如图9[27]对不同材料厚度进行了分别计算，结果表明，当GaN厚度为6～9 MLs(原子层)时，第二子带位于平带势垒之上，此时随着GaN厚度的增加量子限制效应减弱，第一子带能级下移，第二子带位置几乎不变，从而ISBT能量变大. 当GaN厚度≥10 MLs时，第二子带进入量子阱内，此时随着GaN厚度的增加，第二子带比第一子带下移的幅度大，ISBT能量减小. 当GaN增大到26 MLs时，其ISBT能量为248 meV，ISBT能量减小的趋势逐渐减缓，此时由于极化效应各子带逐渐进入三角阱区域，增加阱宽对量子限制效应的影响已经不明显. 注意到GaN厚度≥10 MLs时，第二子带进入量子阱内，此时已经不适合做纵向输运，台阶量子阱与传统MQWs相比的优势几乎消失，所以认为GaN厚度为6～9 MLs比较合适. 综合考虑3～5 μm响应波段，设计生长了7～8MLs的样品，其TEM测试结果如图9(c). 图10根据等效组分原理进一步设计了新型台阶量子阱结构，该结构中形成了双能级共振，有利于电子的ISBT.(a)台阶量子阱厚度优化计算(b)ISBT能量随势阱厚度的变化(c)AlGaN台阶量子阱的TEM图图9 AlGaN台阶量子阱结构的设计及材料生长图10 新型台阶量子阱结构，存在双能级共振3.3 量子阱结构对探测器输运性质的影响制备红外探测器需要制备如图5(a)的台面结构，然后将其中的电极通过打线机等方式引到相应导电板上，再在导电板上焊接必要的转接头，如图11所示，最后转接头与FTIR光谱检测设备相连接. 尽管目前氮化物已经实现室温近红外探测，但氮化物中红外波段制备的红外器件响应通常很弱，如图6(b)所示，需要将器件放置于低温腔室(Chamber)中进行测量，通常既可以测变温暗(光)电流IV特性，也可以测变温FTIR红外光电流响应.宽势垒量子阱对器件输运性质的影响[28]：如图12(b)所示，通过对比窄势垒结构和宽势垒结构，发现宽势垒结构中暗电流降低了约2个数量级，可以明显提高信噪比. 从图12(a),(c),(d)可以发现，宽势垒量子阱中ISBT可以分成3种跃迁类型，分别为e1→E2，e1→E3，e1→E4，分别对应光吸收谱和光电流谱中的3个峰，光吸收只需考虑ISBT，能量越低越容易发生ISBT，因此光吸收谱中e1→E2最强，光电流的产生既需要ISBT又需要电子纵向输运，而电子输运量子隧穿概率随势垒的变高呈指数规律衰减，因此光电流谱中e1→E4最强.图11 氮化物红外探测器原型器件实物图及响应的探测单元台阶量子阱对器件输运性质的影响[27]：如图13所示，台阶量子阱中电子的纵向输运相对容易，光吸收和光电流谱中可以看到唯一响应峰，对应电子基态到准连续态的ISBT，其中，光吸收峰位为4 μm，光电流峰位为3.4 μm，光电流响应对应光吸收响应存在60 meV的蓝移. 综合分析认为其主要原因为：光吸收通常对应量子阱第一子带到第二子带的ISBT；而光电流可以对应第一子带到更高能级子带的ISBT，因为基态电子跃迁到更高的能级时，尽管吸收系数更小但有利于纵向输运，实际光电流的ISBT应主要取决于二者的平衡，即综合考虑吸收系数和纵向输运隧穿的最佳值，这与本结构中存在准连续态是一致的.由于氮化物材料质量相对较差和极化场影响等原因，光电流的测试通常信号很弱，需要持续采谱约30～40 min. 从样品角度解决方法是采用自支撑衬底提高材料质量或通过非极性面、半极性面生长等降低极化场. 其中非极性面和半极性面生长可以通过该衬底制备薄膜结构，也可以通过纳米柱结构生长，金属极性氮化物纳米柱结构的顶部通常为半极性面，侧面为非极性m面，而且纳米柱结构中由于应力释放通常可以提高材料的晶体质量. 