量子阱红外探测器(QWIP)调研报告
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。
红外光电探测器技术的发展(学术前沿专题)
量子点红外光电探测器技术的发展（学术前沿专题）专业：测试计量技术及仪器班级：硕研22班学生学号： S0908*******学生姓名：李刚量子点红外光电探测器目前大多数红外焦平面阵列（FPA）都以量子阱红外光电探测器（QWIP）或碲镉汞（MCT）光电探测器为基础，而这两类探测器都存有重大的不足。
QWIP对垂直入射光的探测效率很低，因为垂直方向上光子的跃迁被禁止。
尽管利用光栅可以弥补这一缺点，但光栅的制作无疑会增加系统的成本。
另外，QWIP在高温工作时暗电流较高，所以通常采用冷却方式使其在低温下工作，这便大大增加了成像系统的成本、体积和功耗。
MCT光电探测器则因为MCT固有的不稳定性，很难实现高度均匀的探测器阵列，而且以MCT为基础的FPA还具有成本高和效率低的缺点。
近年来，量子点红外光电探测器（QDIP）在工作温度和量子效率方面取得的重大进步，将有望引领新一轮成像技术热潮，并将在医学与生物学成像、环境与化学监测、夜视与太空红外成像等领域开辟新的应用天地。
目前，通过采用纳米技术形成量子点，研究人员已经在开发室温或接近室温工作的高性能成像器方面迈出了一大步。
量子点又称“人造原子”，目前量子点作为提高电子与光电子器件性能的一种手段，已经被广泛应用。
量子点的尺寸很小，通常只有10nm，因此其具有独特的三维光学限制特性。
将量子点应用在红外光电探测器上，可以使探测器在更高的温度下工作。
开发高温工作的红外光电探测器，可以降低红外成像系统的成本，减小重量，提高效率，这将极大地拓展红外光电探测器的应用范围。
研究人员已经开发出了首个以QDIP为基础的焦平面阵列。
研究人员在开发高性能QDIP方面取得了重大突破。
新开发的在室温下工作的QDIP，探测峰值波长在中红外波段（3～5μm），这一波段具有重要的应用价值，因为地球大气层对中红外波段的吸收很小。
该款QDIP由砷化铟（InAs）量子点和铟砷化镓（InGaAs）量子阱组成的混合结构，同时利用铝铟砷化物（AlInAs）形成势垒。
国外遥感卫星发展现状
国外遥感卫星开展现状目录1前言 (3)2美国 (5)2.1地球观测系统〔EOS〕 (5)2.2美国陆地卫星系统〔L ANDSAT〕 (6)2.3轨道观测卫星〔O RB V IEW〕 (7)2.4伊克诺斯卫星〔IKONOS〕 (8)2.5地球眼-1卫星〔G EO E YE-1〕 (8)2.6快鸟-2卫星〔Q UICK B IRD-2〕 (9)2.7世界观测卫星〔W ORLD V IEW-1/2〕 (9)2.8下一代高分辨率陆地卫星 (10)3欧盟 (10)3.1法国SPOT卫星系统 (10)3.2法国P LEIADES卫星系统 (11)3.3意大利地中海周边观测小卫星星座系统〔C OSMO-S KYMED〕 (12)3.4德国/加拿大R APID E YE (13)3.5德国SAR成像卫星 (14)3.6欧空局遥感卫星〔ERS〕 (14)3.7欧空局ENVISAT (14)3.8英国UK-DMC2、英国/西班牙D EIMOS-1 (16)3.9德国E N MAP (16)3.10欧盟GMES方案 (16)4印度 (17)4.1C ARTSAT-1(IRS-P5) (17)4.2RESOURCESAT-1〔IRS-P6〕 (18)4.3C ARTSAT-2系列 (19)4.4C ARTSAT后续 (19)5加拿大 (19)6日本 (21)7俄罗斯 (21)8以色列 (22)8.1地平线系列〔O FEQ〕 (22)Ofeq 7 (22)Ofeq 8〔TECSAR 1〕 (22)Ofeq 9 (23)8.2爱神系列〔EROS〕 (23)ErosA (23)ErosB (24)9韩国 (25)10泰国 (26)11阿联酋 (26)12委内瑞拉 (26)13其他国家 (27)1前言卫星遥感技术是上世纪60年代蓬勃开展起来的一门集多维、多平台、多层次的立体化观测的综合性探测技术。
