6.4.3 量子阱红外探测器
光子探测器分类
描述bios的含义
光子探测器是一种能够探测光（光子）的探测器，通常用于高能物理、核医学、安全检查、环境监测等领域。
常见的光子探测器分类如下：
- 按照工作原理分类：
- 光电探测器：利用光电效应将光信号转换为电信号，如光电二极管、光电倍增管等。
- 热探测器：利用光热效应将光信号转换为热信号，如热敏电阻、热释电探测器等。
- 量子探测器：利用量子效应将光信号转换为电信号，如雪崩二极管、硅光电池等。
- 按照探测波长分类：
- 可见探测器：能够探测可见光谱范围内的光，如光电二极管、光敏电阻等。
- 红外探测器：能够探测红外光谱范围内的光，如热释电探测器、量子阱探测器等。
- 紫外探测器：能够探测紫外光谱范围内的光，如雪崩二极管、硅光电池等。
- 按照应用领域分类：
- 高能物理探测器：用于高能物理实验中探测光子，如闪烁计数器、切伦科夫计数器等。
- 核医学探测器：用于核医学成像中探测光子，如正电子发射
断层扫描（PET）探测器、单光子发射计算机断层扫描（SPECT）探测器等。
- 安防探测器：用于安全检查和监控中探测光子，如X射线探测器、γ射线探测器等。
红外探测器材料
无线红外幕帘探测器红外火焰探测器光电传感器光子型碲镉汞红外探测组件无线红外烟雾探测器光导探测器产生电信号，常用于探测红外辐射和可见光。
HgCdTe 探测器是光子探测器碲镉汞红外探测器材料碲镉汞红外探测器的特点n-on-p型与p-on-n型HgCdTe红外探测器碲镉汞红外探测器的应用碲镉汞中外探测器材料学院碲镉汞红外探测器材料碲镉汞红外探测器的特点n-on-p与p-on-n模式HgCdTe红外探测器碲镉汞红外探测器的应用碲镉汞红外探测器材料碲镉汞红外探测器的特点n-on-p与p-on-n模式HgCdTe红外探测器碲镉汞红外探测器的优缺点及应用层空间宇宙探测等。
碲镉汞红外焦平面探测器可探测的中红外光波波段为2.0 -5.4微米160kHz内置热电冷却器提高灵敏度毫米的热电冷却探测元件非制冷型红外探测器材料——氧化钒氧化钒的晶体结构和相变特性氧化钒薄膜的制备及掺杂原理与工艺氧化钒薄膜的优势及应用材料学院薄膜的折射率在相变点处也呈突变现象。
相变特性三：电阻突变性质•VO 2薄膜在相变前后的电阻将发生突变现象，通常变化幅度约为2-3个数量级，有时可以达到5个数量级。
•相变同样存在温度滞后现象•影响相变的因素：1.掺杂：能较大的改变薄膜的电阻及影响薄膜的相变温度2.衬底材料：非晶态衬底上制备得到的VO 2薄膜的电阻突变幅度最高约2-3个数量级，如玻璃、釉质等；而在蓝宝石衬底上制备得到的薄膜电阻突变幅度可以达到5个数量级。
对于衬底表面进行处理（抛光、刻蚀等）也会产生影响材料学院由于晶系结构的变化, 二氧化钒的光电性能发生了很大的变化, 而非制冷型红外探测器材料——氧化钒氧化钒的晶体结构和性质氧化钒薄膜的制备及掺杂原理与工艺氧化钒薄膜的优势及应用2.1.3 溶胶-凝胶法(Sol-Gel)有机溶胶-凝胶法：采用钒的醇盐与适当的溶剂和水，按比例混合后，搅拌2.2氧化钒薄膜的掺杂降低，当掺钨量为2.1at.%时，薄膜的相变温度为14℃。
多量子阱红外级联光伏探测器
等 许 多 优 点 ，因而 有 望 成 为 新 一 代 Ｆ Ａ材 料 。 Ｐ
同 ＨＣ Ｔ ｇ ｄ ｅ材 料 相 比， Ｇ Ａ ／ １ ａ ｓ多 量 子 阱 ａ ｓＡ Ｇ Ａ
红 外 探 测 器 具 有 材 料 生 长 工 艺 成 熟 、大 面 积 阵
列均 匀性 好 、 量 高 、 本 低 的优 点 ，其 缺 点是 产 成 光 吸 收 系 数 小 ，载 流 子 寿 命 短 。
ｍ ｎｂ ｎ ）和 Ｂ Ｂ ｂ ｕ ｄｔ－ ｕｓ ｏ ｎ ）几 种 ｉｉａ ｄ ＴＱ （ｏ ｎ — ｑ ａｉ ｕ ｄ ｏ ｂ 跃 迁 模 式 的 量 子 阱 红 外 探 测 器 （ ２、图 ３） 图 ，
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２
《 红
外 》月刊
２０ ０ ２年
表 １ 量 子 阱 红 外 探 测 器 的 结 构 和 材 料
类 型 ＢＴＢ 材 料 特 性
Ｉ ｎＧａ ／ ｎ Ａｓｏ ｎ 优 点 ：较 高 的 响 应 率 和 探 测 率 Ａｓ Ｉ Ａｌ ｎ Ｉ Ｐ
Ｒ ｅｅ ｅ ｃ ｓＩ—１］ ｆｒ ｎ ｅ ［￣—３
双 色
可 见 和 中红 外 范 围 ［ ］ ２ 。
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１８ ， Ｌ Ｃ Ｗｅｔ 首 先 观 察 到 斜 入 射 情 ９５年 ． ． ｓ等
况 下 Ｇ Ａ ／ １ ａ ｓ 量 子 阱 中导 带 子 带 间 的 光 ａ ｓＡ Ｇ Ａ 多 跃 迁 可 以有 很 大 的 振 子 强 度 ［ ，即 很 强 的红 外
一 一
束 缚 至连 续
束 缚 至 束缚
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＿一
＿— ＿
束 缚 至准束 缚
束 缚 至小 带
图 ２ 几 种 ｎ型 量 子 阱 红 外 探 测 器 的 结 构
红外技术之光电探测器的种类介绍
红外技术之光电探测器的种类介绍红外技术作为一种高技术，它与激光技术并驾齐驱，广泛应用于工业、农业、医学、交通等各个行业和部门。
红外测温、红外测湿、红外理疗、红外检测、红外报警、红外遥感、红外防伪更是各行业争相选用的先进技术。
如今开发的产品已经得到普遍运用，但是，科技在进步，产品也会更新。
接下来我们详细介绍光电探测器这个在红外技术中突显作用最大之一的产物。
光电探测器作为红外辐射光子在半导体材料中激发非平衡载流子(电子或空穴)，引起电学性能变化。
因为载流子不逸出体外，所以称内光电效应。
量子光电效应灵敏度高，响应速度比热探测器快得多，是选择性探测器。
为了达到最佳性能，一般都需要在低温下工作。
光电探测器可分为：啊光伏型：主要是p－n结的光生伏特效应。
能量大于禁带宽度的红外光子在结区及其附近激发电子空穴对。
存在的结电场使空穴进入p区，电子进入n 区，两部分出现电位差。
外电路就有电压或电流信号。
与光导探测器比较，光伏探测器背影限探测率大于40％；不需要外加偏置电场和负载电阻，不消耗功率，有高的阻抗。
这些特性给制备和使用焦平面阵列带来很大好处。
光导型：又称光敏电阻。
入射光子激发均匀半导体中的价带电子越过禁带进入导带并在价带留下空穴，引起电导增加，为本征光电导。
从禁带中的杂质能级也可激发光生载流子进入导带或价带，为杂质光电导。
截止波长由杂质电离能决定。
量子效率低于本征光导，而且要求更低的工作温度。
量子阱探测器(QWIP)：将两种半导体材料A和B用人工方法薄层交替生长形成超晶格，在其界面，能带有突变。
