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。

空穴在动量空间分布对p型量子阱红外探测器响应光谱的影响

通过对p型量子阱红外探测器(QWIP)的自洽计算,得到了量子阱价带的电子结构和器件的光电流谱,并研究了载流子在动量空间分布对p型QWIP光谱响应的影响.计算结果表明,在动量空间不同区域的空穴对器件的光谱响应起着不同作用,从而使得在p型QWIP中,空穴浓度和温度都将影响器件的响应光谱.所得结果合理地解释了实验中器件响应光谱随掺杂浓度和温度的变化.

P型GaMnAs/AlGaAs量子阱红外探测器研究

介绍了P型量子阱中空穴子带间跃迁原理,提出了一种基于铁磁性半导体的P型GaMnAs/AlGaAs量子阱红外探测器的设计方案,分析了器件的性能,对于新型量子阱红外探测器的研制提供一种可能的参考。

P型张应变Si/SiGe量子阱红外探测器的能带设计

提出p型张应变Si/SiGe量子阱红外探测器(QWIP)结构,应用k.p方法计算应变Si/SiGe量子阱价带能带结构和应变SiGe合金空穴有效质量.结果表明量子阱中引入张应变使轻重空穴反转,基态为有效质量较小的轻空穴态,因此p型张应变Si/SiGe QWIP与n型QWIP相比具有更低的暗电流;而与p型压应变或无应变QWIP相比光吸收和载流子输运特性具有较好改善.在此基础上讨论了束缚态到准束缚态子带跃迁型张应变p-Si/SiGe QWIP的优化设计.

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 .

新型GaAs/GaAlAs非对称量子阱红外光电导探测器

提出一种新型 Ga As/ Ga Al As子带间光吸收的红外光电导探测机理 ,利用 MOCVD系统进行器件材料的生长 ,研制了 2 0 0μm× 2 0 0μm的台面形式单管 ,测到了明显的红外光电流信号及阱间共振遂穿效应造成的负阻震荡现象 ,对器件的性能测试结果表明 ,器件的光电流响应和信噪比随着阱数增加而增加 ,器件噪声比常规 Ga As/ Ga Al

n型半导体量子阱红外探测器的正入射吸收机制

基于有效质量理论，从导带子带间光跃迁矩阵元的表达式出发，推出ｎ型半导体量子阱红外探测器的正入射吸收条件．用一些简单的数学手段，把正入射的吸收系数表达力量子阱生长方向的解析函数，进而讨论正入射吸收的优化、极限及与平行吸收的比较．在考虑了椭球等能面的简并度和占有度后，在掺杂浓度为１０（１８）ｃｍ（－３）和探测波长１０μｍ时，对４种具体的量子阶材料进行了计算．推荐了为获取最大正入射吸收的优化量子阱生长方向，为正入射量子阱探测器的设计提供依据．

基于SP效应的中波量子阱红外探测器光栅优化

从建模、仿真结果出发,加入表面等离激元效应,运用时域有限差分算法(FDTD),研究中波量子阱红外探测器(QWIP)的近场效应和光耦合效率.重点研究在SP效应下QWIP二维光栅的最优参数.计算结果表明,对于4μm的入射光,当光栅周期为P=1.3μm,栅孔深度h=0.4μm,栅孔的占空比为d=0.8时,X-Y平面内Z方向电场值最大,光栅的耦合效率最高.

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。

MOCVD与MBE生长GaAs/AlGaAs量子阱材料的红外探测器特性比较

用金属有机物化学气相沉积法 ( MOCVD)生长 Ga As/Al Ga As量子阱材料 ,并制成红外探测器 .测量了材料的光致发光光谱和探测器的光电流响应光谱及其它光电特性 ,峰值波长7.9μm,响应率达到 6× 1 0 3V/W,与分子束外延法 ( MBE)生长的材料和相关器件进行了比较 ,MOCVD法可满足量子阱材料和器件的要求 .

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.

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%。

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。

双色量子阱红外探测器大面阵芯片的研制

采用GaAs/AlGaAs和InGaAs/AlGaAs多量子阱,研制出了双色同像素读取结构的中波/长波量子阱红外探测器及160×128元中波/长波双色多量子阱红外探测器芯片。器件的材料结构生长是采用分子束外延技术,在5.08 cm半绝缘GaAs衬底上完成的。发展了双色大面阵制备工艺,二维光栅的制备使用标准光刻和离子束刻蚀技术。在77 K时,对量子阱红外探测器测试,得到中、长波段峰值探测率分别为Dλ=(1.61～1.90)×1010 cmHz1/2W-1和(1.54～2.67)×1010 cmHz1/2W-1。中、长波段峰值波长分别为(2.7～3.8)μm和8.3μm。

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。

3～5微米双势垒量子阱红外探测器结构在不同偏压下的光伏响应

首次采用不同偏压下的光伏谱方法无损测量到双势垒量子阱红外探测器结构的量子阱带间跃迁光伏谱响应．分析结果支持探测器有源区存在内建电场的说法：量子阱区存在由生长不对称引起的指向衬底的内建电场，同时势垒区存在相反的内建电场．

GaAs/GaAlAs量子阱双色红外探测器的光电性质的研究

本文综述了有关新型的GaAs／AlGaAs体系双色量子阱红外探测器的结构特性和光电特性的研究工作．双色探测器工作在3～5μm及8～12μm大气窗口波段范围，是光伏响应模式和光导响应模式相结合的偏压控制型两端器件．研究内容包括探测器的器件结构特性、红外光吸收特性、红外光电流响应、暗电流、噪声特性和探测率测试分析等等．首次从理论和实验两方面探讨有关量子阱束缚子能带到扩展态中不同虚能组之间的光跃迁问题及光电子输运问题．

Ga As/ Al Ga As量子阱红外探测器的光荧光表征

对 Ga As/ Al Ga As量子阱红外探测器器件进行显微荧光光谱 (μ- PL)测量 ,光谱中表征势垒、势阱基态间光跃迁能量位置的荧光峰直接与势垒中 Al含量相关 ,通过光谱实验上对势垒和量子阱带间跃迁能量的确定并结合有效质量理论的计算 ,获得了 Al组分和阱宽值 ,并由此推算出相应的红外探测响应波长 ,与光电流谱的实验结果相比吻合良好 .