近年来全球经济的迅速开展，地球环境和地球资源已经成为综合国力开展和国家间竞争较量的焦点。
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。
《界面处理调控InGaN-GaN多量子阱结构光学性能的研究》范文
《界面处理调控InGaN-GaN多量子阱结构光学性能的研究》篇一界面处理调控InGaN-GaN多量子阱结构光学性能的研究一、引言随着半导体光电子技术的快速发展，InGaN/GaN多量子阱（MQW）结构因其优异的发光性能和光电转换效率，在LED、激光器等光电器件中得到了广泛应用。
然而，其光学性能的优化与调控一直是研究的热点与难点。
本文针对界面处理对InGaN/GaN多量子阱结构光学性能的影响进行研究，旨在通过界面调控技术，提高MQW结构的光学性能。
二、InGaN/GaN多量子阱结构概述InGaN/GaN多量子阱结构是一种由交替生长的InGaN和GaN 薄层组成的周期性结构。
这种结构具有能带工程可调、高电子迁移率等优点，在光电器件中具有重要应用。
然而，在生长过程中，界面处容易出现非辐射复合中心，影响MQW结构的光学性能。
因此，如何优化界面处理技术，减少非辐射复合中心的形成，成为提高MQW结构光学性能的关键。
三、界面处理技术及其对光学性能的影响界面处理技术是提高InGaN/GaN多量子阱结构光学性能的重要手段。
通过优化生长条件、引入缓冲层等方法，可以改善界面质量，减少非辐射复合中心的形成。
本文从以下几个方面探讨了界面处理技术对光学性能的影响：1. 生长条件优化：通过调整生长温度、压力、气体流量等参数，可以优化InGaN和GaN薄层的生长过程，减少界面处的缺陷。
同时，采用适当的氮化物缓冲层可以进一步改善界面质量。
2. 缓冲层引入：在InGaN/GaN多量子阱结构中引入缓冲层，如AlN或InN等，可以有效地减少界面处的应力，降低非辐射复合中心的形成概率。
此外，缓冲层还可以作为势垒层，提高电子和空穴的注入效率。
3. 界面粗糙度控制：通过精确控制生长过程，可以降低界面粗糙度，减少散射损失。
此外，界面粗糙度的降低还有助于提高载流子的传输效率，从而提高MQW结构的光学性能。
四、实验结果与分析为了验证界面处理技术对InGaN/GaN多量子阱结构光学性能的影响，我们进行了以下实验：1. 制备不同界面处理条件的InGaN/GaN多量子阱样品，包括生长条件优化、缓冲层引入以及界面粗糙度控制等。
国外三代红外探测器制冷机的研究现状
2020 年云光技术第 52 卷 第 1 期国外三代红外探测器制冷机的研究现状张坤杰（昆明物理研究所，云南 昆明，650223）摘要：红外技术的研究工作正在朝着满足尺寸小、重量轻和功耗低的三代红外系统的应 用方向发展。
红外探测器制冷机的体积、重量和功耗对三代红外系统的整体尺寸的影响 起到决定性作用。
本文介绍了三代红外系统技术要求的同时，引出目前国外各公司针对 三代红外探测器研制出的微型制冷机，这些制冷机的应用范围包含所有符合三代红外系 统技术特点的红外探测器，能够做到在多种三代红外系统中的互换和通用。
在此基础上， 对三代红外系统制冷机的未来发展趋势进行了初步分析。
关键词：制冷机；三代红外探测器制冷机组件；三代红外系统0 引言目前，红外技术的研究工作呈现两个主要趋势，一个是降低红外系统的尺寸、重量和功耗， 即低 SWaP（Size，Weight and Power）应用，另一个是通过引入三代红外模块而进一步提高红外 系统性能。
三代红外模块主要以大面阵规模、高探测率、小像元、高工作温度、双多色/多波段、 高性价比等为特征。
具体技术要求有：①焦平面的高工作温度、高探测率、高量子效率；②多光 谱、高分辨率、大面阵；③制备成本低[1]。
