中波红外量子点材料与探测器研究进展

量子点(Quantum dots,QDs)由于本身所具有的量子限域效应、尺寸效应和表面效应等各种特性,被广泛应用于光电探测、生物医学、新能源等方面。而中波红外(Mid-wave infrared,MWIR)量子点作为近年来红外领域的研究热点,通过调整控制其尺寸的大小,能够扩展其红外吸收波长。因此,成功制备中波红外量子点材料和器件对红外成像、红外制导和搜索跟踪等方面有着重要意义。本文首先介绍了HgSe、HgTe、PbSe、Ag_(2)Se和HgCdTe五种中波红外量子点材料制备合成技术,分析了量子点的尺寸形貌、晶格条纹以及红外吸收光谱等特性,然后对国内外中波红外量子点探测器进行了归纳总结,概述了探测器的器件结构、制备方法,并对器件的响应率、探测率以及响应时间等光电性能参数进行了对比分析。最后,对中波红外量子点的发展进行了展望。

量子点红外探测器研究进展

量子点红外光电探测器(QDIP)凭借自身的优点,未来很有可能与碲镉汞(HgCdTe)红外探测器、量子阱红外光电探测器(QWIP)和非制冷微测辐射热计相竞争。目前,普遍采用自组织方法生长量子点,研究主要集中在:①隧道量子点红外探测器(T-QDIP);②量子阱中量子点(DWELL)红外探测器;③Si基QDIP;④Ge QDIP。本文阐述正在研究的几种QDIP,并对下一代传感器用QDIP进行预测。

InGaAs/GaAs量子点红外探测器

与量子阱红外探测器相比,量子点红外探测器具有不制作表面光栅就能在垂直入射红外光照射下工作以及工作温度更高等优势。然而,目前阻碍量子点红外探测器性能提高的技术瓶颈主要来自组装量子点较差的大小均匀性、较低的量子点密度以及垂直入射下子带跃迁吸收效率低等原因。利用分子束外延技术研究了如何从量子点材料生长和器件设计两方面来克服这些困难,并且制作了几种不同结构的InGaAs/GaAs量子点红外探测器。在77 K时,这些器件在垂直入射条件下观察到了很强的光电流信号。

量子点红外探测器的光电流和响应率（英文）

通过考虑光电导增益对探测器所加电压的依赖性改进了包含电子持续势能和总电子传输的光电流模型,并进一步将这个改进的模型用于估算探测器的响应率.相应的计算结果与公布的结果相比较,具有很好的一致性,证明了改进模型的正确性.

Si基多层Ge量子点近红外光电探测器研制

采用超高真空化学气相沉积(UHV/CVD)技术在Si衬底上外延生长了PIN结构多层Ge量子点探测器材料。PIN探测器结构由N型Si衬底,多层Ge量子点吸收区,和原位掺杂P型Si盖层构成,电极分别制作于N-Si和P-Si上,以获得好的欧姆接触。制备的Si基Ge量子点光电探测器具有较低的暗电流密度(-1 V偏压下为7.35×10-6A/cm2),与Si相比,探测波长延伸到1.31μm波段。

外加条件及两种电子传输对量子点红外探测器噪声的影响

基于外加电场对电子漂移速度的影响,考虑激发能对微米尺度和纳米尺度电子传输的依赖,通过计算仿真研究了外加条件及两种电子传输对量子点红外探测器噪声的影响.结果表明:在2545kV/cm外加电场下,噪声模型和实验数据吻合;噪声随着外加电场和温度的增加而增加,当温度小于80K时噪声增加迅速,而当温度大于80K时噪声增加缓慢,并且温度越低噪声随外加电场变化越明显;噪声不随微米尺度电子传输激发能的变化而变化,随着纳米尺度电子传输激发能的增加而减小,随着纳米尺度电子传输激发能变化速度的增加而增加.该研究可为量子点红外探测器的优化设计和性能提高提供理论参考.

