量子阱红外探测器探测波长与掺杂关系研究
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。
基于温度变化的量子阱红外探测器研究
式为 ：
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可 分别得 到 Ｇ Ａ 和 Ａ ａ Ａ 应变 随温度 变化的关 ａｓ １Ｇ ￣ ｓ ｖ
量 子阱 的导 带 中形成 的子带 能级 问跃 迁 。并 将从基 态跃 迁到激发 态的 电子 在外加偏 压 的作用下形 成 的
Ｆｂ ２０１１ ｅ
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１— — — — — 一
第２卷 ８
第２ 期
Ｖｏ ． ８ Ｎｏ２ １ ２ ．
光 电流来 实现对 红外线 的探测 。根据介观压 阻效应【 １ ＿ 可知 。超 晶格 多量子 阱在 受到 应力 时会 发生应 变 ， 应变将导致 势垒宽度 、势阱宽度 的改变 ，进而改变 势阱 中的能级分布。类 似于介 观压阻这一研究过程 ， 当温度发生 改变时 ，超 晶格多量 子 阱材料 也会产 生 应变 ，从 而改变势 阱中的能级分 布 ．最终 影响 了量
ａ ｄ Ｓ ｏ ． ｈｓｐ ｐｒｍ ｋ ｓａｓ ｄ ｎ ｔｅｉ ｌｅ ｃ ｆ ｅ ｐｒｔｒ ｍ ｉｌ．Ｂ ｓｄｏ ｈ ａ ｅ ［］ ｗ ｅ ｎ Ｏ ｎ Ｔ ｉ ａ ｅ ａ ｅ ｔ ｙｏ ｈ ｎ ｕ ｎｅｏ ｍ ｅａ ｅ ａｎ ｕ ｆ ｔ ｕ ｙ ａｅ ｎｔｅｐ ｐｒ ２， ｅｄ －
ｒ ｅ ｔ ｅ ｒ ａ ｉ ｏ ｓ ｉ ｅｗｅ ｎ ｔ ｅ ｔｅ ｍａ ｓｒｉ ｎ ｅ ｅ ａｕ ｅ ｉ ｕ ｅ ｌｔ ｃ ．Ｔ ｅ ｏ ｉ ｉ ｇ ｅ ｅｇ ｅ ｅ ｉ ｈ ｅ ｌ ｉｎ ｈ ｐ ｂ ｔ ｅ ｈ ｈ ｒ ｌ ｔ ｎ ａ ｄ ｔ ｍｐ ｒ ｔ ｒ ｎ ｓ ｐ ｒ ｔ ｅ ｈ ｎ ｃ ｍｂ ｎｎ ｎ ｒ ｙ ｌｖ ｌ ｖ ｔ ａ ａｉ ｆ ｒ ｌ ｆ ｑ ａ ｔ ｍ ｌ ｉｆａ ｅ ｈ ｔ － ｅｅ ｔｒ ｗ ｔ ｈ ｅａｉｎ ｌ ｅ ｐ ｅ ｓ ｎ ｏ ｖ ｌｎ ｔ ｎ ｎ ｒ ｅ ｅ ｏ ｍｕ ａ ｏ ｕ ｎ ｕ ｗｅｌ ｎｒ ｒ ｄ ｐ ｏ ｏ ｄ ｔｃ ｏ ｉ ｔ ｅ ｒ ｌｔ ａ ｘ ｒ ｓｉ ｆ ｗａ ｅｅ ｇｈ ａ ｄ ｅ ｅ ｇ ｌｖ ｌ ｈ ｏ ｏ ｙ ｄ ｆ ｒ ｎ ｅ ｅ ｄ ｕ ｎ ｉ ｔ ｅ ａ ａｙ ｉ ａ ｏ ｔ ｔｅ ｉ ｆ ｅ ｃ ｎ ｄ ｔｃ ｅ ｋ ｗ ｖ ｌ ｎ ｔ ｆ ｑ ａ ｔｍ ｌ ｉｆ ｒ ｄ ｉ ｅ ｅ ｃ ，ｗ ｏ ｑ ａ ｔ ａ ｉ ｎ ｌｓｓ ｂ ｕ ｈ ｎ ｌ ｎ ｅ ｏ ｅｅ ｔ ｐ ａ ａ ｅｅ ｇｈ ｏ ｕ ｎｕ ｗｅｌ ｎ ｒ ｅ ｆ ｔ ｖ ｕ ａ ｐ ｏ ｏ ｄ ｔｃ ｏ ｒ ｍ ｅ ｅ ｅ ｔ ｒ ． ｈ ｔ － ｅｅ ｔｒ ｆ ｏ ｔｍｐ ｒ ａｕ ｅ
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。
《2024年势垒型InAs-InAsSbⅡ类超晶格红外探测器研究进展(特邀)》范文
