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（QWIP）调研报告 信 息 战 略 中 心 引言 . 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 . 1.2QWIP的几种跃迁模式 . 1.3量子阱结构的选择 . 1.4QWIP的材料选择 . 1.5入射光的耦合 . 1.6QWIP的性能参数 . 量子阱周期数对器件性能的影响9 . 1.7 1.8QWIP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 . 2.1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 . 3.1红外探测器分类 . 3.2红外探测器发展历程

2、. 3.3红外探测器基本性能参数 . 3.4各种焦平面阵列（FPA）的性能比较 . S 3.5红外成像系统的完整结构 . 3.5.1 焦平面结构 . 3.5.2 读出电路 . 3.6QWIP探测器实例分析 . 3.7QWIP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

3、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： 空间制导武器。如用焦平面探测器导引头拦截卫星； 红外预警卫星及机载红外预警系统； 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

4、的基本组成； 地基(包括舰艇平台)红外制导站及红外搜索， 跟踪系统； 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

5、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

6、子阱内子能级之间或者子能级1，这些受激发的载流子在偏压作用下被收集形成光电流。）到连续态之间的跃迁（图1.1.1这就是量子阱红外探测器（QWIP）的基本原理。 1 量子阱的能带结构与带内跃迁图1.1.1 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

7、，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23：束缚态到束缚态（B-B QWIP）、束缚态到连续态（B-C QWIP提出了四种跃迁模式）、束缚态到准束缚态（B-QB QWIP）以及束缚态到微带（B-MiniB QWIP）。 2 束缚态到束缚态跃迁的能带结构示意图1.2.1图所示，基态和第1.2.1。量子结构如图B-B QWIP型掺杂的n就属

8、于QWIP世界上第一台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2。B-C QWIP1.2.2所示的主要优点是电子直接被激发到连续态QWIP（B-C QWIP），如图上，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

9、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4早在1990年就基于这两个因素，使B-C QWIP穿引起的暗电流。Levine等的探测率达到101/2/W，截至波长10?m，工作温度68K310。cm Hz 2 1.2.2束缚态到连续态跃迁的能带结构示意图图）时，暗电流基本由基态载流子的连续共振遂穿决定，在较一般认为，较低温（50K）时，暗电流基本由载流子的热激发决定。因此小偏压下其值会大幅降低；较高温（77K等人设计了基态为Gunapala为了进一步降低暗电流，提高探测率，1995年加州理工学院的束缚态，第一激发态为准束缚态的量子阱结构。通

10、过改变阱宽、势垒宽度和高度，使第一中，对热激发而言势垒高度比光激发低，因此1.2.3B-C QWIP激发态位于量子阱的顶部（图中，热激发和光激发的势垒是一样大的，因此相比于B-DB QWIP热激发的噪声较大；而在 ，大大降低了其暗电流，也就提高了器件的探测率。B-C QWIP3 束缚态到准束缚态跃迁的能带结构示意图图1.2.32 B-DB QWIP1.2.4 B-C QWIP和能带结构示意图以及暗电流对比图所示。各量子阱1.2.5B-MiniB QWIP）的跃迁，如图另一中跃迁模式为束缚态到微带（ 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。3 1.2.5图束

11、缚态到微带跃迁的能带结构示意图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1，我们可以观测到E到E以及的可选跃迁波长。比如对于图1.3.1中的阶梯量子阱E到112E的跃迁，而在对称量子阱中，E到E的跃迁则是被跃迁禁止的。 3311 阶梯量子阱能级以及能级间跃迁图1.3.1 1.4 QWIP的材料

12、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、In5。的组分以实现多色探测 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F

13、PA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的优点基本上代表了整个QWIP的优点。 67，相对于GaAs基材料，InP基QWIP的研究也投入了相当的工作基材目前，对InP料的优势主要有：（1）In

14、GaAs/InAlAs异质结构与InP衬底晶格匹配，且其导带0.480.470.520.53?E?550meV，高于GaAs/AlGaAs量子阱,因此易于制作短波长QWIP带阶为。（2）InP基C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，InGaAs/InP异质结构0.470.53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的氧化Al中的输运容易受到氧相关缺陷的影响，并且AlGaAs的响应度较高，因为电子在不利于某些器件制作工艺，而InP基InGa

15、AsP/InP材料不存在这些问题，因此在InGaAs/InP材料中，热电子的平均自由程要远大于GaAs/AlGaGs材料，利于载流子1-x0.530.47x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（E）1和空穴（HH）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1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。

16、8 超晶格的能带结构示意图图1.4.1 InAs/GaInSbInAs/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8。一定的问题 1.5 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，只有电矢量垂直于量子阱生长面的入射光才能被子带中的电子吸收由基态跃迁到激发态，所以需要进行光耦合才能使辐射被探测器吸收。 一种方法是让入射光线与量子阱成4