电子和空穴被限制在低势能阱A层内，能量量子化，称为量子阱。
利用量子阱中能级电子跃迁原理可以做红外探测器。
9 0年代以来发展很快，已有512×512、64 0×480规模的QWIP GaAs/AlGaA s焦平面制成相应的热像仪诞生。
因为入射辐射中只有垂直于超晶格生长面的电极化矢量起作用，光子利用率低；量子阱中基态电子浓度受掺杂限制，量子效率不高；响应光谱区窄；低温要求苛刻。
简述红外夜视视觉传感器的工作原理及特点
简述红外夜视视觉传感器的工作原理及特点一、红外夜视视觉传感器的概述红外夜视视觉传感器是一种能够在低光环境下工作的传感器，其利用红外线技术实现对目标的探测和成像。
它主要由红外探测器、光学透镜、信号处理电路和显示装置等组成。
二、红外探测器的工作原理红外探测器是红外夜视系统中最核心的部件之一。
它能够将目标发出的热辐射转化为电信号，从而实现目标的探测和成像。
常见的红外探测器主要有热电偶、焦平面阵列和量子阱等。
1. 热电偶热电偶是最早被应用于红外夜视系统中的传感器。
它利用材料在温度变化时产生电势差的原理，将目标发出的热辐射转化为电信号。
但是，由于其灵敏度低、响应速度慢等缺点，已经逐渐被其他类型的红外探测器所取代。
2. 焦平面阵列焦平面阵列是当前应用最广泛的红外探测器之一。
它由多个微小的探测单元组成，每个单元都能够将目标发出的热辐射转化为电信号。
这些信号被整合后，就能够形成目标的图像。
与热电偶相比，焦平面阵列具有灵敏度高、响应速度快等优点。
3. 量子阱量子阱是一种新型的红外探测器，其灵敏度和分辨率都比焦平面阵列更高。
它利用半导体材料中的量子效应实现对红外线辐射的探测和成像。
由于其制造工艺复杂、价格昂贵等原因，目前还没有被广泛应用于红外夜视系统中。
三、光学透镜的工作原理光学透镜是红外夜视系统中另一个重要组成部分。
它主要负责将目标发出的光线聚焦到红外探测器上，并对图像进行调节和矫正。
1. 聚焦光学透镜通过改变其曲率来实现对光线的聚焦。
当光线经过凸透镜时，会向透镜中心汇聚；当光线经过凹透镜时，会从透镜中心散开。
通过调节透镜的曲率，就能够将目标发出的光线聚焦到红外探测器上。
2. 调节和矫正光学透镜还可以通过调节其位置和角度来实现对图像的调节和矫正。
例如，在夜视系统中，由于红外辐射的波长比可见光短很多，因此需要使用特殊的光学透镜来实现对图像的调整和矫正。
四、信号处理电路的工作原理信号处理电路是红外夜视系统中最重要的部分之一。
量子阱的应用
3 量子阱器件的应用3 . 1 量子阱红外探测器量子阱红外探测器(QWIP)是20世纪90年代収展起来的高新技术。
与其他红外技术相比,QWIP具有响应速度快、探测率与HgCdTe探测器相近、探测波长可通过量子阱参数加以调节等优点。
而且,利用MBE 和MOCVD等先迚工艺可生长出高品质、大面积和均匀的量子阱材料, 容易做出大面积的探测器阵列。
正因为如此,量子阱光探测器,尤其是红外探测器受到了广泛关注。
QWIP是利用掺杂量子阱的导带中形成的子带间跃迁, 幵将从基态激収到第一激収态的电子通过电场作用形成光电流这一物理过程,实现对红外辐射的探测。
通过调节阱宽、垒宽以及AlGaAs中Al组分含量等参数, 使量子阱子带输运的激収态被设计在阱内(束缚态) 、阱外(连续态)或者在势垒的边缘或者稍低于势垒顶(准束缚态),以便满足不同的探测需要,获得最优化的探测灵敏度。
因此,量子阱结构设计又称为“能带工程”是QWIP最关键的一步。
另外,由于探测器只吸收辐射垂直与阱层面的分量,因此光耦合也是QWIP的重要组成部分。
基于QWIP焦平面阵列研制出的成像系统, 已经被广泛地应用于军事、工业、消防等领域,其小型化、便捷化的特点受到了人们的青睐。
(1)军事方面,QWIP在武器精确制导、战场监视与侦察、搜索和自动跟踪、探测地雷等方面都有广泛的应用。
(2)工业方面,QWIP可要用于各种设备的故障检测和产品的质量检测。
例如高压输电线路故障的检测十分困难, 可以利用量子阱红外探测器阵列制成的红外相机,从直升机上对故障収生的位置迚行准确定位。
产品的无损探伤及质量鉴定可以借助QWIP,这主要是指金属、非金属材料及其加工部件。
另外,在金属焊接部件的质量鉴定方面,无需对样品迚行解剖和取样,就可以方便地查出材料或部件内部的缺陷位置大小和严重程度。
(3)消防方面,视觉受限是火灾中的主要问题, 不论是森林大火, 还是建筑物起火,浓厚的烟雾阷挡了消防人员的视线,这时可通过红外相机,找到起火点,了解建筑物内的情冴, 及时采取措施, 减小财产损失, 保障生命安全。
红外探测器的七大用途
红外探测器的七大用途导语：红外光是波长介于可见光与太赫兹波之间的电磁波，红外探测器就是用来探测这种人眼看不见的光信号的器件。
它将红外光信号转变成某种可测量的物理量，从而实现感知。
红外光是波长介于可见光与太赫兹波之间的电磁波，红外探测器就是用来探测这种人眼看不见的光信号的器件。
它将红外光信号转变成某种可测量的物理量，从而实现感知。
经过几代的发展，红外探测器已经从单元发展到焦平面阵列。
红外焦平面根据制冷方式划分，分为制冷型焦平面阵列和非制冷型焦平面阵列。
制冷型探测器背景温度与探测温度之间的对比度决定着探测器的理想分辨率，所以，为提高探测器精度必须大幅降低背景温度。
制冷型探测器发展较早、应用广泛的有：HgCdTe探测器、InSb探测器和量子阱探测器等。
非制冷型探测器能在室温工作，主要有微测辐射热计、热释电探测器和热电堆探测器等。
只要不处在绝对零度，地球温度环境下的物体都存在红外辐射。
因此，地球环境下的目标探测，红外具有特别重要的地位。
相比其他手段，红外探测具有隐蔽性强、恶劣天气影响小，适于夜间使用；识别目标能力强的特点。
红外系统涉及成像、成像光谱、智能化检测等问题，那么，这天上地下的，红外探测器究竟能用在哪儿？气象预测因为有风云系列气象卫星、海洋系列卫星昼夜监测，发送卫星云图，所以台风预测越来越准确。
尤其是卫星上的红外探测器组件，做成遥感仪器放在卫星上，才能够观测得到各种成像。
对地成像红外探测器规模越大看得越清楚，大规模就是像素做的多，目前规模最大的是美国做的6400万像素。
汶川地震时中美协商，请美方派卫星在汶川上空观测灾情。
军事侦察红外侦察分为地面、海面、空中和空间侦察。
空间侦察主要指：利用侦察卫星上的红外遥感设备，从空间轨道上对目标实施侦察和监视。
我国商用卫星已能够拍到美国军用造船厂的清晰图片。
环境监测2011年日本福岛核电站事故，放射性物质泄漏，美国海洋与大气管理局公布污染海水流向预测结果图，正是基于红外成像做出来的。
红外探测器简介
红外探测器设计研发部-平一、红外探测器市场以及应用领域红外探测技术目前主要分为近红外、中红外和远红外三种研究领域。
其中，中红外探测技术由于中红外线的高强度和高穿透性，应用最为广泛，研究也最为成熟；远红外的主要优点就是其穿透性，可用于探测、加热等，应用也比较广泛。
