量子点红外探测器及焦平面阵列的研究进展

量子点红外光电探测器技术的发展（学术前沿专题）专业：测试计量技术及仪器班级：硕研22班学生学号： S0908*******学生姓名：李刚量子点红外光电探测器目前大多数红外焦平面阵列（FPA）都以量子阱红外光电探测器（QWIP）或碲镉汞（MCT）光电探测器为基础，而这两类探测器都存有重大的不足。

QWIP对垂直入射光的探测效率很低，因为垂直方向上光子的跃迁被禁止。

尽管利用光栅可以弥补这一缺点，但光栅的制作无疑会增加系统的成本。

另外，QWIP在高温工作时暗电流较高，所以通常采用冷却方式使其在低温下工作，这便大大增加了成像系统的成本、体积和功耗。

MCT光电探测器则因为MCT固有的不稳定性，很难实现高度均匀的探测器阵列，而且以MCT为基础的FPA还具有成本高和效率低的缺点。

近年来，量子点红外光电探测器（QDIP）在工作温度和量子效率方面取得的重大进步，将有望引领新一轮成像技术热潮，并将在医学与生物学成像、环境与化学监测、夜视与太空红外成像等领域开辟新的应用天地。

目前，通过采用纳米技术形成量子点，研究人员已经在开发室温或接近室温工作的高性能成像器方面迈出了一大步。

量子点又称“人造原子”，目前量子点作为提高电子与光电子器件性能的一种手段，已经被广泛应用。

量子点的尺寸很小，通常只有10nm，因此其具有独特的三维光学限制特性。

将量子点应用在红外光电探测器上，可以使探测器在更高的温度下工作。

开发高温工作的红外光电探测器，可以降低红外成像系统的成本，减小重量，提高效率，这将极大地拓展红外光电探测器的应用范围。

研究人员已经开发出了首个以QDIP为基础的焦平面阵列。

研究人员在开发高性能QDIP方面取得了重大突破。

新开发的在室温下工作的QDIP，探测峰值波长在中红外波段（3～5μm），这一波段具有重要的应用价值，因为地球大气层对中红外波段的吸收很小。

该款QDIP由砷化铟（InAs）量子点和铟砷化镓（InGaAs）量子阱组成的混合结构，同时利用铝铟砷化物（AlInAs）形成势垒。

红外焦平⾯阵列技术现状和发展趋势⼀、引⾔⾃从1800年赫谢尔利⽤⽔银温度计制作的最原始的热敏探测器发现了红外辐射以来[1]，⼈们就开始不断运⽤各种⽅法对红外辐射进⾏检测，并根据红外光的特点⽽加以应⽤，相继制成了各种红外探测器，如热敏型辐射探测器（温差电偶探测器、电阻测辐射热计、热释电探测器）和半导体光电探测器（光电导探测器、光伏型探测器等）。

最初，⼈们只能以单个探测单元通过光机扫描的⽅式并协同低温制冷器来实现图像探测；后来，则出现了探测单元数⽬在⼀万以上，且⾃带有信号读出电路的⼆维N×M元焦平⾯阵列(FPA)探测器；⽽现今，集成了探测器后续信号处理电路，包括信号读出电路、前放、模数转换器等的第三代被称为“灵巧”（smart）凝视的⼤阵列焦平⾯也已开始崭露头⾓[2]。

红外焦平⾯热像仪是⼀种可探测⽬标的红外辐射，并能通过光电转换、电信号处理等⼿段，将⽬标物体的温度分布图像转换成视频图像的设备，是集光、机、电等尖端技术于⼀体的⾼科技产品。

因其具有较强的抗⼲扰能⼒，隐蔽性能好、跟踪、制导精度⾼等优点，在军事领域获得了⼴泛的应⽤。

⽬前许多国家，尤其是美国等西⽅军事发达国家，都花费⼤量的⼈⼒、物⼒和财⼒进⾏此⽅⾯的研究与开发，并获得了成功[3、4]。

⼆、红外焦平⾯阵列原理、分类1、红外焦平⾯阵列原理焦平⾯探测器的焦平⾯上排列着感光元件阵列，从⽆限远处发射的红外线经过光学系统成像在系统焦平⾯的这些感光元件上，探测器将接受到光信号转换为电信号并进⾏积分放⼤、采样保持，通过输出缓冲和多路传输系统，最终送达监视系统形成图像。

2、红外焦平⾯阵列分类（1）根据制冷⽅式划分根据制冷⽅式，红外焦平⾯阵列可分为制冷型和⾮制冷型。

制冷型红外焦平⾯⽬前主要采⽤杜⽡瓶/快速起动节流致冷器集成体和杜⽡瓶/斯特林循环致冷器集成体[5]。

由于背景温度与探测温度之间的对⽐度将决定探测器的理想分辨率，所以为了提⾼探测仪的精度就必须⼤幅度的降低背景温度。

量子点红外探测器及焦平面阵列的研究进展邓功荣，史衍丽*，余连杰，何雯瑾（昆明物理研究所，云南昆明 650223）摘要：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。

关键词：量子点红外探测器（QDIP）；焦平面阵列；阱中点QDIP；隧穿QDIP；二维小孔阵列QDIP 中图分类号：TN216 文献标识码：A 文章编号：1001-8891(2011)02-0070-05Research Progress on Quantum-dot IR Photodetectors and FPAsDENG Gong-rong，SHI Yan-li*，YU Lian-jie，HE Wen-jin(Kunming Institute of Physics, Yunnan Kunming 650223, China)Abstract：Quantum dot infrared photodetectors (QDIPs) have theoretical advantages including photoresponse for a normal incidence light, lower dark current, longer carrier lifetime, higher working temperature and responsivity, etc. This review focuses on the introductions of conventional QDIP, quantum dots-in-a-well (DWELL), tunneling QDIP, Si/Ge QDIP and 2DHA-QDIP. At present, the thermal image of 640×512 QDIP FPA has been reported. However, the state-of-the-art QDIP devices have not fully demonstrated the potential advantages as expected. Thus, the developing trend and the problems hindering the performance of QDIP are also discussed.Key words：QDIP，FPA，DWELL-QDIP，T-QDIP，2DHA-QDIP引言量子点红外探测器（QDIP）于1998年首次被Phillips等人[1]论证，从理论上预测它将克服量子阱红外探测器（QWIP）的缺点，具有对垂直入射的红外光敏感、暗电流小、载流子寿命长、工作温度高、探测波长可调和更高的响应率等优点，从而成为当前红外探测器研究的热点。