17、5角，即边耦合方式（图1.5.1），就是在器件的一边刻蚀出倾角为45的斜面，这种耦合方式只适用于线阵列和单个器件而且这种耦合方式也不够均匀。 2 1.5.1 边耦合结构示意图图二维周期光栅耦合(CGW)是目前应用最广泛的耦合方式（图1.5.2），光栅在探测器表面的2个垂直方向上周期性重复。红外光束在量子阱区经历1次衍射，2次反射。虽然CGW耦合模式比边耦合模式好，但是光栅耦合依靠集合的衍射效应，光敏元台面越大耦合的量子效率和探测率越高，但为了提高器件的分辨率必须减小台面尺寸，而这样做会影响CGW耦合的性能参数。并且CGW耦合对探测波长有选择性，这是由光栅耦合固有特性决定的。这些因素都制约了光栅

18、耦合技术在宽带探测和复色探测方面的应用。 2 二维周期光栅耦合示意图1.5.2 图随机反射耦合(CRR)是针对不同的探测波长设计所需要的随机反射单元（图1.5.3），通过光刻技术在顶层GaAs接触面上随机刻蚀出反射单元，形成粗糙的反射面，垂直于衬底入射光束遇到反射面将发生大角度反射，这些角度大部分符合全反射条件，光束被捕获在量子区域，只有晶体反射锥角内小部分辐射逃逸，从而增加了可吸收路径次数，提高了量子效率和探测率。无论对于大面积焦平面阵列还是单个器件，随机反射耦合都是一种比较优秀的耦合方式。但是由于光刻工艺的制约，在光敏元台面面积较小的情况下，在台面上刻蚀反射单元比较困难，所以CRR耦合不太

19、适合小面积的光敏元。 2 1.5.3随机反射耦合示意图图波纹耦合是由普林斯顿大学的科学家提出的（图1.5.4），它是通过化学的方法，在量子阱区域刻蚀出V型槽，刻蚀深度达到底层GaAs接触层，器件表面就由一些三角线组成。如图示光路，光在AlGaAs和空气界面发生全反射，入射光束在量子阱区的路径几乎平行于量子阱生长面，有利于量子阱对辐射的吸收，提高器件量子效率。波纹耦合的光耦合效率与V型槽的数目关系不大，因此波纹耦合更适于光敏元小的探测器。在波纹耦合中全反射与探测器的波长没有关系，所以探测的波长范围可以从3m17m，对于宽带探测和复色探测来说，波纹耦合是理想的光耦合模式。 2 1.5.4 波纹耦合

20、结构示意图图1.6 QWIP的性能参数 8 中量子阱结构示意图图1.6.1 QWIPQWIP的性能一般由以下几个参数表征： ?gi?qF为量子效率，g1/s），QWIP光电流：q为电子电量，F为入射光子流（p?v?Ld?gLv为超晶格的总长为上能级寿命，为载流子漂移速度，为光电流增益：（ TOTLdLTOT 度）。时，基本由基态载流子的连续共振遂穿决定，在较小偏压下其1Mrad(HgCdTe)的辐照下仍能工作。这意味着混成结构的探测器的抗辐射能力不再由其敏感元列阵决定，而主要由CMOS读出电路决定。敏感元列阵和读出电路通过铟柱焊接在一起，敏感元列阵必须工作在低温下，所以读出电路也在低温下工作。

21、由于氧化层的电荷捕获作用在低温下得到加强，CMOS在低温下的总剂量效应变得比室温时更严重。敏感元列阵与未经过抗辐射加固的读出电路组成的器件在数十Krad(SiO)的辐射下就会失效。低温下抗辐射剂量达Mrad(SiO)的读出电路也可以生22产，但这样器件的成本会很高，有生产能力的生产线也很少目前一些商用CMOS电路也有一定的抗辐射能力，这样在一些商用生产线上生产该探测器就成为可能。这样生产出来的器件就可以适应空间辐射环境。 （2）量子阱红外探测器 量子阱红外探测器，采用了“宽”带隙的多量子阱结构，其材料本身的抗辐照性能要大大好于HgCdTe材料。但是在?射线等电离辐射的轰击下，量子阱红外探测器的量子阱价带中的电子会吸收这些高能射线后跃迁到导带中，产生出电子-空穴对，即产生了辐照的电离效应。然而，量子阱红外探测器是利用导带中电子吸收红外辐射光子，发生子带跃迁而产生光电流信号。高能射线引起的电子和空穴电流，成为量子阱红外探测器中的主要噪声来源。 12射线辐照后，器件的响应光谱和信号没有发经不同剂量的?有研究表明，InGaAs QWIP生明显的变化，而器件的暗电流和噪声则随着辐照剂量的增大而增大，零偏阻抗逐渐减 1.8.1所以）。小，表明器件经?射线辐照后探测率变小，性能下降（图 经辐照后光电流和暗电