目前，进一步缩小像元尺寸、提高焦平面工作温度可 实现使用紧凑的低功耗制冷机，也就是目前的三代红外探测器制冷机，符合国际上通用的低 SWaP 指标，同时又能保持较高的光电性能[2]。
它具备在多种三代红外系统（基于小像元、高温、双/ 多色探测器等技术）中的通用性，也就是说，一种制冷机的应用不只局限于与一种类型的红外系 统相集成，这也实现了三代红外系统制冷机在制造阶段的成本节约。
截至目前，美国 Leonardo DRS 公司、美国 Raytheon 公司、美国 Teledyne 公司、法国 Lynred 公司、Selex Galileo 公司、德 国 AIM 公司和以色列 SCD 公司已陆续研制出这样的三代红外探测器制冷机组件，主要应用领域 有卡装式武器热瞄镜、便携式手持战术热像仪、小型无人机、遥控狙击手和遥控武器站、导弹导 引头等空间受限的红外系统[2]。
硅基低维红外探测薄膜材料的研究概况
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硅基低维红外探测薄膜材料的研究概况＊
杨 宇 , 王 茺
(云南大学光电信息材料研究所 , 昆明 650091)
摘要 Si 基探测器与 硅读出电路的单片集成不仅使光电芯 片在性能上 得到重要 改善 , 还可极 大地降 低成本 。 在对量子阱 、量子点原 理描述的基础上 , 综述了它们应用于薄膜红外探测材 料的研究进展 , 提出了近期工作的重点 。
体不可见的红外辐射光探测出并将其转换为可测量的信号 或图像 ,从而感知物体的技术就是红外探测技术 。 探测器作 为红外整机系统的核心关键部件 , 可以探测 、识别和分析红 外信息并加以控制 。 利用它制成的热像仪是军事 、气象 、环 境资源调查 、农业 、医学 、科研等方面迫切需要的高新技术 , 它是涉及物理 、化学 、信息 、材料等基础学科和光 、机 、电与计 算机等多领域的综合科学技术 。从二次世界大战以来 , 红外 探测器主要用在导弹 、坦克 、战斗机等军事 装备上 , 进行夜 视 、遥感 、侦查 、寻的和制导 。军用红外系统通常工作在 3 ～ 5 μm 和 8 ～ 10μm 2 个大气窗口 , 可透过烟 、尘 、雾 、阴影区 、树 丛 , 探测重要军事目标 , 能实现昼夜被动远距离探测 。 近 10
续态 , 并在外加偏置电压的驱动下形成光电流 , 使半导体超 晶格和量子阱结构的电导率增大 , 从而实现特定波段上的红 外探测 。因此 , 可以看出量子阱探测器本质上是光导电型 , 其响应波长可通过改变量子阱宽度和调节势垒高度而分别 达到 3 ～ 5 μm 及 8 ～ 12μm 的大气窗口 , 特别适合于这 2 个重 要窗口双色器件的制作 。与 InSb 、H gCdTe 等传统的晶体探 测材料相比 ,量子阱薄膜的主要优点是大面积的均匀性好 , 在焦平面红外凝视器件的制备方面有独特的优势 , 于军事 、 通讯 、预警等领域有极重要的应用 。国外 Bell 实验室 Levine 报道了 128 ×128 像元的 GaAs/AlG aAs 量子阱焦平面探测 器 ,响应波长 ～ 9μm , 在 35K 下的峰值探测率为 4 .5 ×1013 cm (H z1/2)/W , 达 75 %的背景探测器极限[ 2] , 面阵的均匀性优于 96 %。在国内 ,中科院上海技术物理研究所 、上海冶金研究 所 、北京半 导体物 理研 究所及 北京 物理所 等单位 开展 了 GaAs/A lGaA s 量子阱红外探测器的研究工作 , 在一些具体 指标特别是探测材料指标上有突破性成果 。然而 , 非 Si 基量 子阱化合物在集成与互连(需铟柱倒焊)方面有较大困难 。 此外 , 因入射辐射中只有垂直于量子阱生长面的电极化矢量 起作用 ,光子利用率低 ;量子阱中基态电子或空穴浓度受掺 杂限制 ,量子效率不高 ;响应光谱区窄 ;低温要求苛刻等 。 目 前红外焦平面探测器芯片的发展主流仍然期待以现代微电 子技术的基石 Si 基元素半导体材料为主 。
基于表面等离激元的长波QWIP光栅优化