近红外，由于其包含氢氧键、碳氢键、碳氧键等功能键的特征吸收线。
大气中的水气、二氧化碳、大气辉光等也集中在这个波段。
特有的光谱特性使得短波红外探测器可以在全球气候监测、国土资源监测、天文观测、空间遥感和国防等领域发挥重大作用。
红外探测器广泛应用于军事、科学、工农业生产和医疗卫生等各个领域，尤其在军事领域，红外探测器在精确制导、瞄准系统、侦察夜视等方面具有不可替代的作用。
随着红外探测技术的飞速发展，红外探测器在军事、民用等诸多领域都有着日益广泛的应用。
作为高新技术的红外探测技术在未来的应用将更加广泛，地位更加重要。
小型红外探测器是受价格驱动的商品市场，而中型和大型阵列探测器则是受成本和性能驱动的市场，并且为新产品提供了差异化的空间。
但是在每种红外探测器技术（如热电/热电偶/微测辐射热计）之间存在着巨大的障碍。
由于这些技术都是基于不同的制造工艺，如果没有企业合并或收购，很难从一种技术转换到另外一种技术。
红外探测器已进入居民日常安防中，其中主动式红外探测器遇到树叶、雨、小动物、雪、沙尘、雾遮挡则不应报警，人或相当体积的物品遮挡将发生报警。
主动红外探测器技术主要采用一发一收，属于线形防，现在已经从最初的单光束发展到多光束，而且还可以双发双收，最大限度地降低误报率，从而增强该产品的稳定性，可靠性。
据美国相关公司市场调研分析师预测，全球军用红外探测器需求额有望在2020年达到163. 5亿美元，复合年均增长率为7. 71%。
红外探测器按探测机理可分为热探测器和光子探测器，按其工作中载流子类型可以分为多数载流子器件和少数载流子器件两大类，按照探测器是否需要致冷，分为致冷型探测器和非致冷型探测器。
瑞典IRnova公司推出可用于探测气体的量子阱红外光电探测器
ｈｔ： ｊｕｎ１ｉ ． ． ／ｗ ｔ ／ ｏｒａｓ ｐ Ｃ ｎｈ ｐ／ ．ｔ ａ ｃ
ＩＦ Ａ Ｅ Ｍ Ｎ ＨＹ ／ Ｌ３ ， ｏ２ Ｅ ０ ２ Ｎ Ｒ Ｒ Ｄ（ Ｏ Ｔ Ｌ ）ＶＯ ．３ Ｎ ．体 的探 测要 求 。这 些 探 测 器 可 以用 于 气 体 和石 油工 业，它们 可 以通过 固 定 的和机 载 的摄 像机 系统对 管 道进行 监视。 这 种新 的探测 器 既可 以按 焦 平 面 阵 列 形 式 供 应 ，也 可 以 按探 测器 杜 瓦制 冷机 组件 形 式 供应 。它们 需要被 冷却 到 ６ ０Ｋ 以 下 温度 。 Ｉｎｖ Ｒ ｏａ公 司 已经 在 ２１ ０１年 第 ４季 度 提 供 了用 于 评 价 和 设
ｏ 网站 报 道 ，瑞 典 Ｉ ｎｖ ｍ Ｒ ｏａ公 统 而 不 懈 努 力 。 司 最近推 出一款 可用 于探 测 强 Ｉ ｎｖ Ｒ ｏａ公 司的首席 执行 官 温 室气体 Ｓ ６的新 型量 子 阱红 说 ，该 公 司有 能力 为 这 些应 用 Ｆ 外 光 电探 测 器 。 （ 只 是 Ｓ ６探 测） 不 Ｆ 提供 有 效 的 这 款 新 型 ３０×２６元 探 测 探 测 器 解 决 方 案 。他 们 已 经 看 ２ ５ 器 的 峰 值 波 长 为 １．５ ０ ｍ ，可 到 了 一 个 非 常 有 趣 的快 速 增 长 ５ 满 足 用 户 研 制 用 于 探 测 电站 强 的市 场 ，他 们 渴 望 成 为 该 市 场 力 温 室气体 Ｓ ６（ Ｆ 六氟化 硫）的 的一个 主要 供应 商 。这 种新 产 系 统 的要 求。 品 总值 将 达 该 公 司 红 外 探 测 器 为 了最 大 限度 地减 少 对全 产 品广 泛投 资组合 ，符 合该 公 球 变 暖起 作 用 的 气 体 泄 漏 现 司增 加量 子 阱红外 光 电探 测器
量子阱的红外探测器研究与应用
量子阱红外探测器的研究与应用!连洁"#王青圃"#程兴奎$#魏爱俭"%"&山东大学光电系#山东济南$’("(()$&山东大学物理系#山东济南$’("((*摘要+讨论了量子阱红外探测器的量子阱结构以及光耦合模式的研究状况#简要介绍了该探测器在国防,工业,消防和医疗方面的应用-关键词+红外探测器)量子阱)光耦合)应用中图分类号+./$01文献标识码+2文章编号+"((’3((45%$(($*"(3"(6$3(’7898:;<=>?=8@@A:78@8B=9CB:DE F F G A9B;A>:>:H I B:;I J K8G G L:M=B=8D<C>;>D8;89;>=@N O2/P Q R"#S2/T U Q V W3X Y"#Z[\/T]Q V W3^Y Q$#S\O2Q3_Q‘V"%"&a R X‘b c d R V ce fg X c e R h R i c b e V Q i j#k l‘V m e V W n V Q o R b j Q c p#P Q V‘V$’("((#Z l Q V‘)$&a R X‘b c d R V ce fq l p j Q i j#k l‘V m e V Wn V Q o R b j Q c p#P Q V‘V$’("((#Z l Q V‘*E r@;=B9;+2s Y‘V c Y d t R h h j c b Y i c Y b R j‘V m e X c Q i‘h i e Y X h Q V W j p j c R d j e f s Y‘c Y d t R h h Q V f b‘b R m X l e c e m R c R i c e b%U SO q*‘b Rm Q j i Y j j R mQ Vm R c‘Q h&.l R‘X X h Q i‘c Q e V j‘b Ru b Q R f h pQ V c b e m Y i R mQ Vm R f R V j R#Q V m Y j c b p#d R m Q i Q V R‘V mf Q b R f Q W l c Q V W&v8wx>=D@+O V f b‘b R mX l e c e m R c R i c e b)U Y‘V c Y d t R h h)g X c Q i‘h i e Y X h Q V W)2X X h Q i‘c Q e Vy引言量子阱红外探测器%U SO q*是$(世纪6(年代发展起来的高新技术-与其它红外技术相比#U SO q 具有响应速度快,探测率与[W Z m.R探测器相近和探测波长可通过量子阱参数的调整加以控制等优点-而且#利用z{\和zg Z|a等先进工艺可生长出高品质,大面积和均匀的量子阱材料#容易做出大面积的探测器阵列-由于有这样多的优点#量子阱光探测器#特别是红外探测器的研究引起人们广泛的重视#在长波应用方面得到迅速发展}"#$~-U SO q是利用掺杂量子阱的导带中形成的子带间跃迁#并将从基态激发到第一激发态的电子通过电场作用形成光电流这一物理过程#实现对红外辐射的探测-根据探测波段的不同可分为短波红外探测器#以O