从测试角度解决方法是适当优化FTIR步进扫描的速度、斩波器的转速、外置偏压的大小、优化光源与样品耦合、改变测试温度、更换被测台面单元、优化器件台面工艺等.(a)氮化物宽势垒结构的导带边及电子能级(b)宽势垒与窄势垒暗电流的对比(c)宽势垒结构的光吸收谱(d)宽势垒结构的光电流谱图12 宽势垒量子阱对器件输运性质的影响(a)氮化物台阶量子阱结构的导带边及电子能级(b)台阶量子阱结构的光吸收和光电流谱图13 台阶量子阱对器件输运性质的影响4 结束语本文通过对ISBT结构中势垒厚度的研究降低了器件暗电流，提高了探测信噪比，通过台阶量子阱结构和纳米柱核-壳结构调制了极化场，部分解决了ISBT红外探测中电子纵向输运难题，实现了氮化物3～5 μm红外探测器原型器件，同时验证了单片集成紫外-红外双色吸收. 该工作主要在北京大学宽禁带半导体研究中心完成，量子阱结构在北京大学MBE实验室生长制备.开展科学研究通常面临结果未知或理论设计效果不理想等客观问题，要正确对待. 实验中会遇到材料生长和器件测试方面的各种难题，如果探测信号响应较弱或没有信号应该通过对比样品、控制变量等方法查看相应结果如何变化，或者通过估算、多维度优化、查文献、探讨交流等方式积极寻找原因，该过程有利于对研究对象的性质有基本的判断，提升实验技能、积累实验经验，为实验的后续进展做充分准备. 当前大学物理实验教学内容越来越注重综合性、设计性和研究性，让学生尽早掌握科学的研究方法、分析问题的思路和解决问题的能力，为学生以后独立开展科研创新做了准备，希望本文能对相关实验教学提供借鉴.[1] Rogalski A. Infrared detectors: status and trends [J]. Progress in Quantum Electronics, 2003, 27(2):59-210.。

多色量子阱红外探测器的发展(下)

多色量子阱红外探测器的发展(下)
王忆锋;谈骥
【期刊名称】《红外》
【年(卷),期】2013(34)11
【摘要】军用红外探测器需要使用工作在各种红外波段的大规格、高均匀性多色焦平面阵列器件.满足这些要求的一个候选者就是量子阱红外(光电)探测器(Quantum Well Infrared Photodetector,QWIP).作为新一代红外探测器,QWIP 基于极薄半导体异质结构中的载流子束缚效应. GaAs/AlGaAs/QWIP的主要优点包括标准的Ⅲ-Ⅴ族衬底材料和技术、良好的热稳定性、大面积、低研发成本以及抗辐射性.QWIP的另一个重要优点是具有带隙工程能力.可以通过调节量子阱宽度和势垒组分设计出满足特殊要求(例如多色焦平面列阵应用)的器件结构.介绍了对QWIP探测物理机制的理解以及近年来多色QWIP技术的发展状况.
【总页数】8页(P18-25)
【作者】王忆锋;谈骥
【作者单位】昆明物理研究所,云南昆明 650223;昆明物理研究所,云南昆明650223
【正文语种】中文
【中图分类】TN362
【相关文献】
1.多色量子阱红外探测器的发展(上) [J], 王忆锋;谈骥
2.用于大规格高量子效率和多色焦平面列阵的波纹量子阱红外光电探测器的优化(下) [J], 顾聚兴
3.GaAs／AlGaAs量子阱红外探测器的发展及展望 [J], 陈正豪;王玉堂
4.量子阱红外探测器光耦合模式的发展状况 [J], 连洁;王青圃;程兴奎
5.GaAs／GaAlAs中红外量子阱探测器和双色量子阱红外探测器 [J], 张耀辉;江德生;夏建白;刘伟;崔丽秋;杨小平;宋春英;郑厚植;周增圻;林耀望
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