基于表面等离激元的长波QWIP光栅优化王国东;倪璐;朱红伟;王赛丽【摘要】为了提高长波量子阱红外探测器的灵敏度及探测率，采用表面等离激元效应来提高量子阱红外探测器中二维光栅的耦合效率。
利用三维时域有限差分算法，分析表面等离激元作用下，长波量子阱红外探测器中二维金属薄膜光栅参数对入射光的调制作用。
计算结果表明，对于8μm的入射光，当光栅周期 P＝2．8μm，孔直径D＝1．4μm，光栅层厚度L＝0．04μm时，X-Y 平面内Z方向电场值最大，光栅的耦合效率最高。
%In order to improve the sensitivity and detectivity of the long-wavelength quantum well infrared photodetector (QWIP) ,the surface plasmon was adopted to enhance the optical coupling efficience of two-dimensional grating .The modulation effects of the 2-D metal film grating parameters in long-wavelength QWIP on the incident light were analyzed by using the 3-D finite-difference time-domain (FDTD) algorithm based on surface plasmon .Calculation re-sults show n that the electric field along the Z direction reaches its maximum in the X-Y plane when the grating parameters were taken as P=2 .8μm ,D=1 .4μm andL=0 .04μm for 8μm incident light .【期刊名称】《应用光学》【年(卷),期】2014(000)005【总页数】4页(P785-788)【关键词】量子阱红外探测器;表面等离激元;二维光栅;耦合效率【作者】王国东;倪璐;朱红伟;王赛丽【作者单位】河南理工大学电气工程与自动化学院，河南焦作454003;河南理工大学电气工程与自动化学院，河南焦作454003;河南理工大学电气工程与自动化学院，河南焦作454003;河南理工大学电气工程与自动化学院，河南焦作454003【正文语种】中文【中图分类】TN362引言基于GaAs／AlGaAs材料的量子阱红外探测器（QWIP）具有均匀性好、响应速度快、器件制作工艺成熟、抗辐照、成本低等特点［1-6］，在当前以大面阵、多色等为特性的第三代红外焦平面技术中占有十分重要的地位。
红外焦平面成像技术发展现状
红外焦平面成像技术发展现状姓名：高洁班级：11级硕研1班学号：S11080300007摘要红外焦平面列阵成像技术已经进入了成熟期。
本文对几种红外焦平面列阵器件如MCT、Insb 和QWIP 的最新进展作一评述，简要介绍其器件发展水平、技术路线和关键工艺。
简要提及一种新颖的非制冷焦平面成像技术：光学读出微光机红外接收器。
关键词：红外焦平面列阵；碲镉汞；锑化铟；量子阱红外探测器AbstractInfrared focal plane array (IRFPA) imaging technology has been matured during the passed decade. In this paper an overview of recent progress to several kind of IRFPA such as MCT, Insb and QWIP is provided , focusing on new device development, technical lines and key technologies. Also, a new type of uncooled FPA imaging technigue micro !optomechanical infrared receiver with optical readout is briefly introduced.Key words: IRFPA; MCT; Insb; QWIP引言红外探测器技术在20 世纪90 年代取得了飞速发展。