V q衬底上生长的O V T‘2j!O V2h2jU SO q为代表)中,长波红外探测器以2h T‘2j!T‘2jU SO q为代表#是目前研究最多的-根据掺杂材料的不同又可分为V型掺杂U SO q%载流子为电子*)q型掺杂U SO q%载流子为空穴*-在量子阱结构设计中#通过调节阱宽,垒宽以及2h T‘2j中2h组分含量等参数#使量子阱子带输运的激发态被设计在阱内%束缚态*,阱外%连续态*或者在势垒的边缘或者稍低于势垒顶%准束缚态*#以便满足不同的探测需要#获得最优化的探测灵敏度-因此#量子阱结构设计又称为"能带工程#}$#0~是U SO q最关键的一步-另外#由于探测器只吸收辐射垂直与阱层面的分量#因此光耦合也是U SO q的重要组成部分-本文分别对不同量子阱结构和不同光耦合方式的U SO q的研究状况进行分析#并简述了其应用-%不同量子阱的H KL<%&y:型掺杂束缚态到束缚态跃迁探测器%&’&H KL<*}(~世界上第"台U SO q由贝尔实验室的N R o Q V R等于"641年研制成功#它就属于{3{U SO q#量子结构如图"所示-基态\(位于阱内是束缚态#第一激发态光电子)激光第"$卷第"(期$(($年"(月P e Y b V‘h e f g X c e R h R i c b e V Q i j)N‘j R b|e h&"$/e&"(g i c&$(($!收稿日期+$(($3($3(5修订日期+$(($3(53(1*基金项目+国家自然科学基金资助项目%56615("5*)山东省自然科学基金资助项目%+64T"""(1*!"也是束缚态#该探测器吸收红外辐射$位于!%的电子光激发后跃迁到!"$隧穿出量子阱$在偏置电场作用下$形成光电流#该探测器的吸收光谱峰值位于"%&’()$峰值波长响应率*+,%&-./01#这些性能参数是由其结构参数决定的2量子阱区包含-%周期的阱层34/5和垒层/6%&.-34%&7-/5$阱宽8&-9)$垒宽:&-9);量子阱区夹在上下两34/5电极层之间$上电极层厚%&-()$下电极层厚"();阱中的掺杂浓度<=,"&>?"%"’@)A B $上下电极层掺杂浓度<=,>?"%"’@)A B#改变"个或几个参数$就会引起量子结构的变化$从而使探测器的性能发生变化#后来$C D E F等对这个量子结构进行改进$适当地增加势垒的厚度和高度$导致引起暗电流的基态电子隧穿数目减少#G H GI 1J K 的探测率有了一定的提高#图L M N MO PQ R 的导带示意图$表明电子光激发与隧穿的过程S T U &L V W X Y Z [\T W X N ]^X YY T ^U _^‘a W _^]W Z X Y N \W N ]W Z X Y O PQ R $b c W d T X U\c e f c W \W e g [T \^\T W X h T X \e _b Z ]]^X Y\_^X b T \T W X i ^X Y\Z X X e j T X UW Z \W a d e j jk &k X 型掺杂的束缚态到连续态跃迁探测器h M N V O PQ Ri ":’’年6l m F 9l 等n 8o 对G H GI 1J K 的量子结构进行改造$研制出G H CI 1J K #他们通过减小阱宽$使G H GI 1J K 中的第一激发态不再是束缚态$而成为连续态$如图.所示#这种G H CI 1J K 的主要优点是光激发电子能从阱中激发到连续态上$不需要图"所示图p M N VO PQ R 的导带示意图$表明电子光激发与热电输运的过程S T U &p V W X Y Z [\T W X N ]^X Yb \_Z [\Z _e a W _^]W Z X Y N \W N [W X \T X Z Z ‘O PQ R $b c W d T X U\c e f c W \W e g [T \^\T W X^X Yc W \N e j e [\_W X\_^X b f W _\f _W [e b b e b的隧穿过程#这样$有效收集光电子所需偏置电压大大降低$暗电流也会随之大幅度减小#因为不必考虑势垒厚度对光电子收集效率的影响$势垒厚度可增加到-%9)$基态电子隧穿引起的暗电流下降"个数量级#"::%年6l m F 9l 等n 7o推出的G H CI 1J K$性能有很大改善$探测率q r 高达B ?"%"%@)s t "0.01$截止波长"%()$温度8’u #k &v X 型掺杂的束缚态到准束缚态跃迁探测器h MN w MO PQ Ri n x o提高探测率是研究探测器的科学家始终不渝的奋斗目标#探测率提高的关键是降低暗电流#所谓暗电流就是在没有辐照的情况下$探测器显示的电流#经研究发现n :o $当温度处在>-u 以上时$暗电流主要是由基态电子热激发到连续态所形成的#因此"::-年加州理工学院的3y 94+464等科学家设计了基态为束缚态$第一激发态为准束缚态的量子阱结构#通过改变阱宽z 垒宽和势垒的高度$使第一激发态位于量子阱顶部如图B 所示#由图B 看出$在G H CI 1J K 中$对热激发而言$势垒的高度比光电离能低"%{"-)l |$而在G H I GI 1J K 中$势垒高度与光电离能的高度相同#这样$在G H I GI 1J K 中暗电流降低"个数量级$探测率q r 提高了#目前3y 94+464等科学家n "%o 采用这种量子阱结构$研制出.-8?.-8及8>%>’>阵列的红外焦平面摄像机#图}M N VO PQ R 和M N O MO PQ R 的量子阱结构示意图以及两者在~,!!"下暗电流随偏置电压变化的关系曲线S T U &}w T ^U _^‘W a #Z ^X \Z ‘d e j j b \_Z [\Z _e a W _M N VO PQ R^X YM N O MO PQ $[W ‘f ^_T b W XW a Y ^_$[Z __e X \b ^b ^a Z X [\T W XW a ]T ^b %W j \^U e a W _\c e ‘^\\e ‘f e _^\Z _e ~,!!"&B :%"&第"%期连洁等2量子阱红外探测器的研究与应用通过改变垒宽!阱宽!垒高!掺杂元素及浓度等参数"已经可以使器件的峰值响应波长在#$%&’(范围内变化)**+"而且根据需要光谱响应宽度,-.-也可从*&/变化到0&/)*%+1除此之外"科学家们还设计出多色量子阱结构的2345)*6+1随着理论的发展及材料生长工艺的进步"会有更多性能优良用途广泛的2345设计出来17不同光耦合模式的89:;根据量子力学跃迁选择定则"只有电矢量垂直于多量子阱生长面的入射光<即=>?