《势垒型InAs-InAsSbⅡ类超晶格红外探测器研究进展(特邀)》篇一势垒型InAs-InAsSbⅡ类超晶格红外探测器研究进展(特邀)势垒型InAs/InAsSb Ⅱ类超晶格红外探测器研究进展（特邀）一、引言随着红外技术的飞速发展，红外探测器作为其核心技术之一，在军事、安防、遥感等领域的应用日益广泛。
势垒型InAs/InAsSb Ⅱ类超晶格红外探测器因其独特的物理特性和优异的光电性能，成为当前红外探测器领域的研究热点。
本文将就势垒型InAs/InAsSb Ⅱ类超晶格红外探测器的研究进展进行详细介绍。
二、InAs/InAsSb Ⅱ类超晶格基本原理与特性InAs/InAsSb Ⅱ类超晶格是一种由两种不同组分的半导体材料交替生长而成的超晶格结构。
其独特的电子能带结构和势垒效应使得该结构在红外探测领域具有显著优势。
InAs和InAsSb因其相近的晶格常数和良好的相容性，成为制备势垒型超晶格的理想材料。
三、势垒型InAs/InAsSb Ⅱ类超晶格红外探测器的研究进展1. 材料制备与生长技术在材料制备方面，研究人员通过分子束外延、金属有机化学气相沉积等先进技术，成功制备出高质量的InAs/InAsSb Ⅱ类超晶格材料。
这些技术能够精确控制超晶格的周期、厚度和组分，为制备高性能红外探测器提供了良好的材料基础。
2. 器件结构与性能优化在器件结构方面，研究人员通过引入量子阱、势垒层等结构，有效提高了探测器的光响应性能和响应速度。
同时，针对红外探测器的响应波段、探测率、暗电流等关键性能指标，进行了大量优化研究。
3. 实验研究与性能分析实验研究表明，势垒型InAs/InAsSb Ⅱ类超晶格红外探测器具有较高的量子效率、低噪声、快速响应等优点。
通过分析器件的能带结构、载流子输运机制等物理过程，为进一步优化器件性能提供了理论依据。
四、研究现状及未来发展趋势目前，势垒型InAs/InAsSb Ⅱ类超晶格红外探测器已取得了一系列重要研究成果，为红外探测技术的发展提供了新的途径。
量子阱红外探测器调研报告
量子阱红外探测器调研报告一、引言红外探测器在军事、民用等众多领域都有着广泛的应用，而量子阱红外探测器作为一种新型的红外探测器，因其独特的性能和优势，近年来受到了越来越多的关注。
二、量子阱红外探测器的工作原理量子阱红外探测器是基于量子阱结构的光电转换器件。
量子阱是一种在半导体材料中通过控制材料的生长和掺杂形成的特殊结构，其能态是量子化的。
当红外光照射到量子阱红外探测器上时，光子的能量被吸收，使得量子阱中的电子从基态跃迁到激发态。
通过外加电场，这些被激发的电子形成电流，从而实现对红外光的探测。
三、量子阱红外探测器的特点1、高灵敏度由于量子阱结构的特殊性质，使得量子阱红外探测器对红外辐射的吸收效率较高，从而具有较高的灵敏度。
2、宽光谱响应可以通过调整量子阱的结构和参数，实现对不同波长红外光的响应，具有较宽的光谱响应范围。
3、高速响应其响应速度较快，能够快速检测到红外信号的变化。
4、低功耗在工作时功耗相对较低，有利于设备的长时间运行和节能。
5、可集成性好可以与其他半导体器件集成在同一芯片上，便于实现系统的小型化和多功能化。
四、量子阱红外探测器的应用领域1、军事领域在军事侦察、导弹预警、目标跟踪等方面发挥着重要作用。
能够在夜间和恶劣天气条件下，探测到敌方的军事目标和活动。