红外焦平面列阵成像技术进入了成熟期。
高性能大规格焦平面列阵已正式地应用于各种重大国家安全项目中，例如弹道导弹防御计划和重要新型武器系统。
另外，新型非制冷红外焦平面技术的涌现正在促进红外技术走向第三代。
美国人预言，未来几年美国红外市场将出现年均30%的连续高速增长[1]。
本文简要评述了几种红外焦平面列阵器件技术的最新进展。
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。
光电探测器调研报告
光电探测器的原理及国内外研究现状学生姓名： _____________ 学号：__________________ 院（系）: _____________ 专业: ____________________光电探测器的原理及国内外研究现状摘要概述了光电探测器的分类和基本原理，并从材料体系的选择和器件的主要应用等方面阐述了光电探测器国内外研究现状，预测了硅基雪崩光电探测器在军事和激光雷达等方向的应用前景。
关键词：光电探测器；硅基雪崩光电探测器；激光雷达Principle and Research Statue at Home and Abroad of photoelectricdetectorAbstractDescribed the basic principle and assortment of the photoelectric detector. The domestic and abroad research statue from the aspects of material selection and device main applications is summarized. At last the application prospects of silicon-based avalanche photodetector are predicted, such as research on military and laser radar.Keywords: phoroelectric detecto； r silicon-based avalanche photodetect； orlaserradar1引言光电探测器的发展历史比较悠久，已有上百年的研究历史。
由于这种器件在军事和民用中的重要性，发展非常迅速。
随着激光与红外技术的发展，材料性能的改进和制造工艺的不断完善，光电探测器朝这集成化的方向发展。
制冷型及非制冷型红外探测器性能对比、应用领域分析
1 用于军事和科研领域的制冷型红外探测器发展情况适用于制冷型红外单色探测器的主流材料是InSb和碲镉汞。
InSb中波红外探测器技术相对成熟，比较容易做成低成本、大面积、均匀性好、高性能的探测器阵列。
但它也存在如工作温度不能提高等一些缺点。
适用于多波长探测的低温红外探测器的材料一般有三种，包括碲镉汞（HgCdTe）、量子阱（QWIPs）和Ⅱ类超晶格。
表6：制冷型红外探测器敏感材料对比敏感材料技术特点锑化铟技术成熟，成本较低，只能用于单色制冷红外探测器，军民大量应用，尤其以红外空空导弹为多。
碲镉汞通过改变镉的组份，可以精确的控制碲镉汞材料的禁带宽度，覆盖短波、中波和长波红外。
但是由于微小的组分偏差就会引起很大的带隙变化，其材料的稳定性、抗辐射特性和均匀性都相对较差，所以成品率较低，成本非常高。
量子阱生长技术成熟，并且生长面型均匀，受控性好；价格低廉、产量大、热稳定性高。
