量子阱红外探测器QWIP调研报告.docx

1、量子阱红外探测器QWIP调研报告量 子 阱 红 外 探 测 器 ( Q W I P ) 调 研 报 告信息战略中心引言 1、量子阱红外探测器的原理 量子阱红外探测器基本原理简介 QWIP 的几种跃迁模式 量子阱结构的选择 QWIP 的材料选择 入射光的耦合 QWIP 的性能参数 量子阱周期数对器件性能的影响 9 QWIP 的抗辐射机理与方法 参考文献： 2、量子阱红外探测器的制备方法 直接混杂法制备红外探测器焦平面阵列像元 3、量子阱红外探测器的国内外主要应用 红外探测器分类 红外探测器发展历程 红外探测器基本性能参数 各种焦平面阵列( FPAS)的性能比较 红外成像系统的完整结构 焦平面结构

2、 读出电路 QWIP 探测器实例分析 QWIP 的应用领域及前景分析 参考文献： 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

3、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； 坦克、飞机、舰艇等运载工具的夜间观测、目标瞄准、自动跟踪

4、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 MOCN技D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

5、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。 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

6、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。

7、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。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 23 ：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

8、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

9、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 31010cm 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

10、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 1.2.3B-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

11、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。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

12、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 1QWIP 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。GaA

13、s 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 1m），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

14、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 67 ，相对于 GaAs基材料， InP 基材料的优势主要有：（ 1）异质结构与 InP 衬底晶格匹配，且其导带带阶为EC 550meV ，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，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 A

15、lGaAs 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，因此在材料中，热 电子的平均自由程要远大于 GaAs/AlxGa1-xGs 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。InAs/GaInSb 超晶格结构具有型能带结构，如图 1.4.1所示，其中分别形成了电子 （E1）和空穴（HH1）的微带结构，这样整个超晶格结构的带隙基本在 0250 meV之间 变化，可以实现红外光探测。当然，该材料体系被应用于红外光探测，其机理与 QWIP 完全不同。图 1.4.1 InAs/GaInSb 超晶格的能带结构示意图 8InAs/GaInSb 超晶格结构对正入射光有很强的吸收， 因此可以得到很高的响应度， 目 前基本已经达到 HgCdTe材料的水平； 另外，光伏的工作模式、 较高的工作温度也是其 优势。这种材料在第三代红外光探测系统中具有很强的竞争力。但是这一材料体系，发展的较晚，在材料生长、器件制备工艺、衬底的选择方面都 存在一定的问题 8。入射光的耦合根据量子跃迁选择定则，对于 n 型量子阱红外探测器