2、航空航天用于卫星遥感、航天器的热控和姿态控制等。
3、安防监控在安防监控系统中，对人员和物体的监测和识别。
4、工业检测检测工业设备的温度分布、故障诊断等。
5、医疗领域例如在医学成像、疾病诊断等方面具有潜在的应用价值。
五、量子阱红外探测器的发展现状目前，量子阱红外探测器的研究和开发取得了显著的进展。
在材料生长、器件结构设计和制备工艺等方面不断创新和优化。
国际上，一些发达国家在量子阱红外探测器的研究方面处于领先地位，已经推出了一系列高性能的产品。
我国在这一领域也取得了一定的成果，但与国际先进水平相比，仍存在一定的差距。
六、量子阱红外探测器面临的挑战1、材料生长的质量控制高质量的半导体材料生长是制备高性能量子阱红外探测器的关键，但在实际生长过程中，要实现材料的均匀性和一致性仍然存在一定的难度。
基于带隙影响的量子阱红外探测器带宽的研究
图１ 为超晶格的势分布 图， ， ， 口 ｂ Ｕ分别代表 阱
宽、 垒宽 和垒 高 ， 电子在 阱 中的有效 质 量为 ｍ ， 中 垒
吸收红外辐射能量跃迁到高能态 ， 并在外 电场作用
下输运 ， 形成与入射光成正 比的光电流 ， 从而实现对
红外辐射的探测。也就是说 ， 通过光电流的变化可 实现 对 红 外 光 辐 射 的 探 测。本 论 文 以 Ｇ Ａ／ ａｓ Ａ ａ Ａ 量子阱红外探测器为研究对象 ， ｌ ｓ Ｇ 从温度 对 Ｇ Ａ 和 ＡＧ Ａ 两种材料带隙的影响出发 ， ａｓ Ｉａ ｓ 进而 分析了三种跃迁下 吸收波长与温度 的关系， 最终得
Ａ ｓ ａｔＱ ａｔｍ ｗ ｌｉ ｒｒｄｐ ｏ －ｅｅｔ （ ｗＩ ）ｓｉｆ ｅｃｄｂ ａｙｆ ｔ ｓｓｃ ｓ ｒｓ ｒ，ｏｉｇｃｎ ｂ ｔ ｃ ： ｕｎｕ ｅ ｆ ｅ ｈｔ ｄｔｃ ｒＱ Ｐ ｉ ｎ ｕｎｅ ｙｍ ｎ ｃ ｒ ｕ ｈａ ｐｅｓ ｅ ｄｐｎ ｏ－ ｒ ｌｎ ａ ｏ ｏ ｌ ａｏ ｕ
激 光 与红 外
Ｎ ．２ ２１ ｏ１ ０１
王忠斌等
基于带隙影响 的量子 阱红外探测器带宽 的研究
ｌ２ ＿ ４Ｔ ＋５ ． ５１ ８Ｔ＋６ ４ ３ ９３
百
１ ３ ３９
４ 吸收 波长 随温 度变化 计算 结果
量子阱红外探测器的探测峰值波长 Ａ 是 由下 。
式表 示 的 ｊ ： Ａ ｈ／ Ｅ ＝ ｃ Ａ （３ １）
量子点红外探测器暗电流及噪声特性研究
量子点红外探测器暗电流及噪声特性研究量子点红外探测器暗电流及噪声特性研究引言量子点红外探测器（Quantum Dot Infrared Photodetector，QDIP）近年来在红外检测领域展示出了巨大的潜力，已被广泛应用于安全检测、半导体材料学以及生物医学领域。
QDIP具有高灵敏度、快速响应和宽波段等优势，因此对其性能参数进行深入研究具有重要意义。
本文将重点探讨QDIP的暗电流及噪声特性研究，分析其对红外探测器性能的影响。
一、暗电流特性研究暗电流是指在没有光照射的情况下，探测器本身产生的电流。
在红外探测器中，暗电流来源较多，如载流子之间的复合、杂质电离以及边缘漏电等。
暗电流对红外探测器性能的影响主要体现在信噪比以及探测灵敏度上。
1. 暗电流对信噪比的影响暗电流的存在会导致探测器底噪电流的增加，进而降低信噪比。