&@"才能被子带中的电子吸收"从基态跃迁到激发态"导致电导率的变化被器件探测)*0+1一般情况下"红外辐射垂直于量子阱生长面入射"需要采取一定措施<光耦合@使辐射被探测器吸收1最初的光耦合模式是边耦合"也就是在器件的一边刻蚀出倾角为0A B的斜面"如图0所示1这种耦合方式只适用于线阵列和单个器件1图C 边耦合探测器的结构示意图D E F G C H I J K L M N E I E O O P Q N R M N E S TS U M TK V F K I S P W O K VV K N K I N S R7G X 二维周期光栅探测器<Y Z 989:;@结构示意于图A 1光栅在探测器表面%个垂直方向上周期性的重复"导致探测器吸收红外辐射的%个偏振分量"通过减薄衬底或再加*层[\]^[_在量子阱区形成波导的方法"器件响应率提高%$6倍)*A +1虽然光栅耦合好于边耦合"但它也有不足之处1首先"光栅耦合依据是集合的衍射效应"光敏元台面大小对器件的量子效率及探测率等参数有较大影响"台面面积越大"其性能参数越好1若要提高器件的分辨率必须减小台面的尺寸"这样做势必影响性能参数1其次"由光栅耦合的固有特性决定"它对探测的辐射波长有选择性"这也就阻止了光栅耦合技术在宽带探测或复色探测方面的应用17G ‘随机反射耦合探测器<Y a a b 89:;@)c d +不论对大面积的焦平面阵列"还是对单个探测器来说"随机反射耦合都是一种优秀的光耦合模式1如图A 所示1在衍射出衬底前"红外光束在二维光栅耦合探测器的量子阱区中只经历了*次衍射%次反射过程"即通过%次可吸收路径"从而使光栅耦合效率不是很理想1从增加可吸收路径次数的角度出发"贝尔实验室的科学家们设计了一种新颖的光耦合模式e 随机反射耦合"结构示意如图#1图f 二维光栅探测器的结构与光路示意图"表明入射光束经二维光栅表面两次反射后逃逸D E F G f H E V K g E K hS U M 89:;W E i K O h E N JM j b kF R M N E T FG l O O N J K E T I E V K T N R M V E M N E S TK Q I M W K M U N K R N J K Q K I S T VR K U O K I N E S TU R S L N J K F R M N E T FQ P R U M IK图d 随机反射耦合光敏元的光路示意图D E F G d m J K F K S L K N R nQ J S h E T FN J K O E F J N W M N JE TN J K E T V E g E V P M O W E i K O h E N JM R M T V S L R K U O K I N S R I S P W O E T F所谓随机反射耦合就是针对不同的探测波长设计所需要的随机反射单元"通过光刻技术在顶层]^[_接触层上随机刻蚀出反射单元"形成粗糙的反射面"垂直于衬底入射的光束遇到反射单元发生大角度反射"这些角度大部分符合全反射条件"光束就这样被捕获在量子阱区域"只有在晶体反射锥形角o p<_q r o p s*.t "在]^[_中o p s*u B @内的小部分辐射逃逸1当然减薄]^[_衬底"还可使器件的响应率提高1由于光刻工艺的问题"如果光敏元台面面积较小"在其上光刻反射单元就比较困难"刻蚀出的反射单元的棱角模糊"光耦合效率较低1因此"随机反射耦合不适用于小面积的光敏元17G 7波纹耦合探测器<Y b 89:;@)c v +采用w ]32345或w x x 2345"它的光耦合效率的确比边耦合的高得多"然而"它们有各自的适y0z &*y 光电子y 激光%&&%年第*6卷用范围!在高分辨率探测器阵列中"光敏元的面积变小"这两种耦合模式就不再适用了!普林斯顿大学的科学家们提出一种新的光耦合模式#波纹耦合"并且制造出$%&’()!如图*所示"通过化学方法"在量子阱区域刻蚀出+形槽"刻蚀深度达底层,-./接触层"这样器件表面就有一些三角线组成0类似波纹1!图*就是器件的剖面图以及垂直衬底入射的光束在器件中的光路图!从图可知"波纹耦合模式利用.2,-./和空气之间能够发生全反射的原理"入射光束在量子阱区的路径几乎平行于量子阱的生长面"这有利于量子阱对辐射的吸收"提高器件的量子效率!$%&’()较之现有的光耦合模式"有许多优点"主要表现在341与光栅耦合比较"全反射与三角线的数目无关"即光耦合效率与三角线的数目没联系"而与光栅的周期有关"波形耦合更适用于面积小于567895678的光敏元:;1考虑到全反射与探测波长无关"波纹耦合不象光栅耦合那样"存在光谱带宽变窄的情况"探测波长范围可从<78=4*78!因此"对于宽带探测和复色探测来说"波纹耦合是近乎理想的光耦合模式!而且"波纹耦合与光敏元台面的大小无关:<1在波纹耦合中"近4>;的量子阱区域被化学刻蚀掉"这样器件的暗电流自然会降低:?1器件制做过程简单!如果把衬底变薄"波纹耦合的量子效率还会增加"达到边耦合的4@?5倍!图A B C D EF G 剖面图0H1以及垂直衬底入射的光束在器件中的光路图0I 1J K L @A M N O P N Q R P H S T Q P P P O S U K Q VQ W U N O B C D EF G 0H1H V XU N O Y K L N U Z H U NK V P K X O H P K V L Y O Z K [O Y 0I1\D EF G 的应用基于&’()焦平面阵列研制出的成像系统"不仅具有优良的性能"而且应用可实现低成本]小型化和高可靠性!其应用领域涉及许多方面^4_‘!41军事方面"&’()可用来精确制导]战场监视]军事目标的侦察]搜索和自动跟踪]探测地雷等"对避免人员伤亡"提高战斗力发挥巨大作用!;1工业方面"用于生系统和设备的故障检测!如电力系统"高压输电线路发生故障"检测十分困难"在直升飞机上"用量子阱红外探测器阵列制成的红外相机"可迅速]准确地查出故障位置和严重程度!同时还可用于产品的无损探伤及质量鉴定!如金属]非金属材料及其加工部件的无损探伤及质量鉴定"金属焊接部件的质量鉴定!无需解剖]取样"便可迅速查出材料或部件内部的缺陷位置]大小和严重程度!<1消防方面"视觉受限是火灾中的主要问题"不论是森林大火"还是建筑物起火"浓厚的烟雾阻挡了消防人员的视线"这时可通过红外相机"找到起火点"了解建筑物内的情况"及时采取措施"减小财产损失"保障生命安全!?1医疗方面"人身体上有病变组织的温度和正常组织的会有所不同"利用它们之间的微小差别"通过&’()可探测到病变的部位]发展情况和严重程度"辅助医务人员采取正确的治疗手段"病人得到早日康复!总之"随着材料生长工艺的提高"器件设计理论的完善"器件组装加工技术的改进"高性能]低成本]大规模0;6?_9;6?_1的&’()焦平面阵列"会在不远的将来问世!到那时"&’()的应用会有质地飞跃!