640x512偏振长波量子阱红外焦平面探测器研制

6.4 红外焦平面探测器红外焦平面探测器◆焦平面的概念与基本结构◆肖特基势垒探测器◆量子阱与量子点探测器◆倒装互连技术6.4 红外焦平面探测器6.4.3 量子阱与量子点探测器量子阱与量子点探测器量子阱探测器量子阱红外探测器❖量子阱红外探测器(QWIP)是随着分子束外延技术及量子阱超晶格材料的发展，利用GaAs/GaAlAs量子阱子带间红外光电效应制备的高灵敏红外探测器；它具有InSb、HgCdTe同样的性能，可实现大面积、均匀性高，且与目前的GaAs工艺兼容；❖通过改变量子阱宽度和势垒高度对带隙宽度进行人工剪裁，可方便地获得6～20μm光谱范围的响应，通过在GaAs势阱层内增加InGaAs材料，短波长可扩展到3μm。

通过改善量子阱能带参量可以实现光谱响应大范围调节，在2~20μm 的范围内均可工作；有缘学习更多＋谓ｙｇｄ３０７６考证资料或关注桃报：奉献教育（店铺）量子阱红外探测器❖当器件正偏时，电压增大，光电信号减少；零偏时，光电信号较大；反偏时，电压增大，光电信号增大量很少，达到饱和。

故量子阱探测器具有明显的整流特性；❖能带与掺杂分布的不对称性，使得整个N型区有类似于P-N结的特性，故具有向长波延伸的条件。

❖从1987年贝尔实验室研制出第一个GaAlAs/GaAs量子阱红外探测器以来，该技术得到了迅速发展，成为三十多年来红外探测器领域研究的新热点。

❖下图为GaAs/AlGaAs量子阱红外探测器子带吸收的能带示意图，量子阱导带内基态电子(或空穴)在红外辐射作用下，向高能带跃迁，并在外电场作用下做定向运动，形成与入射光强成正比的光电流。

量子阱的基本结构❖Levine等人利用该原理试制出了最初的量子阱红外探测器。

该量子阱红外探测器是采用分子束外延法交替生长GaAs阱和AlGaAs势垒50个周期构成的超晶格结构。

量子阱红外探测器量子阱探测器的基本工作模型量子阱红外探测器工作的基本模型❖束缚态－束缚态跃迁：量子阱中的两个子能带均为束缚态，在红外辐射的作用下，电子从基态被激发到第一激发态（光谱响应窄），处于受激态的电子在外加较大偏压电场的作用下，穿过薄势垒顶部产生隧道贯穿，并以热电子形式输运，形成光电流；❖束缚态－束缚态跃迁：量子阱中的两个子能带均为束缚态，在红外辐射的作用下，电子从基态被激发到第一激发态（光谱响应窄），处于受激态的电子在外加较大偏压电场的作用下，穿过薄势垒顶部产生隧道贯穿，并以热电子形式输运，形成光电流；❖束缚态－自由态跃迁：当势阱宽度进一步减小时，子能级的束缚态会在势阱中上升，形成高于势垒的自由态(或连续态)（光谱响应较宽），在红外辐射作用下，使电子直接从势阱进入自由态，在较小外加偏压作用下形成光电流；❖多量子阱跃迁：由两种不同半导体材料薄层交替生长形成多层结构（A/B/A/B…），两种跃迁方式均存在的多个量子阱探测器模型。