信噪比是评估探测器性能好坏的重要指标，对于红外成像和红外光谱分析等应用具有重要意义。
通过研究不同条件下的暗电流特性，可以优化探测器材料与结构，减小暗电流的产生，从而提高探测器的信噪比。
2. 暗电流对探测灵敏度的影响探测灵敏度是指探测器单位输入能量变化时的响应能力。
暗电流会增加背景信号的噪声，降低探测灵敏度。
针对暗电流这一问题，可通过控制材料的制备工艺、优化结构设计等手段，降低暗电流的产生，并提高探测器的灵敏度。
二、噪声特性研究噪声是指电子系统中各种电子态的随机变动所引起的信号干扰。
影响QDIP性能的噪声主要有热噪声、暗电流噪声和灯光电流噪声等。
1. 热噪声热噪声是指由于电子的热激发和热传导引起的随机电流波动。
热噪声源自于电子系统内各种电子态的随机运动。
通过降低探测器的工作温度或优化材料制备工艺，可以有效减小热噪声对QDIP的影响。
2. 暗电流噪声暗电流的存在会增加背景信号的噪声，从而降低探测器的信噪比。
减小暗电流噪声的方法主要包括提高探测器的材料质量、优化结构设计以及制备过程中的控制。
热应变对量子阱红外探测器吸收波长的影响
ＬＬＥ Ｙ 曩 嚣
【 高新 技术产 业 发展 】
热 应 变 对 量 子 阱红 外 探 测 器 吸 收 波 长 的影 响
王忠斌 温廷敦 许丽萍
山西 太原
张家鑫
００５） ３０ １
（ 中北大学 物理系
摘
要： 从介观压 阻效应 出发 ，结合晶体 的热膨胀 ，分析 热应变 对量子 阱红外探测 器 的影 响。其 中 ，热膨 胀指 的是 晶体 的温 度发生 变化时所 产生的应变 现
对 象 ，分析 了温度 的变 化对 该器件 的影 响 。
筹＝ａＪ ＋ ＿２ ３ 旦￣ （ ｏ …（） ２． ， ＿ ｍａ １ ’ ２
能 量 为 的 电子波 透 过 阱层 的几 率很 小 ，它 基本 上定 域在 阱 区 。其 中 是阱 中最低 能级 。阱 中 电子遵 循 费米分 布 ［］ 习中 ，我们 了解 到 ：在力 学信 号作用 下 ，纳米 结 构 中 的应 力 分 布将 发 生 变 化 ：一 定 条 件 下应 力 变 化 可 引起 内建 电场 的产 生 ：内建 电场 将 导致 纳米 带结 构 中量 子能级 发 生变化 ；量子 能 级变化 会 引
起共 振隧 穿 电流变 化 。简 言之 ，在 共振 隧 穿 电压附 近 ，通过 上述 四个 物 理 过程 ，可将 一个微 弱力 学信 号转 化为一 个较 强 的电学信 号 ［］ １ 。上述 四个 物 理过程 的综 合研 究就是 我们 提到 的介观 压 阻效应 。 红外探 测器 是一 种对 于红 外辐 射进 行高 灵敏度 感 应 的光 电转换 器件 。 早期 的红 外探 测基 于红 外辐 射 的热 效应 。根 据 电子受 光 子激 发后 输运 性 能 的差异 制 。作 的探 测器称 为 光 子探测 器 。 目前 以碲镉 汞 为代表 的光子 探测 器 已经 获得 了长 足 的发 展 。而 与碲镉 汞 探测 器有 着不 同量子机 理 的量 子 阱 红外探测 器 正崭露 头角 ［］ ２ 。量子 阱 红外探 测器 是利用 掺杂 量子 阱 的导 带 中 形 成 的子 带能级 间跃 迁 ，并 将从 基态 跃 迁到 激发 态 的 电子在外 加 偏压 的作 用 下形 成 的光 电流 来实现 对 红外 线 的探 测 。近年 来 ， 由于量子 阱 红外 探测