参考文献3^4‘abc d e f g d @&h -g i h 8%j d 22f g k l -l d mn o p i p m d i d q i p l /^r‘@s @t u u v @w x y z @"4{{<"A |0_13}4%_6@^;‘~!,h g -n -2-"r "c f h "r ~)-l #"$%&v @{78q h i p k k;5’9;5’,-./>.2,-./(h -g i h 8j d 22f g k l -l d mn o i p m d i d q %i p lo -g m %o d 2m q -8d l -^r ‘@)***+,&-z @*v $.%,/-0$%12.$z"4{{*"||041354%5*@^<‘34567f g 8%j h ",654d g 8%(h g "$49:,a h %j d g@;d -/h l d 8d g i p k i o d :p g 2f g d -l f i f d /p k -%~f >~f 5;;&’j f i o <%/q -g ;d i o p m ^r ‘@s @/=>u %/$v $.%,/-2.z ?@&z $,0光电子?激光1"4{{{"A B 04513?<4%?<<@0f g$o f g d /d 1^?‘c (.:r f d "’9(.f %C f -g "’.:,&f g 8%n h "$%&v @.g -2D /f /p g 9g d l 8D ,-np k .2,-(g )^r ‘@s @/=>u %/$v $.%,/-2.z?@&z $,0光电子?激光1";664"A E 0{13{4*%{4{@0f g$o f %g d /d1^5‘abc d e f g d """$o p f "$,a d i o d -"$%&v @:d j 4678f g %k l -l d mm d i d q i p lh /f g 8f g i d l /h F F -g m-F /p l n i f p gf gl d /p %g -g i i h g g d 2f g 8,-.2.//h n d l 2-i i f q d /^r ‘@t u u v @w x y z @@$%%@"4{_*"G B 04’1346{;%46{?@^’‘abc d e f g d "$,a d i o d -",4-/g -f g "$%&v @4f 8o %m d i d q i f e %f i D0H I 4@694646q 84J 4>;>’,-./>.2,-./8h 2i f %?5{64第46期连洁等3量子阱红外探测器的研究与应用!"#$%"&’())*+,-./&0$12#2(33(%(4%52678-9::;-<=>?-@A B B-C D E,,C F G H I J K L E M N L E,-6O8PQR(S0$(C TU P(%V(#C U W#X$#0$C A B Y;-W0Z VX($X0%0S N 0%[)5’3#2\4"22($%D]/&U#^X!"#$%"&’())0$12#2(3_V5%53(%(4%52X678-9::;-<=>?-@A B B-C D E E]C F‘H E a D]J K ,b D N,b.-6,8cd U"$#_#)#C7ce#2\C U c#2"X0C A B Y;-f g g g h i Y j?-g;A k B i l jm A n o k A?C D E E O C p p H D J K I b N b]-6E8cdU"$#_#)#C q r cs P#$3#2#-e V[X04X51t V0$Q0)&X 6r8-^4#3(&04e2(X X L D C D E E b K D D.-6D]8cdU"$#_#)#C A B Y;-R5$Z N’#S()($Z%V L b M uD b M v wx e V#$3N V()34#&(2#6^8-y<f g6T8-D E E M C z{p‘K D L I-6D D8c"&0%VP#$3#2#C c#2#%VU"$#_#)#C A B Y;-v"#$%"&’()) 0$12#2(3_V5%53(%(4%52X152)5’|#4\Z25"$3#__)04#N%05$X678-f j}i Y i A~<=>?o k?!h A k=j l;l">C L]]D C p z KL.O N L I L-6D L8cs P#$3#2#C cd U"$#_#)#C7q R0"C A B Y;-D]#D M/& |25#3|#$3!"#$%"&’())0$12#2(3_V5%53(%(4%52678-9::;-<=>?-@A B B-C D E E,C{z H D E J K L I L O N L I L E-6D.8r c"$3#2#&C cTw#$Z C r Qt#[)52C A B Y;-t’5N45)52 !"#$%"&’())0$12#2(3_V5%53(%(4%52154#)_)#$(#22#[X678-f j}i Y i A~<=>?o k?!h A k=j l;l">C L]]D C p z H.a b J K.]D N.],-6D I8Qc%(2$-T#)4")#%(3$$(2Z[R(S()X#$3%_%04#)^|X52_N %05$0$$N t[_(c0^44"&")#%05$R#[(2X#%R5’t(&N_(2#%"2(678--<=>?-&A n-@A B B-C D E O I C G G H D M J K E M]N E M.-6D b87’^$3(2X5$C RR"$3!S0X%-U2#%0$Z N45"_)(3!"#$%"&N ’())0$12#2(33(%(4%52X K t V(52[#$3e(2152&#$4(678-(-9::;-<=>?-C D E E L C{)H O J K.M]]N.M D]-6D M8U c#2"X0C PQR(S0$(C c7e(#2%5$C A B Y;-x&_25S(3_(2N 152&#$4(51!"#$%"&’())0$12#2(3_V5%53(%(4%52X"X N0$Z2#$35&X4#%%(20$Z5_%04#)45"_)0$Z678-9::;-<=>?-@A B B-C D E E I C‘p H,J K E M]N E M L-6D O8T7T V($C q q T V50C w W T V#$Z C A B Y;-T522"Z#%(3 !"#$%"&’())0$12#2(3_V5%53(%(4%52X6^8-y<f g6T8-D E E O C G*‘)K O L,N O.E-6D,8cd U"$#_#)#C A B Y;-^__)04#%05$X51R5$Z N’#S()($Z%V L b M u L b M!"