但其结构特殊性使得正入射光无法很好地被探测器吸收，致使量子阱探测器的量子效率并不理想。
Ⅱ类超晶格拥有较高的探测灵敏度，几乎可以与碲镉汞相媲美。
隧穿电流和暗电流均较小，对工作温度的要求相对宽松。
提高性能、缩小体积和降低成本是目前碲镉汞探测器的三大研究方向。
国内研究碲镉汞红外探测器的单位主要包括昆明物理研究所、高德红外。
昆明物理所从2006年就开始着手碲镉汞中波红外探测器的研发工作，并于2010年实现了量产。
2015年，昆明物理研究所量产的640×512中波红外探测器实现了在温度为110K，NETD为19.7mK，有效像元率为99.33%的技术指标，标志着我国中波探测器性能指标基本达到同一时期发达国家的技术水平。
据高德红外子公司高芯科技官网显示，该公司研制了国内最新款制冷型碲镉汞中波红外探测器CB12M MWIR，其面阵规格为1280×1024，像元尺寸为12μm，NETD小于20Mk（F2/F4）。
技术指标达到国内外顶尖水平。
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。
红外探测技术及红外探测器发展现状
红外探测技术及红外探测器发展现状中国安防行业网2014/7/25 14:10:00 关键字：红外,探测技术,发展现状浏览量：6731一、技术现状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，甚至可以分析物质的分子组成；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。
只有近红外，由于其强度小，穿透力一般，故长期以来没有引起重视，只是近些年来才成为研究热点，因为用近红外技术可以做某些成分的定量检测，最关键的是还不必破坏试样。
（一）技术优势红外技术有四大优点：环境适应性好，在夜间和恶劣天候下的工作能力优于可见光；隐蔽性好，不易被干扰；由于是靠目标和背景之间、目标各部分的温度和发射率差形成的红外辐射差进行探测，因而识别伪装目标的能力优于可见光；红外系统的体积小，重量轻，功耗低。
（二）制约因素目标的光谱特性；探测系统的性能；目标和探测口之间的环境和距离——这三大因素是红外技术发展过程中需要解决的主要问题。
例如：为充分利用大气窗口，探测器光谱响应从短波红外扩展到长波红外，实现了对室温目标的探测；探测器从单元发展到多元，从多元发展到焦平面，上了两大台阶，相应的系统实现了从点源探测到目标热成象的飞跃；系统从单波段向多波段发展；发展了种类繁多的探测器，为系统应用提供了充分的选择余地。
（三）国内领先技术红外探测器芯片一直受制于西方政府和供应商。
为打破国外技术垄断，2012年4月，高德红外用2.4亿元超募资金实施“红外焦平面探测器产业化项目”。
2014年2月25日，高德红外公告，公司“基于非晶硅的非制冷红外探测器”项目成果已获湖北省科技厅鉴定通过，下一阶段将开展试生产及批产工作。
据介绍，在高德红外芯片生产线上，国际主流的非晶硅和氧化钒两种工艺线路可以同时运行。
正因如此，高德红外也成为国际上少有的、国内唯一同时具备2条工艺线路的红外探测器芯片生产企业。
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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。
如用焦平面探测器导引头拦截卫星；②红外预警卫星及机载红外预警系统；③巡航导弹、地地导弹、空地导弹、防空导弹、海防导弹及反舰导弹的红外制导系统的基本组成；④地基(包括舰艇平台)红外制导站及红外搜索，跟踪系统；⑤小型导弹制导及夜间瞄准；④坦克、飞机、舰艇等运载工具的夜间观测、目标瞄准、自动跟踪等。
红外焦平面探测器早期实用的是Pbs，现在的重点是碲镉汞，Si：Pt及半导体量子阱焦平面探测器。