SiSi_(1-x)Ge_x量子阱APD增强红外吸收的研究.doc
Si/Si_(1-x)Ge_x量子阱APD增强红外吸收的研究为突破硅基探测器在红外探测中由硅本征禁带宽度导致的1104 nm波长截止,设计出比现阶段普遍使用的稀土元素红外探测器(如In Ga As探测器)成本更低、噪声更小、兼容性更好的硅基量子阱雪崩红外探测器。
本文通过Silvaco TCAD进行模拟仿真以设计近红外短波吸收增强型APD,并将Si/Si1-xGex量子阱量子阱结构加入APD的吸收区进一步提高长波长范围的吸收率并拓宽APD的响应范围。
最终达到优化硅基APD增强红外吸收的目的。
作为研究的第一步利用Athena 工艺仿真模块设计模拟流片制备外延12μm APD的整个工艺过程,并利用Atlas对APD内部结构可以直接设定的优势仿真10μm吸收区的APD探测像元。
对比12μm吸收区APD探测像元和吸收区为10μm的APD探测像元的光谱响应,得出了吸收区10μm的SACM结构吸收峰在0.5μm处,而吸收区厚度加厚的12μm外延层APD探测像元具有宽谱响应并在0.8μm 1.1μm的近红外区保持着较大的光电流,由此验证了更大的吸收区域使更多的光子尤其是长波长光子在器件较深的吸收区被吸收。
在以上10μm APD器件基础上加入Si/Ge异质结量子阱结构并仿真其光电特性,得到了Ge/Si/Ge异质结量子阱APD光电流比暗电流提前10V击穿的结果,这意味着在光信号雪崩放大时暗电流尚未倍增,有效地抑制了噪声。
通过比较双异质结量子阱APD和6层Ge的量子阱APD的光谱得出Ge层数的增加使光谱峰红移0.05μm,但是Ge层数的增加使异质结表面位错增加,降低了载流子输运。
基于以上研究考虑将Si/Ge异质结量子由失配度更小的Si/Si1-xGex量子阱代替引入器件的吸收区。
通过讨论加入含Ge的量子阱结构在工艺温度上所需要注意的问题设计了低温推结的工艺的无量子阱硅基APD对照组,并在吸收区加入Si/Si1-xGex量子阱结构仿真得到了它们的光电特性。
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。
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 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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
量子阱红外探测器及相关量子器件的研究进展
助 于能 带结构 工 程学 研 制 出 具有 探 测 率高 、响 应速度快 、 光谱波段 宽 、 集成 密度 高等优 点 的红
维普资讯
文章编号 ， １７－７５２０ ）２ ０００ ６２ ８ （０６１－ １－５ ８ ０
量 子 阱 红 外 探 测 器 及 相 关 量 子 器 件 的 研 究 进 展
熊 大 元
（ 中国科学院紧扣量 子 阱中 电子 跃迁特 点，围绕量 子 阱红 外探 测器 （ ＷＩ ） 本 Ｑ Ｐ 的器件 物 理