量子点红外探测器及焦平面阵列的研究进展

量子点红外探测器(QDIP)理论上具有对垂直入射光敏感、暗电流小、载流子寿命长、工作温度和响应率高等优势。目前,研究主要集中在普通量子点红外探测器、阱中点红外探测器(DWELL-QDIP)、隧穿量子点红外探测器(T-QDIP)、Si/Ge量子点红外探测器、二维小孔阵列红外探测器(2DHA-QDIP),国外报道了640×512量子点红外焦平面阵列的热成像,但现有的QDIP还未充分显现出其潜在优势。阐述了正在研究的几种QDIP和未来技术发展的趋势。

量子点红外光子探测器的研究进展

迄今为止关于量子点红外光子探测器(QDIP)的研究已有众多文献发表,涉及量子点生长、系统设计、建模、表征与测量等各方面.对近年来国外文献报道的QDIP技术的进展进行了总结和综述,简要描述了QDIP研发的方法和思路,给出了近期国外研制的一些QDIP的性能,介绍了今后实现高性能QDIP的若干发展方向.尽管QDIP已成功地用于单元探测器和焦平面器件,但作为一种新兴技术,QDIP仍不成熟,短期内直接替代HgCdTe似乎还不可能.

带有InGaAs覆盖层的InAs量子点红外探测器材料的发光与光电响应

利用分子束外延技术(MBE),在GaAs(001)衬底上自组织生长了不同结构的InAs量子点样品,并制备了量子点红外探测器件。利用原子力显微镜(AFM)和光致发光(PL)光谱研究了量子点的表面结构、形貌和光学性质。渐变InGaAs层的插入有效地释放了InAs量子点所受的应力,抑制了量子点中In组分的偏析,提高了外延层的生长质量,降低了势垒高度,使InAs量子点荧光波长红移。伏安特性曲线和光电流(PC)谱结果表明,生长条件的优化提高了器件的红外响应,具有组分渐变的InGaAs层的探测器响应波长发生明显红移。

量子点红外探测器的性能优化

量子点红外探测器是近年来出现的一种新型低维纳米结构探测器,因其优越的特性引起了人们的广泛关注。本文给出了一种估算量子点红外探测器光电流的方法,并以此为基础,进一步研究了探测器结构对光电流性能的影响。结果显示,当结构参数层内量子点密度和量子点横向尺寸的取值都比较小时,探测器能获得一个高的光电流。

钙钛矿基宽谱带光电探测器

钙钛矿材料凭借可调带隙、高光吸收系数和低激子结合能等优势,在半导体光伏和光电探测领域大放异彩。普适性的铅基钙钛矿吸收范围通常集中在UV到Vis区域,而窄带隙的纯锡基或者锡铅混合钙钛矿其吸收光谱仍局限于~1060 nm以内的近红外范围,受限于未来复杂场景的应用及探测成像。通过将钙钛矿与窄带隙半导体结合构建“钙钛矿/半导体”复合异质结可以进一步扩展光谱范围并提高吸收效率。本综述总结了钙钛矿基宽谱带光电探测器在探测性能优化、单体材料优异性能、复合材料优选工程等方面的进展,并探讨了宽谱探测器在光谱响应、像素集成、柔性器件开发和稳定性等方面的进展和应用前景。本综述将有助于推动钙钛矿基宽谱带光电探测研究及其未来成像应用。

含有AlGaAs插入层的InAs/GaAs三色量子点红外探测器

本文报道了采用分子束外延技术制备的三色In As/Ga As量子点红外探测器.器件采用nin型结构,吸收区结构是在In Ga As量子阱中生长含有Al Ga As插入层的In As量子点,器件在77 K下的红外光电流谱有三个峰值:6.3,10.2和11μm.文中分析了它们的跃迁机制,并且分别进行了指认.因为有源区采用了不对称结构,所以器件在外加偏压正负方向不同时,光电流谱峰值的强度存在一些差异.不论在正偏压或者负偏压下,当偏压达到较高值,再进一步增大偏压时,都出现了对应于连续态的跃迁峰强度明显下降的现象,这是由量子点基态与阱外连续态的波函数交叠随着偏压进一步增大而迅速减小导致的.

