320×256 GaAs/AlGaAs长波红外量子阱焦平面探测器

量子阱红外探测器(Quantum well infrared photodetector,QWIP)已经经历了20多年的深入研究,各种QWIP器件,包括量子阱红外探测器焦平面阵列(FPA)的研制也已经相当成熟。但是在国内,受制于整体工业水平,QWIP焦平面阵列器件的研制仍然处于起步阶段。研制了基于GaAs/AlxGa1-xAs材料、峰值响应波长为9.9μm的长波320×256 n型QWIP焦平面阵列器件,其像元中心距25μm,光敏元面积为22μm×22μm。GaAs衬底减薄后的QWIP焦平面阵列,与Si基CMOS读出电路(ROIC)通过铟柱倒焊互连,并且在65 K工作温度下进行了室温环境目标成像。该焦平面器件的规模和成像质量相比之前国内报道的结果都有较大提高。焦平面平均峰值探测率达1.5×1010cm.Hz1/2/W。

等离激元微腔耦合长波红外量子阱高消光比偏振探测器(特邀)

长波红外偏振探测器能够大幅提升对热成像目标的识别能力。受制于衍射极限的物理限制,目前的微线栅偏振片型长波红外偏振探测器的偏振消光比基本上只能做到最高10∶1左右。文中采用金属/介质/金属的等离激元微腔结构,将量子阱红外探测激活层相嵌在微腔之中。由于上、下金属之间的近场耦合形成了在双层金属区域的横向法布里-珀罗共振模式,构成等离激元微腔。文中利用微腔的模式选择特性及其与量子阱子带间跃迁的共振耦合,将量子阱子带跃迁不能直接吸收的垂直入射光耦合进入等离激元微腔并转变为横向传播,从而能够被量子阱子带吸收,实现了在长波红外13.5μm探测波长附近偏振消光比大于100∶1的结果。相关工作为发展我国高消光比长波红外偏振成像焦平面提供了全新的物理基础和技术路径。

用于空间和地球科学研究的大规格窄波段、多波段和宽波段长波红外量子阱光电探测器焦平面

本文对一个640×512元的长波长截止窄波段(△λ／λ≈10％)量子阱红外光电探测器焦平面列阵、一个在4μm-16μm谱区有四个波段的量子阱红外光电探测器焦平面列阵和一个截止波长为15．4μm的宽波段(△λ／λ≈42％)量子阱红外光电探测器焦平面列阵进行了论证。

基于MOCVD技术的长波AlGaAs/GaAs量子阱红外焦平面探测器

采用n型掺杂背面入射AlGaAs/GaAs量子阱结构,用MOCVD外延生长和GaAs集成电路工艺,设计制作了大面积AlGaAs/GaAs QWIP单元测试器件和128×128、128×160、256×256 AlGaAs/GaAsQWIP焦平面探测器阵列。用液氮温度下的暗电流和傅里叶红外响应光谱对单元测试器件进行了评估,针对不同材料结构,实现了9μm和10.9μm的截止波长;黑体探测率最高达到2.6×109 cm.Hz1/2.W-1。将128×128 AlGaAs/GaAs QWIP阵列芯片与CMOS读出电路芯片倒装焊互连,成功演示了室温环境下目标的红外热成像;并进一步讨论了提高QWIP组件成像质量的途径。

2μm像元间距GaAs/AlGaAs量子阱红外焦平面探测器

量子阱焦平面探测器具有大面阵焦平面探测器重复性和均匀性好、成品率高、成本低等明显的产业化优势,在军民两用领域获得了广泛而重要的应用。为了尽快研制出全国产化高性能量子阱红外焦平面探测器,通过完全正向的器件设计,采用常规光刻和反应离子刻蚀方法,成功研制出87.1%的高占空比320×256长波量子阱焦平面探测器,峰值波长9μm,平均峰值探测率1.6×1010cm·Hz1/2·W-1。第一支样管的噪声等效温差为33.2mK,响应率不均应性8.9%,面阵盲元率1%。在70K温度下获得了1km和4.2km处的建筑物的清晰成像。实验结果充分显示了器件设计的正确性及研制技术的可控性。

时域有限差分法模拟量子阱红外探测器光栅的光耦合(英文)

由于量子选择定则的限制,对于量子阱红外探测器(QWIP),必须利用衍射光栅增强其光学耦合效率.本文给出了一种基于时域有限差分法(FDTD)的数值方法,计算制备在QWIP器件上的金属光栅的衍射效应.模拟计算的结果表明,FDTD方法是解析这种复杂结构内电磁场问题的有效手段.可以计算QWIP器件内各点电磁场所有分量的详细分布,进而可以估算衍射光栅的耦合效率,以及优化QWIP结构设计.