Ｋｅ ｒ ｓ ｎ ｏｓｒ ｃｕｅ ｑ ａ ｔ ｍ ｅｌｉｔ ｒｕ ｂ ｎ ｒｎ ｉ ｏ ； ｙ ｗｏ ｄ ： ａ －ｔｕ ｔ ｒ； ｕ ｎ ｕ ｗ ｌ ｎｅｓ ｂ ａ ｄｔａ ｓｔ ｎ ＱＷ Ｉ ｎ ； ｉ Ｐ
１ 引 言
当前 ，高 科技 领域 中最 重 要 的红 外 器件 当
形 成若 干个 周 期 以增强 对光 的吸收 【 ．由于量 ３ 】
Ａ ｂｓ ｒ ｃ ： Ｉ ｈ ｓ ｐ ｐ ｒ ｔ ｅ ｅｅ ｔ ｏ ｒ ｎ ｉｉ ｎ ｉ ｈ ｕ ｔ ｔａ ｔ ｎ ｔ ｉ ａ ｅ ， ｈ ｌｃ ｒ ｎ ｔ ａ ｓｔｏ ｎ ｔ ｅ ｑ ａ ｕｍ ｌ ｉ ｉｃ ｓ ｄ ｉ ｅ ａ ｌａ ｄ ｔ ｅ ａ ｐ ｉ ｎ ｗｅ ｌ ｓ ｄ ｓ ｕｓ ｅ ｎ ｄ ｔ ｉ ｎ ｈ ｐ ｌ －
子 阱 中的 电子 被 限制 在与 Ｄ Ｂ ｏ ｌ 波 长和平均 ｅｒ ｉ ｇｅ
数碲 镉汞 （ ｇ ｄ ｅ 红 外焦平 面 阵列 探 测器 ．但 Ｈ Ｃ Ｔ） 制备 这种 器件 对材 料 要 求 非 常苛 刻 ，因而成 品 率甚低 、 价格 昂贵 ；又 由于 电子 有效 质量 低等 固
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
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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。
由于其具有易于调节波长、高热稳定性和高均匀性等优点，所以往往将其视为第三代IR相机的高性能探测器。
另外，对于 GaAs／AlxGa1－xAs QWIP，可通过改变AlGaAs层中Al的组分和厚度来满足各种应用需求。
QWIP有源层的掺杂浓度和配比等对器件性能具有决定性作用［3］，QWIP的工作波长也是由有源层中的掺杂决定的，可见，选择最佳的掺杂浓度来提高器件的性能是非常关键的。
目前，已有科研小组在进行相关的研究。
Gunapala借助粒子从束缚态到连续态的跃迁机理，从实验角度证明了掺杂对QWIP性能的影响［4］。
虽然该实验已被报道，但并没有透露更多细节性的理论分析过程。
所以，需要建立一个数值精确的物理学模型来模拟和研究掺杂对器件性能的影响［5］。
考虑到掺杂对阱内电势和器件整体性能的影响，本文建立了一个 GaAs／AlxGa1－xAs多量子阱红外探测器（Multiple Quantum Well Infrared Photodetector，MQWIP）理论模型对其进行分析，并以此为基础得出一些掺杂浓度的最佳可能值，以便提高器件的性能。
该模型也适用于其他材料系统，如InGaAs／Al-GaAs、InGaAs（P）／InP和Si／SiGe［6］等。
1 理论模型图1所示为MQWIP与单QW结构示意图。
图1（a）展示了 GaAs／AlxGa1－xAs MQWIP内部结构，图中：z为探测器生长方向；x为摩尔分数；LW和LB分别为势阱和势垒层宽度；hv为以Φ角入射的入射光；M 为N-GaAs层的总数量。
在半绝缘GaAs衬底上，GaAs势阱与AlxGa1－xAs势垒交替叠加，生成多量子阱（Multiple quantam Wen，MQW）结构［7］。