量子点红外探测器的研究进展

量子点红外探测器(QDIP)在红外探测领域具有十分广阔的应用前景,同时由于QDIP的有效载流子寿命长、暗电流低、工作温度高、对垂直入射光响应等优势,近年来高性能QDIP已经成为研究的热点。文章首先简要介绍了QDIP的基本原理,然后重点介绍了目前国际上在提高QDIP性能方面的研究进展,分别从如何降低暗电流、实现多色探测、提高探测率等三个方面进行了讨论。

外加条件对量子点红外探测器暗电流特性的影响

考虑微米尺度和纳米尺度下电子传输对激发能的共同影响,基于电子漂移速度对外加电场的依赖,研究外加电场和外加温度对量子点红外探测器暗电流特性的影响.结果表明：外加电场在0~25kV/cm范围内时,暗电流模型和实验数据变化相吻合.暗电流随着外加电场的增加而增加,并且当外加电场小于6kV/cm时暗电流增加迅速,而当外加电场大于6kV/cm时暗电流增加缓慢.暗电流随着外加温度的增加迅速增加.该研究为量子点红外探测器的优化设计和性能提高提供了理论参考.

基于量子点红外探测器暗电流模型研究

量子点红外探测器对比其他半导体光电探测器而言有很多优点。因此对于从理论上对量子点红外探测器进行研究是很有必要的,本文通过分析量子点激光器暗电流产生的原因,并对影响量子点红外探测器暗电流的原因进行了量化,建立了一个能表征量子点红外探测器暗电流的一个模型和算法并根据探测器的实际情况简化了该模型,通过对该模型的分析量子点红外探测器暗电流与温度、量子点密度和量子点侧面尺寸有关。

In(Ga)As量子点红外探测器

讨论了量子点红外探测器的工作原理、性能参数、暗电流形成机理及其优势,介绍了In(Ga)As量子点红外探测器的主要结构、性能和取得的最新结果,最后探讨了如何进一步提高量子点红外探测器的性能。指出要实现量子点红外探测器的优势,必须优化量子点生长条件,让量子点更小、更均匀和密度更大;必须提高量子点的掺杂控制和掺杂水平,实现每个量子点中有1～2个电子;必须降低量子点生长中引入的应力,增加量子点有源区的层数;此外,还必须寻求新的量子点红外探测器结构。

Si基Ge量子点光电探测器的研究

采用UHV/CVD方法在Si(100)衬底上生长了多层的自组织Ge量子点,用AFM对量子点的形貌和尺寸分布进行了研究。材料的低温(10 K)PL谱测试表明,由于量子点的三维限制作用,跟体材料的Ge相比,Ge量子点的NP峰表现出87 meV的蓝移。在此基础上,流水制作了p-i-n结构的量子点红外探测器。室温下,测得其在1.31μm和1.55μm的响应度分别为0.043mA/W和0.001 4 mA/W,覆盖了体Si探测器所不能达到的响应范围。

以Si_3N_4作增透膜的Si基Ge量子点探测器的研究

设计并制作了以Si3N4作增透膜的Si基Ge量子点红外探测器.采用气态源分子束外延(GSMBE)方法在Si(100)衬底上生长了20层的自组织Ge量子点.在此基础上,流水制作了p-i-n结构的量子点红外探测器.为了提高探测器的响应度,采用Si3N4作为增透膜以增强探测器对入射光的吸收.用传输矩阵方法模拟的结果显示,185上nm厚的Si3N4增透膜可以使探测器在1310nm波长处具有较高的吸收率.根据此结果,用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)方法在探测器表面淀积了185nm的Si3N4.在室温下,测得量子点探测器在1.31μm处的响应度为8.5mA/W,跟没有增透膜的器件相比,响应度提高了将近30倍.

日本研制成高性能256×256长波量子点红外光电探测器

量子点红外光电探测器（QDIP）由于可以用成熟的常规GaAs工艺制备，近年来已受到人们的广泛关注。它不仅能够探测正入射光，而且还能在较高的温度下工作。这些都是量子阱红外光电探测器（QwIP）所难以比拟的。

美国研制热电制冷短波长波双波段红外量子点光电探测器

目前，大部分短波红外和长波红外多光谱相机系统都是依靠不同的传感器进行各自波段的探测的。短波红外波段和长波红外波段一般分别采用InGaAs探测器和微测辐射热计探测器。这种双焦平面阵列结构中的两个焦平面必须并排固定。