#$%"&’())0$12#2(3_V5%53(%(4%52V#$3NV()34#&(2#6^8-y<f g6T8-D E E O C G*‘)K L E L-作者简介K连洁H D E M I#J C女C安徽人C硕士C副教授C主要从事红外物理与技术研究C发表论文L]余篇-+ME]D+光电子+激光L]]L年第D.卷量子阱红外探测器的研究与应用作者：连洁， 王青圃， 程兴奎， 魏爱俭作者单位：连洁,王青圃,魏爱俭(山东大学光电系,山东,济南,250100)， 程兴奎(山东大学物理系,山东,济南,250100)刊名：光电子·激光英文刊名：JOURNAL OF OPTOELECTRONICS·LASER年，卷(期)：2002，13(10)被引用次数：3次1.B F Levine Quantum-well infrared photodetectors 1993(08)2.S D Gunapala.J K Liu.J S Park9 μm cutoff 256×256 GaAs/AlGaAs quantum well infrared phtodetector hand-held camera 1997(01)3.ZHOU Ying-wu.GUO Heng-qun.CHENG Bu wen Measurement of the Nonlinearities of a-Si/SiO2 MQW with z-scan Method 1999(15)4.LIAN Jie.WEI Ai-jian.WANG Qing-pu Analysis on Energy Gap of AlGaInP 2001(09)5.B F Levine.K K Choi.C G Bethea New 10 μm infrared detector using intersubband absorption in resonant tunneling GaAlAs superlattices 1987(16)6.B F Levine.C G Bethea.G Hasnain High-detectivity D＝1.0×1010 cmHz1/2/W GaAs/AlGaAs multiquantum well λ＝8.3 μm infrared detector 1988(04)7.B F Levine.C G Bethea.G Hasnain High sensitivity low dark current 10 μm GaAs quantum well infrared photodetectors 1990(56)8.S D Gunapala.J S Park.G Sarusi IEEE Trans 1997(01)9.S D Gunapala.K M S V Bandara Physics of Thin Films 199510.S D Gunapala Long-wavelength 256×156 QWIP hand-held camera 199611.Sumith Bandara.Sarath Gunapala Quantum well infrared photodetectors for low backgroundapplications 200112.S V Bandara.S D Gunapala.J K Liu10-16 μm broadband quantum well infrared photodetector 1998(19)13.M Sundaram.S C Wang.M F Taylor Two-color quantum well infrared photodetector focal plane arrays 2001(42)14.F Stern Calculated Energy Levels and Optical Absorption in n-Type Si Accumulation Layers at Low Temperature 1974(16)15.J Y Anderson.L Lundqvist Grating-coupled quantum-well infrared detectors:Theory and Performance 1992(07)16.G Sarusi.B F Levine.S J Pearton Improved performance of quantum well infrared photodetectors using random scattering optical coupling 1994(08)17.C J CHEN.K K Choi.W H Chang Corrugated quantum well infrared photodetectors 199718.S D Gunapala Applications of Long-wavelength 256×256 quantum well infrared photodetector hand-held camera 19971.期刊论文孙莹.杨瑞霞.武一宾.吕晶.王风.Sun Ying.Yang Ruixia.Wu Yibin.Lü Jing.Wang FengGaAs/Al_xGa_(1-x)As量子阱红外探测器光谱特性的研究-半导体技术2010,35(3)采用MBE法制备了不同结构参数及不同阱中掺杂浓度的GaAs/Al_xGa_(1-x)As量子阱红外探测器外延材料.通过对量子阱红外探测器材料特性和器件特性的实验测试及理论分析,研究了量子阱红外探测器的响应光谱特性,并通过薛定谔方程和泊松方程的求解,对掺杂对量子阱能级的影响做了研究.结果表明,由于应力导致的能带非抛物线性使得阱中能级发生了变化,从而引起吸收峰向高能方向发生了漂移,而阱中进行适度的掺杂没有对量子阱能级造成影响,光致发光谱实验结果与之吻合较好.在光电流谱的实验分析基础之上,分析了量子阱阱宽、Al组分与峰值探测波长λ_p的关系,为量子阱红外探测器的设计优化提供了参考.2.会议论文陆卫.李宁.沈学础.黄绮.周筠铭GaAs/AlGaAs量子阱红外探测器的修饰与研制2001本文报道了我国对GaAs/AlGaAs量子阱红外探测器焦平面器件的成功研制,介绍了通过荧光光谱测量获得器件响应波长的方法.3.学位论文熊大元甚长波量子阱红外探测器的研究2007红外探测技术在信息工程应用领域中正起着愈来愈重要的作用，而红外探测器技术又在红外探测技术中居于核心地位。
红外探测新技术——量子级联探测器
见光仅为整个电磁波谱中很小的一部分。要感知可见光 之外的其他电磁波，必须借助外界手段如光电探测器来 实现。红外光，也被称为红外线，是英国
科学家赫歇尔于1800年在实验室中发现的。它是波长比 红光更长的电磁波，具有明显的热效应，使人能感觉到 而看不见。专业术语如是说——所有