其中半导体量子阱焦平面探测器，在五年内接近走完了碲镉汞(MCT)探测器30年的历程，现在虽然在探测度指标上还不如MCT，但经过进一步的攀登，这种完全靠科学家、计算机的，由MBE或MOCND技术制造的新一代焦平面器件可能成为现代国防的复眼。
无疑，今后哪个国家能抢占这个高地，这将在各国国防力量的对比方面产生重要的影响。
1、量子阱红外探测器的原理1.1 量子阱红外探测器基本原理简介传统带间光吸收指电子吸收光子后，从价带跃迁到导带，从而产生一个光生电子空穴对，这些光生载流子在外加偏压的作用下，被收集形成光电流，这是传统基于带间吸收半导体光电探测器的基本原理。
这种吸收要求光子的能量大于材料的禁带宽度，因此对于红外光来讲，需要材料具有很小的禁带宽度才能发生这种光吸收。
比如要探测10 m波长的红外辐射，需要材料的禁带宽度小于0.1eV。
因此基于传统带间吸收的红外探测器一般采用具有窄带隙的HgCdTe材料。
对于“宽”带隙材料构成的多量子阱结构，通过量子阱结构与掺杂的设计，在量子阱内形成特定的子能级，这样在红外光的作用下，可以发生量子阱内子能级之间或者子能级到连续态之间的跃迁（图1.1.1）[1]，这些受激发的载流子在偏压作用下被收集形成光电流。
这就是量子阱红外探测器（QWIP）的基本原理。
图1.1.1 量子阱的能带结构与带内跃迁[1]量子阱红外探测器利用半导体多量子阱（超晶格）材料制成,其机理是利用量子阱导带（或价带）内子能带间或子能带到扩展态间的电子（或空穴）跃迁。
根据探测波段的不同可分为：以InP衬底上生长的InGaAs/InAlAs QWIP为代表的短波红外探测器；以AlGaAs/GaAs QWIP为代表的中长波探测器。
电学结构方面，一般为N-I-N（n型）和P-I-P型（p型）。
比如，对于载流子为电子的n型QWIP，两端N型掺杂层作为接触层，中间的I区为低掺杂的多量子阱区域。
无光照时，电子被束缚在导带阱内，I区的电阻很高，在红外辐射下，I区的束缚电子跃迁到激发态，在偏压作用下被两端电极收集形成光电流。
1.2 QWIP的几种跃迁模式在量子阱结构设计中，从减小器件暗电流，提高探测器探测率角度出发，研究人员先后提出了四种跃迁模式[2][3]：束缚态到束缚态（B-B QWIP）、束缚态到连续态（B-C QWIP）、束缚态到准束缚态（B-QB QWIP）以及束缚态到微带（B-MiniB QWIP）。
图1.2.1束缚态到束缚态跃迁的能带结构示意图[2]世界上第一台QWIP就属于n型掺杂的B-B QWIP。
量子结构如图1.2.1所示，基态和第一激发态均为束缚态。
当探测器吸收红外辐射，位于基态的电子受光激发越迁到第一激发态，在偏置电场作用下隧穿出量子阱，形成光电流。
由于这里存在电子遂穿过程，所需的偏置电压较大（>3V），并且势垒厚度也不宜过大，因此这种遂穿模式中基态电子遂穿引起的暗电流较大。
如果适当增加势垒厚度和高度可以减少引起暗电流的基态电子隧穿数目，从而提高器件的探测率。
通过减小阱宽，使B-B QWIP中的第一激发态成为连续态，即束缚态到连续态跃迁的QWIP（B-C QWIP），如图1.2.2所示[2]。
B-C QWIP的主要优点是电子直接被激发到连续态上，不需要隧穿过程，可以降低收集光电子所需的偏置电压从而降低暗电流。
另外不需要考虑势垒厚度对光电子收集效率的影响，可以通过增加势垒厚度有效地降低由基态电子隧穿引起的暗电流。
Levine等[4]早在1990年就基于这两个因素，使B-C QWIP的探测率达到3×1010cm Hz1/2/W，截至波长10 m，工作温度68K。
图1.2.2束缚态到连续态跃迁的能带结构示意图[2]一般认为，较低温（<50K）时，暗电流基本由基态载流子的连续共振遂穿决定，在较小偏压下其值会大幅降低；较高温（～77K）时，暗电流基本由载流子的热激发决定。
因此为了进一步降低暗电流，提高探测率，1995年加州理工学院的Gunapala等人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、势垒宽度和高度，使第一激发态位于量子阱的顶部（图1.2.3）。