红外技术发展的先导是红外探测器的发展，一个国家红外探测器的技术水平代表着其红外技术发展的水平。

最早的红外探测器是1800年英国天文学家威廉·赫歇耳发明的水银温度计，随后发明了热电偶、热电堆，1880年美国的Langley发明了测热辐射计。

最初的红外探测器主要是热电探测器，直至1917年Case研制出第一只硫化铊光电导探测器，这种探测器比热电探测器灵敏度高，响应也快。

第二次世界大战，人们认识到了红外技术在军事应用中的巨大潜力，开始对红外技术极为重视，寻找新的材料和制作方法。

19世纪40年代初，以PbS为代表的光电型红外探测器问世，随后又出现了硒化铅、碲化铅探测器。

二次大战后，半导体技术的发展推动了红外探测技术的发展，先后出现了InSb、HgCdTe、掺杂Si、PtSi。

InSb的灵敏度较高，但是带隙只有0.22eV，所以只能探测低于5.6μm。

PtSi由于它的高均匀性和可生产性，可以做成大的焦平面阵列,但是其截至波长为5.7μm，也只能用于中短波范围，而且量子效率很低。

同时InSb和PtSi都没有波长可调性和多色探测能力。

掺杂Si有很宽的光谱带宽，但是也不具备波长可调性，而且必须工作在很低的温度。

1959年Lawso研制出碲镉汞（HgxCd1-xTe）的长波长红外探测器，这是红外技术史上的一次重要进展。

它是目前性能最好，也是最广泛应用的II－VI 族红外探测器。

它是利用带间吸收，因此具有极高的探测率和量子效率。

通过调节Hg的组分x可以实现带隙从0-0.8eV的连续可调。

因此它所能探测的波长范围覆盖了中波红外（3-5μm）和长波红外（8-14μm）两个波段。

而利用MBE生长的III－V族材料体系制成的量子阱材料正好可以弥补碲镉汞方面的不足，III－V族材料生长、器件制作工艺成熟，适于制作大面阵探测器。

同时III－V族材料组分容易控制和调节，通过调节化合物的组分，可以比较容易的改变量子阱的阱宽、垒高等参数，进而可以调节探测波长。

红外技术之光电探测器的种类介绍红外技术作为一种高技术，它与激光技术并驾齐驱，广泛应用于工业、农业、医学、交通等各个行业和部门。

红外测温、红外测湿、红外理疗、红外检测、红外报警、红外遥感、红外防伪更是各行业争相选用的先进技术。

如今开发的产品已经得到普遍运用，但是，科技在进步，产品也会更新。

接下来我们详细介绍光电探测器这个在红外技术中突显作用最大之一的产物。

光电探测器作为红外辐射光子在半导体材料中激发非平衡载流子(电子或空穴)，引起电学性能变化。

因为载流子不逸出体外，所以称内光电效应。

量子光电效应灵敏度高，响应速度比热探测器快得多，是选择性探测器。

为了达到最佳性能，一般都需要在低温下工作。

光电探测器可分为：啊光伏型：主要是p－n结的光生伏特效应。

能量大于禁带宽度的红外光子在结区及其附近激发电子空穴对。

存在的结电场使空穴进入p区，电子进入n 区，两部分出现电位差。

外电路就有电压或电流信号。

与光导探测器比较，光伏探测器背影限探测率大于40％；不需要外加偏置电场和负载电阻，不消耗功率，有高的阻抗。

这些特性给制备和使用焦平面阵列带来很大好处。

光导型：又称光敏电阻。

入射光子激发均匀半导体中的价带电子越过禁带进入导带并在价带留下空穴，引起电导增加，为本征光电导。

从禁带中的杂质能级也可激发光生载流子进入导带或价带，为杂质光电导。

截止波长由杂质电离能决定。

量子效率低于本征光导，而且要求更低的工作温度。

量子阱探测器(QWIP)：将两种半导体材料A和B用人工方法薄层交替生长形成超晶格，在其界面，能带有突变。

电子和空穴被限制在低势能阱A层内，能量量子化，称为量子阱。

利用量子阱中能级电子跃迁原理可以做红外探测器。

9 0年代以来发展很快，已有512×512、64 0×480规模的QWIP GaAs/AlGaA s焦平面制成相应的热像仪诞生。

因为入射辐射中只有垂直于超晶格生长面的电极化矢量起作用，光子利用率低；量子阱中基态电子浓度受掺杂限制，量子效率不高；响应光谱区窄；低温要求苛刻。

红外探测器1 红外探测器应用发展红外探测器由于诸多特点在军用和民用领域都取得了广泛的应用，红外探测器在红外系统中起着至关重要的作用。

简述国内外红外探测器部分最新的研究成果和动态，关于红外成像技术发展，讨论红红外探测器应用中的一些新技术、发展重点和难点，对以后一段时期内的红外探测器发展及其市场前景进行展望。

2 红外探测器应用背景红外探测器具有作用距离远、抗干扰性好、穿透烟尘雾霾能力强、可全天候、全天时工作等优点，在军用和民用领域都得到了极为广泛的应用。

在军事上，包括对军事目标的搜索、观瞄、侦察、探测、识别与跟踪；对远、中、近程军事目标的监视、告警、预警与跟踪；红外探测器的精确制导；武器平台的驾驶、导航；探测隐身武器系统，进行光电对抗等。

在民用领域，在工业、遥感、医学、消费电子、测试计量和科学研究等许多方面也得到广泛应用。

目前国外红外成像器件已发展到了智能灵巧型的第四代，在光电材料、生产工艺及系统应用等方面都取得了丰硕的成果，但是国内红外相关技术研究与生产起步较晚，并且受工业基础制约，发展远滞后于国外，而市场需求却持续强劲，无论在军用还是民用领域都有巨大的发展空间。

3 红外探测器现状分析从第一代红外探测器至今已有40余年历史，按照其特点可分为四代：第一代（1970s-80s）主要是以单元、多元器件进行光机串/并扫描成像；第二代（1990s-2000s）是以4×288为代表的扫描型焦平面；第三代是凝视型焦平面；目前正在发展的可称为第四代，以大面阵、高分辨率、多波段、智能灵巧型系统级芯片为主要特点，具有高性能数字信号处理功能，甚至具备单片多波段融合探测与识别能力。

在红外探测器发展过程中，新材料、新工艺、新器件、新方法不断涌现，按工作环境可分为致冷型和非致冷型两大类。

3.1 高性能致冷型红外探测器此类器件需要在低温下（77K）工作，相比非致冷器件成像质量优异、探测灵敏度高，通常又可分为传统型和量子阱焦平面探测器。