温度高于绝对零度的物体，均存在红外辐射。通俗来讲 就是，目前我们能够接触到的物体都在源源不断的向外 发射红外光。所以，我们可以通过红外探
目前，中国科学院上海技术物理研究所陆卫研究团队在 国际上首次研制了量子级联探测器红外焦平面阵列，该 探测器基于GaAs/AlGaAs材料
，峰值探测波长为8.5微米，位于素)，并初步进行了红外成像实 验。 量子级联探测
器红外焦平面阵列对电烙铁的红外成像光的本质是电磁 波，人类肉眼可感知的电磁波被称为可见光，也就是众 所周知的红橙黄绿青蓝紫这七种颜色。可
的光子可以将E1能级上的电子提高至E6能级，然后输运 区的能级设计成下台阶的样式，使该电子能够定向移动。 这个爬上去又滑下来的光电过程是
不是有点似曾相识？没错，与大家都玩过的滑梯有异曲 同工之妙！这种多个量子能级联合组成的体系就称为 “量子级联”。此时有人或许要问，能级不
是被限制在两个“墙”之间的吗？那么电子又怎么能够 “穿墙而过”的呢？这里又牵涉到量子力学中的一个有 趣的概念：量子隧穿效应。用量子力学的
外探测器大多是基于光电效应而设计的，十分类似于可 见光波段的CCD或者CMOS探测器，也就是广泛用于相机 中的感光部件，差别仅仅是红外探
测器中的光电转换像元是由能够感受红外光波的光电材 料制成。由于光具有波粒二象性，常可将光波称为光子。 光子可直接作用于红外探测器中的电子
，使得红外探测器输出的电流或电压发生直接的变化， 通过对这种变化进行测试，可根据其转化效率直接推算 得到入射光的强度。这种方法基于光电效
多色量子阱红外探测器的发展(下)
ｏ ｐ ｅ ｒ ａ ｔ ｉ ｎ ｇ ｉ ｎ ｖ ａ ｒ ｉ ｏ ｕ ｓ ｉ ｎ ｒａ ｆ ｒ ｅ ｄ ｒ ｅ ｇ ｉ ｏ ｎ ｓ ． Ａ ｃ ａ ｎ ｄ ｉ ｄ ａ ｔ ｅ ｗｈ ｉ ｃ ｈ ｃ ａ ｎ ｍｅ ｅ ｔ ｔ ｈ ｉ ｓ ｎ ｅ ｅ ｄ ｉ ｓ ｔ ｈ ｅ Ｑｕ ａ ｎ ｔ ｕ ｍ Ｗｅ ｌ ｌ Ｉ ｎ ｒ ｆ ａ ｒ ｅ ｄ
文章编号： １ ６ ７ ２ — ８ ７ ８ ５ （ ２ ０ １ ３ ） １ １ — ０ ０ １ ８ — ０ ７
多色量子阱 红外探测 器的发展 （ 下）
王 忆 锋 谈 骥
（ 昆 叫物 理 研 究Ｊ ， 南 昆明 ６ ５ ０ ２ ２ ３ ）
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 （ Ｑ ｕ ａ ｎ ｔ ｕ ｍ Ｗｅ ｌ ｌ Ｉ ｎ ｆ ｒ ａ ｒ ｅ ｄ Ｐ ｈ ｏ ｔ ｏ ｄ ｅ ｔ ｅ ｃ ｔ ｏ ｒ ， Ｑ Ｗｌ Ｐ ） 。作 为新一代 红外探测器， Ｑ ＷＩ Ｐ基 于极薄半 导体 异质 结 构 中的载 流子束 缚效应 。 Ｇ ａ Ａ ｓ ／ Ａ １ Ｇ ａ Ａ ｓ ／ Ｑ ＷＩ Ｐ的主要优 点包括 标准 的 Ｉ Ｉ Ｉ — Ｖ族衬 底材
ｉ ｎ ｃ ｌ ｕ ｄ ｅ ｓ ｔ ａ ｎ ｄ ａ ｒ ｄ Ｉ Ｉ Ｉ — Ｖ ｓ ｕ ｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｔ ｅ ｍａ ｔ ｅ ｒ ｉ ａ ｌ ａ ｎ ｄ ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ｊ ｅ ｘ ｃ ｅ ｌ ｌ ｅ ｎ ｔ ｔ ｈ ｅ ｒ ｍａ ｌ ｓ ｔ ａ ｂ ｉ ｌ ｉ ｔ ｙ ，ｕ ｎ ｉ ｆ ｏ ｒ ｍｉ ｔ ｙ ，ｌ ａ ｒ ｇ ｅ
量子阱红外探测器的研究与应用
（ ＷＩ Ｑ Ｐ）ａ ｅｄ ｓｕ ｓ ｄ ｉ ｅａｌ Ｔｈ ｐ ｌ ａ ｉｎ ｒ ｒ ｆ ｎ ｒ ｄ ｃ ｄ ｉ ｅ ｅ ｓ ｉｄ ｓ ｒ ｍｅ ｉｉｅ ｒ ｉｃ ｓ ｅ ｎ ｄ ｔｉ． ｅ ａ ｐｉ ｔ ｓ ａ ｅ ｂ ｉ ｌ ｉｔｏ ｕ ｅ ｎ ｄ ｆｎ ｅ．ｎ ｕ ｔｙ． ｄｃｎ ｃ ｏ ｅ ｙ
量 子 阱 红 外 探 测 器 的 研 究 与 应 用
连 洁 ，王 青 圃 ，程 兴 奎 。 ，魏 爱 俭
（． 东大学光 电系 ， １山 山东 济 南 ２ ０ Ｏ ；２ 山 东 大 学 物 理 系 ． 东 济 南 ２ ０ Ｏ ） ５ １０ ． 山 ５ １０
摘 要 ： 论 了 量 子 阱 红 外 探 测 器 的 量 子 阱 结 构 以 及 光 耦 合 模 式 的研 究 状 况 。 要 介 绍 了 该 探 测 器 在 国 讨 简
分。
器 ， 别 是红 外 探 测 器 的 研究 引起 人 们 广 泛 的 重 视 ， 特
在 长 波应 用方 面 得 到迅 速 发展 ｌ 。 １ 一
本 文 分 别 对 不 同量 子 阱结 构 和 不 同 光耦 合 方 式 的 ＱＷＩ Ｐ的研究 状 况 进行 分 析 ， 简 述 了其 应用 。 并
１ 引 言
量子阱红外探测器 （ ＱＷＩ 是 ２ Ｐ） Ｏ世 纪 ９ Ｏ年 代 发 展起 来 的 高新 技 术 。与其 它 红 外技 术 相 比 ， ＱＷＩ Ｐ 具 有 响 应 速 度 快 、 测 率 与 Ｈｇ ｄ 探 Ｃ Ｔｅ探 测 器 相 近 和 探 测 波长 可通 过 量 子 阱参数 的调 整加 以控 制等 优 点 。 而且 ， 用 ＭＢ 利 Ｅ和 ＭＯＣ ＶＤ等 先进 工 艺 可生 长 出高 品质 、 面积 和 均 匀 的 量 子 阱材 料 ， 易做 出大 面 积 大 容 的探 测器 阵列 。由 于有 这样 多 的优 点 ， 子 阱光探 测 量
红外探测器中半阱积分时间
红外探测器中半阱积分时间
红外探测器中半阱积分时间
红外探测器中的半阱积分时间是指在探测器前端发出红外光后，在探测器中持续积分的一段时间，即探测器中的半阱积分时间。
“半阱”的概念指的是在半阱中有一个极短的时间，在此时间段内，只有一种状态的信号产生，即积分信号，直到该信号被释放或新信号能量大于前者，才会触发下一个信号。
一般情况下，半阱积分时间小于100μs，而且在探测器的设计中，半阱积分时间会有一定的要求：
1、高性能探测器——高性能的探测器必须能够高度敏感地检测到环境中反射的或吸收的红外信号，从而达到检测要求，这就要求探测器的半阱积分时间要尽可能短，以最大限度地检测到环境中弱的红外信号。
2、抗干扰能力强——探测器的半阱积分时间必须足够短，以有效地减少环境中其他信号的影响，这样才能保证探测器的性能，特别是在高噪声环境中。
3、低功耗——探测器的半阱积分时间越短，功耗也就越低，这样才能达到节能、环保的要求，以满足用户的需求。
由此可见，半阱积分时间是影响红外探测器系统性能的一个重要因素，因此，探测器的设计人员要根据用户的需求，设计出合理的半阱积分时间，以满足探测器的性能要求。
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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。