如图1.2.4所示，在B-C QWIP中，对热激发而言势垒高度比光激发低，因此热激发的噪声较大；而在B-DB QWIP中，热激发和光激发的势垒是一样大的，因此相比于B-C QWIP，大大降低了其暗电流，也就提高了器件的探测率。
图1.2.3束缚态到准束缚态跃迁的能带结构示意图[3]图1.2.4 B-C QWIP和B-DB QWIP能带结构示意图以及暗电流对比[2]另一中跃迁模式为束缚态到微带（B-MiniB QWIP）的跃迁，如图1.2.5所示。
各量子阱内子能级之间的耦合产生了一定的微带，载流子从基态跃迁到这一微带中发生输运作用。
图1.2.5束缚态到微带跃迁的能带结构示意图[3]1.3 量子阱结构的选择器件设计时，量子阱结构一般设计成对称的矩形结构，这样的优点是：量子阱中能级的计算简单，便于材料结构和器件结构的设计。
但是对称的量子阱结构中，能级之间的跃迁选择性强，也就导致了响应波长相对单一，另外，设计对称的量子阱结构中可变的参数也相对较少。
非对称量子阱结构也被广泛用于QWIP器件中，它给设计带来了更多的自由度以及更多的可选跃迁波长。
比如对于图1.3.1中的阶梯量子阱[1]，我们可以观测到E1到E2以及E1到E3的跃迁，而在对称量子阱中，E1到E3的跃迁则是被跃迁禁止的。
图1.3.1 阶梯量子阱能级以及能级间跃迁[1]1.4 QWIP的材料选择目前量子阱红外探测器的研制绝大部分基于GaAs基的GaAs/AlGaAs多量子阱或者GaAs/InGaAs/AlGaAs多量子阱；其中前者材料的晶格相匹配，有利于生长高质量的量子阱材料，后者在材料生长时应该考虑到晶格失配带来的应力问题，但是后者在量子阱结构设计方面的自由度更大，有利于实现不同红外波段的探测。
当然，在同一GaAs衬底上，也可以同时存在GaAs/AlGaAs量子阱和GaAs/InGaAs/AlGaAs量子阱，并且通过变化其中Al、In的组分以实现多色探测[5]。
GaAs基材料生长与器件制备工艺已经相当成熟，这非常有利于制备大面积的QWIP焦平面阵列（FPA）。
目前，GaAs基FPA已实现商品化，相对于HgCdTe FPA，在成品率和成本控制上具有很大优势。
GaAs基QWIP的优点主要有：（1）波长连续可调；（2）材料生长和器件制备技术成熟，可获得大面积、均匀性好、低成本、高性能的红外焦平面；（3）光谱响应带宽窄，可控制（约为1µm），在不同波段之间的光学串音小，可以通过不同材料结构设计获得不同波段的响应，适合制作双色、多色焦平面探测器。
（4）抗辐射，适合于天基红外探测及其应用。
可以说，这些GaAs基QWIP的优点基本上代表了整个QWIP的优点。
目前，对InP基QWIP的研究也投入了相当的工作[6][7]，相对于GaAs基材料，InP基材料的优势主要有：（1）In0.53Ga0.47As/In0.52Al0.48As异质结构与InP衬底晶格匹配，且其导带带阶为550CE meV∆=，高于GaAs/AlGaAs量子阱,因此易于制作短波长QWIP。
（2）InP基近红外（特别是光通信波段）探测器和激光器的发展相当成熟，In0.53Ga0.47As/InP异质结构晶格匹配，被广泛用于光通信光源和探测器并有着高度发展的制备工艺。
InP基QWIP易于实现近红外、中红外、远红外波段的多色探测。
（3）与GaAs/AlGaAs相比，InP基QWIP的响应度较高，因为电子在AlGaAs中的输运容易受到氧相关缺陷的影响，并且Al的氧化不利于某些器件制作工艺，而InP基InGaAsP/InP材料不存在这些问题，因此在In0.53Ga0.47As/InP材料中，热电子的平均自由程要远大于GaAs/Al x Ga1-x Gs材料，利于载流子输运，提高响应度。
当然InP基材料相对于GaAs基材料来说，其不足也很明显。
比如，InP基材料较为昂贵，制作大面积FPA方面成本较高；另外InP材料易碎，给器件制备带来一定困难。