中波-长波双色量子阱红外探测器

采用n型掺杂的AlGaAs/GaAs和AlGaAs/InGaA多量子阱材料,基于MOCVD外延生长技术,利用成熟的GaAs集成电路加工工艺,设计并制作了不同结构的中波-长波双色量子阱红外探测器(QWIP)器件,器件采用正面入射二维光栅耦合,光栅周期设计为4μm,宽度2μm;对制作的500μm×500μm大面积双色QWIP单元器件暗电流、响应光谱、探测率进行了测试和分析。在-3V偏压、77K温度和300K背景温度下长波(LWIR)和中波(MWIR)QWIP的暗电流密度分别为0.6、0.02mA/cm2;-3V偏压、80K温度下MWIR和LWIR QWIP的响应光谱峰值波长分别为5.2、7.8μm;在2V偏压、65K温度下,LWIR和MWIR QWIP的峰值探测率分别为1.4×1011、6×1010cm.Hz1/2/W。

质子注入和快速退火对GaAs/AlGaAs量子阱红外探测器的影响

利用质子注入和快速退火技术改变GaAs/AlGaAs量子阱能级分布,使量子阱红外探测器的光电特性发生变化,在较大地移动了探测波长的同时,探测器的响应率、探测率以及暗电流特性也发生相应变化.在质子注入剂量为2.5×1015cm-2、快速退火条件为950℃、30s时,峰值探测波长移动2μm.

AlGaAs/GaAs多量子阱红外探测器暗电流特性

介绍了 AlGaAs/GaAs 多量子阱红外探测器(QWIP)暗电流与噪声的关系和降低暗电流的途径;基手湿法化学腐蚀工艺制作了300μm×300μm台面单元器件,并用变温液氦杜瓦测试系统在不同温度下对红外探测器暗电流进行了测试并分析。在温度小于40 K 时,随着温度的改变暗电流没有明显的变化;当温度大于40 K 时,暗电流随着温度的升高迅速变大,正、负偏压下 QWIP 暗电流具有不对称特性。

长波量子阱红外探测器材料技术研究

针对红外探测应用开展了长波GaAs/AlGaAs量子阱材料技术研究。系统地介绍了量子阱红外探测器材料的材料设计、生长和表征。基于一维薛定谔方程的求解获得量子阱材料的能带结构,进行量子阱材料的设计。采用分子束外延技术进行量子阱材料的生长研究。对量子阱材料的室温光荧光谱和高分辨率X射线衍射测试结果表现出材料高度晶格完整性以及平整界面。基于布鲁斯特角配置的傅立叶红外光谱测试获得了量子阱材料子带间跃迁吸收产生的红外吸收谱。采用该材料制备出高性能的量子阱红外焦平面探测器。

新型GaAs/AlGaAs量子阱红外探测器暗电流特性

对基于 Ga As/ Al Ga As系子带间吸收的一种新型量子阱红外探测器 ,采用 Poisson方程和 Schrodinger方程 ,计算了新器件结构的能带结构、电子分布特性 ,在此基础上采用热离子发射、热辅助遂穿模型对器件的暗电流特性进行了模拟 ,计算结果与器件实测的暗电流特性吻合得很好 ,说明热离子发射、热辅助遂穿机制是形成器件暗电流的主要构成机制 ,增加垒高、降低阱中掺杂浓度及降低工作温度是抑制器件暗电流的主要途径 ,计算结果对进一步优化器件的设计将起到重要的理论指导作用 .

宽带3—5μm量子阱红外探测器的研制

采用分子束外延方法在 Ga As衬底上生长了 n型掺杂的应变 In Ga As/Al Ga As多量子阱结构 ,制作成 3— 5μm波段的量子阱红外探测器 ,响应峰值波长 λp=4.2 μm,响应带宽可达 Δλ/λ=50 % ,50 0 K黑体探测率 D*BB(50 0 ,1 0 0 0 ,1 )达 1 .7× 1 0 10 cm.Hz1/2 /W.