另外，在0.7μm厚的GaAs 顶部接触层和0.5μm厚的GaAs底部接触层（二者均掺杂有2×1018 cm－3的Si载流子）之间夹有多个势阱和势垒。
假定光以与生长轴z成45°的夹角入射到检测器中。
图1 MQWIP与单QW结构示意图对图1（b）所示的单QW层结构侧视图进行分析，有助于确定探测器的吸收光谱，图中r为常数。
QW的电子结构可以通过求解电子波函数Ψ（z）中一维不受时间影响的薛定谔方程来获得［8］，其能量E可用如下方程求解：式中：ε为电场；q为电子电荷；V（z）为因频带偏移产生的电势；为有效电子质量；h为降低了的普朗克常数；z为生长轴。
此外，VH（z）可通过求解一维泊松方程得到：式中：N（z）为QW掺杂浓度；n（z）为电子浓度；k为GaAs材料的相对介电常数；ε0为真空介电常数。
可通过如下求解过程，得到式（1）和式（2）的自洽求解方案［9］。
首先假设Hartree电位值的一些初始值VH（z），然后应用2×2哈密顿计算方法对式（1）求解，得到能量特征值和电子波函数。
在没有电场的情况下，式（1）可改写为式中：Ar和Br均为系数；分别为3种不同情况下的波数，其中，r为如图1（b）中所示的常数，i为不同的有源层；kr、m＊re和Vr分别为r阱区内的k、m＊e和V。
在z＜0的区域内，有r＝1；在0≤z≤LW的区域内，有r＝2；在z＞LW的区域内，有r＝3。
此外，阱内的能级吸收系数可以通过使用费米谐波摄动的黄金法则［10］来确定。
束缚态到束缚态跃迁的吸收系数可表示为式中：c为光速；nr为材料的折射率；hw为入射光的能量；Γ为与吸收光谱的半高全宽相等的展宽因子；Eg与Ef分别为基态与激发态能量；N 为QW 的掺杂浓度；Ψg（z）与Ψf（z）分别为初始状态与最终状态的波函数；m＊we为阱中电子有效质量；Φ为光线的入射角。
同样地，束缚态到连续态跃迁的吸收系数可表示为式中：Efc与Ψfc（z）分别为连续态本征能量与波函数；m＊Be为有效电子质量；V0为由于偏置下能带的倾斜而引起的有效频带偏移。
又由图1可知，从束缚态到束缚态和从束缚态到连续态的吸收系数近乎相同，那么QW的速率方程又可表示为式中：nτ为QW中单位体积上捕获的电子数；τcap为电子的捕获寿命；resc为电子从阱中漏出的速率与电子逸出时间的倒数相反；rr为与τr相反的电子重组率。
对于在电场下工作的设备，其捕获时间τcap可以认为是激发载流子的寿命。
这里会提到捕获概率［11］：pc＝τtrans／（τtrans＋τcap），式中，τtrans 为载流子穿过一个QW周期所需要的时间。
此外，因为在此模型中势垒层较厚，所以载流子主要在外加电场作用下逸出QW。
在偏压（V）作用下，电子逸出率（resc）可表示为式中，resc（0）为电子在零偏压下的发射率；VS为势垒的有效下降部分。
最后，MQWIP的响应度为式中：J为MQWIP的平均光电流密度；A为器件面积；Pinc为入射光功率。
2 结果与分析借助Matlab软件仿真，得到AlGaAs和GaAs中一些重要材料参数值，如表1和表2所示。
表1 AlxGa1－xAs中x取值不同时的相关参数注：T为温度。
