甚长波量子阱红外探测器中的双激发态工作机理

通过对甚长波量子阱红外探测器的变温变偏压光谱实验,发现了光电流谱峰值响应波长与半高宽随偏置电压和温度变化均会发生变化,尤其以小偏压下峰值移动明显.结合器件能带结构计算的结果,提出了甚长波量子阱红外探测器中双激发态工作模型,并阐明了其中束缚态-准束缚态跃迁模式中准束缚态的物理特性,包括隧穿特性和热离化特性,以及不同工作条件下这两种物理过程在形成光电流时的主导性.同时,验证了甚长波量子阱红外探测器件的第一激发态随外界工作条件的变化会呈现出准束缚到准连续的变化特性.最后,揭示了在甚长波量子阱红外探测器工作中束缚态-准束缚态跃迁工作模式对于降低器件暗电流、提升器件工作温度、提高器件探测率的有效性.

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。

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.

甚长波量子阱红外探测器的暗电流特性研究

基于载流子在量子结构中的输运理论研究了甚长波量子阱红外探测器(峰值响应波长15μm,量子阱个数大于40)的载流子的输运性质.研究结果表明,在甚长波量子阱红外探测器中,电流密度一般很低,暗电流主要来源于能量高于势垒边的热激发电子.通过薛定谔方程和泊松方程以及电流的连续性方程的自洽求解,发现外加偏压下电子浓度在甚长波器件各量子阱的分布发生较大变化,电场在整个器件结构上呈非均匀分布,靠近发射极层的势垒承担的电压远远高于均匀分布的情形.平带模型假定电压在器件体系上均匀分布,导致小偏压下的理论计算值远远低于实验值.通过自洽计算获得电子浓度及电场强度在整个器件结构上的重新分布,由此获得的暗电流特性很好地解释了实验结果.

用金属小球进行长波量子阱红外探测器的光耦合

针对实验中9.5μm峰值响应波长的n型长波量子阱红外探测器设计运用二维金属小球(铜)阵列作光耦合结构.金属小球阵列均匀填充在绝缘的胶黏剂中,基于惠更斯原理研究二维金属小球阵列体系的光耦合和光吸收,结果表明对9.5μm响应波长的长波量子阱红外探测器,采用周期为3μm,半径为0.9μm左右的金属小球阵列可以获得最佳的光耦合.优化设计后的量子效率(66%)远高于45°磨角耦合的量子效率(38%),为实验运用金属小球阵列进行长波量子阱红外探测器的光耦合提供了基本的理论依据和详细的优化设计方案.

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。

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。

160×128元多量子阱长波红外焦平面探测器件研制

报道了新研制出的160×128元GaAs/AlGaAs多量子阱长波红外焦平面器件。使用MBE的方法在半绝缘的GaAs衬底上生长器件结构;开发了用普通光刻技术和离子束刻蚀法制备2D光栅技术,以及探测器芯片与读出电路互联技术。在77 K时测试,器件的平均峰值探测率Dλ*=1.28×1010 cmW-1Hz1/2,峰值波长为λp=8.1μm,截止波长为λc=8.47μm。器件的非盲元率≥98.8%,不均匀性10%。

甚长波量子阱红外探测器光栅耦合的研究

采用平面波展开的散射矩阵方法研究n型甚长波量子阱红外探测器的二维衍射光栅,并同时从实验方面研究了其红外透射光谱.研究表明,n型量子阱器件的光栅耦合是传输场和倏逝场共同作用的结果.对于n型量子阱红外探测器的光栅耦合,光栅周期、光栅深度和占空比三者之间相互影响;要达到好的光学耦合效果,需要根据量子阱器件的峰值探测波长选择合适的光栅参数.

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。

128×128三电极中/长波双色量子阱红外探测器

量子阱红外探测器(QWIP)阵列具有重要的实用意义。国外的研究已经相当成熟,但是在国内,量子阱红外探测器阵列的研究水平还较低,尤其是对于双色量子阱红外探测器阵列的研究更是刚刚起步。文中使用GaAs/AlGaAs、InGaAs/AlGaAs应变量子阱和三端电极引出的器件结构研制出128×128中/长波双色量子阱红外探测器阵列。该结构实现了同像元同时引出双色信号。器件像元中心距为40μm,像元有效面积为36μm×36μm。探测器芯片与读出电路互连并完成微杜瓦封装。在65 K条件下测试,峰值波长为:中波5.37μm,长波8.63μm,器件的平均峰值探测率为:中波4.75×109cmHz1/2W-1,长波3.27×109cmHz1/2W-1。并进行了双波段的红外演示成像。