双色量子阱红外探测器中的耦合光栅

在量子阱红外探测器(QWIP)上制备光栅的目的是对垂直入射的红外辐射进行有效耦合。从实验、测试和有关文献出发,探讨了影响其耦合效率的参数及参数的优化值。重点分析了双色QWIP的光栅设计问题,并从提高双色量子阱红外探测器光栅耦合效率和响应均匀性出发,介绍了一种新型交叉组合二维双周期结构光栅的设计方法;以一种具体AlGaAs/GaAs双色量子阱红外探测器为例,模拟了对应的交叉组合二维双周期结构光栅的几何参数和耦合强度,并与传统的二维双周期光栅结果对比,显示了新型双周期结构光栅在提高光耦合强度方面的优越性。

GaAs/Al_(0.3)Ga_(0.7)As量子阱红外探测器光谱特性研究

采用金属有机物化学气相沉积法(MOCVD)生长Ga As/Al0.3Ga0.7As量子阱材料,制备300μm×300μm台面,内电极压焊点面积为20μm×20μm,外电极压焊点面积为80μm×80μm单元量子阱器件两种。利用傅里叶光谱仪对1#,2#样品进行77K液氮温度光谱响应测试。实验结果显示1#,2#样品峰值响应波长分别为8.43μm,8.32μm,与根据薛定谔方程得到器件理论峰值波长8.5μm间误差分别为1.0%,2.1%。实验结果说明MOCVD技术可以满足QWIP生长制备工艺要求,且器件电极压焊点位置与面积大小对器件峰值波长影响不大,而对峰值电流有一定影响。

量子阱红外探测器响应峰值波长的Raman散射测量

通过测量多量子阱材料的Raman散射谱,可以预测出:由该种材料制出的量子阱红外探测器的响应峰值波长.它既不需要实际制出量子阱红外探测器,也不需要对多量子阱结构材料进行抛光处理,方法简便,结果可靠.

甚长波量子阱红外探测器光耦合性能

从实验、测试和计算结果出发,运用有限时域差分法(FDTD)和传统的模式扩展(MEM)理论,研究甚长波量子阱红外探测器(QWIP)几种衍射光耦合的表面近场效应和光耦合效率,重点考察QWIP45°面边耦合、光栅耦合QWIP结构、光栅尺寸、工艺条件的变化对QWIP相关性能的影响.实验与计算结果证明,合理地设计二维光栅,进行甚长波QWIP光耦合,可以获得有效的光耦合效果.

量子阱红外探测器焦平面阵列的商业化进程

从量子阱红外焦平面探测器(QWIP)产品商业化入手,介绍了各国量子阱红外焦平面探测器及相关产品的商用化情况,并讨论了量子阱红外焦平面阵列和相关QWIP产品在武器装备、工业控制、医疗等方面的应用;最后探讨了国内QWiP技术的研发现状和商业化进程.

GaAs/AlGaAs量子阱长波10.55μm红外焦平面探测器

利用GaAs/AlGaAs量子阱结构,研制了像元规模为640×512、中心响应波长在10.55μm附近的红外焦平面阵列器件,与50 K集成式制冷机耦合后,测试了相关性能,其等效噪声温差达到22.5 mK。焦平面组件通过了初步的开关机试验以及热真空试验后,表现良好。考虑封装冷屏导致在面源黑体测试时产生的焦面照度不均匀问题进行了数值计算,并分析了与近似解析计算的误差,表明当F数变小时应当采用数值计算,并认为探测器测试的非均匀性主要由照度不均匀贡献。针对10.55μm量子阱探测器,利用开源的MEEP FDTD软件,进行了近场耦合的光场分布计算,计算结果表明目前的结构参数在光衍射方面是比较接近优化的。

衬底剥离的量子阱红外探测器研究(英文)

对用MBE生长的GaAs/A lGaAs量子阱材料进行了衬底剥离,在此基础上制备了单元器件并测量了器件的黑体响应率以及光电流响应.实验解决了衬底剥离及器件制备中的工艺问题,研究了衬底剥离对材料及器件性能的影响以及用这种方法制备器件的可行性.结果表明选择腐蚀法是一种有效的衬底剥离方法,用这种方法得到的多量子阱薄膜材料仍具有较好的红外探测性能,为进一步实验提供了依据.

局域光场增强的量子阱红外探测器(特邀)

量子阱红外探测器是继碲镉汞红外探测器之后又一重要的可以在中、长波段和甚长波段工作的红外探测器件。它在长波红外探测、多色探测及其焦平面技术方面表现出比碲镉汞红外探测器更具特色的优势,对量子阱红外探测器的研究将在很大程度上推动我国红外探测器技术的发展。这一探测器的突出优势是其材料均匀性好,制备技术成熟。但是由于量子效率偏低,且无法直接吸收垂直入射红外光,所以需要针对不同的红外探测波段,设计和制备各类光栅或微腔结构来进行光耦合及局域光场增强以有效提升探测器性能。如何更有效提升量子阱红外探测器的光耦合效率,降低暗电流,提高器件工作温度是仍然是目前研究的重点。文中着重介绍和总结了近5年来研究的局域光场增强的新型量子阱红外探测器,从提高探测器光耦合效率、降低器件暗电流和提高工作温度等方面重点讨论各种量子阱红外探测器的新结构和新机理,同时展望了这一探测器的未来发展方向。