摩尔分数（x）有效电子质量／kg带隙宽度／eV T＝300KT＝77K 0.24 0.082 9×10－29 1.720 9 1.806 1 0.25 0.083 8×10－29 1.734 3 1.819 5 0.26 0.084 6×10－29 1.747 7 1.832 9 0.27 0.085 4×10－29 1.761 3 1.846 4 0.28 0.086 2×10－29 1.774 8 1.860 0表2 QWIP在不同温度时的参数温度／K 阱中电子有效质量／kg 带隙宽度／eV电子漂移速度／m／s 10 0.063×10－29 1.518 7 1.20×105 77 0.063×10－29 1.507 6 1.07×105 300 0.063×10－29 1.422 4 0.72×105设定AlxGa1－xAs势垒层厚度为LB＝30nm，入射光功率Pinc＝1mW，器件面积A＝200μm×200μm。
按照选择规则，当光垂直入射时，无法在N型QW结构中引起子带间跃迁，所以需要将光以与生长轴z成45°角射入，具体如图1（a）所示。
为了研究掺杂对响应度的影响，首先对吸收系数展开研究，进而确定载流子的本征能态和波函数。
由于波函数的特征形态和形状取决于Hatree电位［12］的具体位置，并且Hartree电位的形状也对电子基本能态中的波函数起着决定性作用，故可通过对式（1）和式（2）自洽求解得到波函数、能量本征态和Hartree电位等。
该解决方案需包含费米能级（EF）在不同温度和不同掺杂浓度下随载流子产生变化的情况［13］。
不同温度下费米能级随载流子浓度的变化曲线如图2所示。
图2 不同温度下费米能级和二维载流子浓度之间的关系由图可知，在较低的温度范围内，温度对费米能级造成的影响是微乎其微的［14］，即可认为温度不会对费米能级的大小造成影响，故可在任一低温条件下对费米能级的数值进行计算。
通过改变阱中的掺杂浓度，可以控制器件的本征能态、波函数以及吸收光谱。
在获得特征能态和波函数之后，可使用式（4）或（5）确定吸收系数。
不同掺杂浓度下的吸收光谱如图3所示。
对于5.2nm宽和掺杂为5×1017 cm－3的Si供体，可在波长为8.57μm处取得峰值吸收系数，这与现有的实验数据十分吻合［15］。
图3 不同掺杂浓度下归一化吸收率和波长之间的关系由图3可知，吸收峰值随掺杂浓度的降低而发生蓝移。
掺杂浓度增加会导致Hartree电位值增加，而Hartree电位的变化又会改变特征能态、波函数和归一化吸收率。
结合式（2）和（3）能发现，归一化吸收系数的峰值与掺杂浓度之间成比例地变化。
文献［4］也观察到了与此类似的变化。
此外还发现，可以通过改变AlGaAs中Al的组分来控制归一化吸收率。
在5.8nm 的 QW 中用2.2×1017 cm －3的Si作为供体进行掺杂，得到如图4所示的波长和吸收系数之间的关系，从图中可发现吸收光谱对Al的摩尔分数（x）的依赖性。
在Al的摩尔分数x增大的过程中，传导带的不连续性随之增加，束缚态和激发态也会因此位置上移，这使得短波的吸收效果表现更好，峰值也更大。
图4 在Al的摩尔分数x不同时，波长和吸收系数之间的关系在上述情况下，最高能态与顶部能态之间只需存在很小的偏差就足以产生光电流。
为了计算光电流，需要对QWIP的响应度进行进一步的计算和测定。
在T＝300K时，取电子迁移率μ＝1 000cm2 V－1s－1，发现饱和漂移速度为7.2×106 cm－1。