640x512偏振长波量子阱红外焦平面探测器研制

介绍了大面阵偏振长波量子阱红外焦平面探测器组件的研制进展。在640×512规模20μm中心距面阵上,偏振焦平面采用了2×2子单元设计,子单元中每个像元分别刻蚀0°、90°、45°以及135°方向的一维线性光栅,来获得入射光不同偏振角度的信息。突破了长波量子阱材料外延和器件制备等关键技术,制备出面阵探测器芯片,实现了偏振长波红外探测的单片集成,配上杜瓦和制冷机,研制出噪声等效温差优于30m K的长波偏振640×512量子阱探测器组件。

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。

长波双色Al_xGa_(1-x)As/GaAs量子阱红外探测器的研制

介绍了长波双色AlxGa1-xAs/GaAs多量子阱红外探测器单元的设计、制作和测试。器件光敏面面积为300μm×300μm,光吸收峰值波长分别为10.8、11.6μm;采用垂直入射光耦合的工作模式,65K温度2V偏压下,两个多量子阱区的暗电流分别为4.23×10-6、4.19×10-6A;黑体探测率分别为1.5×109、6.7×109cm.Hz1/2/W;响应率分别为0.063、0.282A/W。GaAs基量子阱红外探测器(QWIP)材料生长和加工工艺成熟、大面积均匀性好、成本低、不同波段之间的光学串音小,使得AlGaAs/GaAsQWIP在制作多色大面阵方面具有明显的优势。

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。

一款多色叠层量子阱红外探测器的读出电路设计

一款完整的红外焦平面探测器主要包含探测器件、读出电路、封装结构和制冷组件。目前根据不同应用场景,探测波段范围不断变宽、探测灵敏度需求提高、成像速度要求加快,对探测器设计提出了更严格、更复杂的指标要求。其中,读出电路将探测光信号转换为电信号传输至系统,是探测器组件的关键核心模块。本文设计了一款对应多色叠层量子阱型器件的红外焦平面探测器读出电路,能够实现同时间、同空间对四波段信号进行探测,并且同时读出,四波段信号的探测积分与读出之间没有互相干扰。探测器规格640×512,像元间距50μm(四波段),各波段信号可实现分时积分、分别可调,采用边积分边读出工作模式,读出帧频可达到四波段探测时≥50 Hz,电路噪声≤0.5 mV,动态范围≥70 dB,电功耗≤600 mW,是一款超大规模低噪声高帧频的高性能读出电路。

高探测率的GaAs/AlGaAs多量子阱长波长红外探测器

探测器采用50周期GaAs/Al_(0.3)Ga_(0.7)As多量子阱结构的分子束外延材料,并制成直径为320μm的台面型式单管.其器件主要性能和指标如下:探测峰值波长为 9.2 μm,工作温度为77 K,峰值电压响应率 R_v= 9.7× 10~5V/W,峰值探测率 D~*= 6.2 × 10^(10)cmHz^(1/2)/W.

长波GaAs/AlGaAs量子阱红外探测器

随着分子束外延技术的日益成熟,以及对导带内子带间光学跃迁性质的深入研究,GaAs/AlGaAs量子阱红外探测器的研制已引起人们的高度重视。该探测器的响应波段从8μm至14μm,具有响应速度快（皮秒量级）,灵敏度高(D*～1010cmHz1/2/W),峰值波长可通过改变材料的生长参数（如阱宽、垒高、合金含量等）而调节的特点。

两端叠层结构的中长波量子阱红外探测器

采用分子束外延技术生长了两个叠层结构的双色量子阱红外探测器结构,并经过光刻和湿法刻蚀制作成两端结构的量子阱红外探测器单元器件.通过改变量子阱势垒高度,势阱宽度,掺杂浓度,重复周期数等器件参数,可以使总电压在两个叠层之间产生适当的分布,从而使器件表现出不同的电压响应特点.光电流谱测量显示,器件1随着外加偏置电压可实现对于中波大气红外窗口(3—5μm)和长波大气红外窗口(8—12μm)红外响应的切换,器件2在不同的偏置电压下可以对这两个波段同时做出响应.本文探讨了两端叠层结构量子阱红外探测器的工作原理,将其归结为探测器光导增益随偏置电压增大先增大后减小的变化,以及总外加偏置电压在两个多量子阱层之间的不同分布,重点对于器件1的电压调制特征进行了分析.同每个单元器件制作三个电极的三端结构相比,两端结构能够使双色量子阱红外探测器的器件工艺大为简化,并且无需制作专门的双色读出电路,从而可以降低成本,并能提高面阵器件的填充因子.

长波量子阱红外光电探测器金属光栅耦合的研究——基于金属表面等离子效应

采用时域有限差分法研究了二维金属光栅量子阱红外探测器的电磁场分布,研究表明充分利用金属表面等离子效应可显著提高量子阱红外探测器光耦合效率.研究还表明,对于8μm长波量子阱红外探测器,金属光栅结构选取圆孔直径与光栅周期比为0.8～0.9是最有益的,此时可获得最大的光耦合效率.