新型量子点红外探测器

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。

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。

专利名称：一种近红外光电探测器件制造方法专利类型：发明专利
发明人：黎瑞锋,吕莹
申请号：CN201910719912.7
申请日：20190806
公开号：CN110459631A
公开日：
20191115
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明公开了一种近红外光电探测器件制造方法，涉及光电探测器技术领域，解决了量子点表面由于配体不完全覆盖产生了悬挂键，往往导致量子点沉积成膜后，载流子输运能力较差、载流子容易被悬挂键俘获，不利于制备高灵敏的近红外光电探测器件的问题，其技术方案要点是：通过氯气的气氛处理，在器件制备过程当中，量子点湿法成膜的阶段，通过工艺手段原位把羧酸配体替换为短链氯离子配体，同时填补由于合成过程中的悬挂键，可以有效提升量子点膜的载流子输运性能，最终提升近红外光电探测器件探测效率。

申请人：岭南师范学院,黎瑞锋
地址：524000广东省湛江市赤坎区寸金路29号
国籍：CN
代理机构：重庆市信立达专利代理事务所(普通合伙)
代理人：陈炳萍
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第50卷第1期 V〇1.50 No.l红外与激光工程Infrared and Laser Engineering2021年1月Jan. 2021非制冷红外探测器研究进展（特邀）余黎静^3,唐利斌杨文运2,郝群”(1.北京理工大学光电学院信息光子技术工信部重点实验室，北京10008卜，2.昆明物理研究所，云南昆明650223;3.云南省先进光电材料与器件重点实验室，云南昆明650223)摘要：非制冷红外探测器由于无需制冷装置，能够工作在室温状态下，具有成本低、体积小、功耗低 等特点，在红外领域得到了广泛的应用。

在军事应用方面，非制冷型探测器的应用逐渐进入了之前制 冷型探测器的应用范围，大量应用在一些低成本的武器系统，甚至在一些应用领域取代了原来的非制 冷型探测器。

在民用领域方面，更表现出了其价格和使用方便的优势，在民用车载夜视、安防监控等应 用领域引起了广泛的兴趣和关注。

文中介绍了 Bolometer、热释电、热电堆等几种典型非制冷红外探测 器的工作原理，列举了目前已实现商业化应用的主要产品在国内外的情况，着重介绍了目前应用最广 泛的Bolometer器件主流产品的像元间距、阵列规格、性能及其封装发展的情况。

除了已实现商业化 应用的Bolometer、热释电、SO I二极管等探测器等产品，还详细介绍了一些非制冷探测新技术或新型 器件：比如超表面在增强某些波段吸收方面的应用，新材料的Bolometer探测器、双材料新型非制冷器 件、石墨烯、量子点、纳米线等光电探测技术的研究进展。

最后文章还对今后非制冷红外探测器的发展 趋势作了预测。

关键词：非制冷；红外探测器；热释电；Bolometer;封装中图分类号：TN215 文献标志码：A D O I：10.3788/IRLA20211013Research progress of uncooled infrared detectors(Invited)Yu Lijing1'2'3,Tang Libin1'2'3*,Yang Wenyun2,Hao Qun1*(1. The Laboratory of Photonics Information Technology, Ministry of Industry and Information Technology,School of Optics and Photonics, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China;2. Kunming Institute of Physics, Kunming 650223, China;3. Yunnan Key Laboratory of Advanced Photoelectric Materials & Devices, Kunming 650223, China)Abstract:Uncooled infrared detectors are widely used in the infrared field due to their low cost,small size,and low power consumption because they do not need the cooling device and can work at room temperature.In military application field,the uncooled detector has gradually entered the application domain of previous refrigerated detector,and has been widely used in some low-cost weapon systems,even replaced the original uncooled detectors in some application fields.In the civil field,it has shown its advantages in price and ease of use,and has aroused widespread interest and attention in civil in-vehicle night vision,security monitoring and other application field.The working theory of several typical uncooled infrared detectors such as Bolometer, pyroelectric,thermopile,etc.were introduced,and the status of the main products that have been commercialized at home and abroad was enumerated,the development of pixel pitch,array specifications,performance and收稿日期:2020-1卜24;修订日期:2020-12-08基金项目:国家重点研发计划（2019YFB2203404);云南省创新团队（2018HC020)packaging of mainstream bolometer devices was focused,which were currently the most widely used.In addition to the bolometer,pyroelectric,SOI diode and other products that had been commercialized,some new uncooled detection technologies or new detectors were introduced in detail:such as the application of metasurfaces in enhancing absorption in certain wavebands,the research progress of new materials bolometer,new bi-material uncooled devices,graphene,quantum dots,nanowires and other photoelectric detection tech­nologies.Finally,the future development trend of u ncooled infrared detectors were predicted in the end of t he review. Key words:uncooled;infrared detector;pyroelectric;bolometer;package〇引言在红外系统中，红外探测器作为探测、识别目标 的关键，其主要作用是将人射的红外信号转化为可以 检测的电信号后进行输出。

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。

量子阱红外探测器调研报告一、引言红外探测器在军事、民用等众多领域都有着广泛的应用，而量子阱红外探测器作为一种新型的红外探测器，因其独特的性能和优势，近年来受到了越来越多的关注。

二、量子阱红外探测器的工作原理量子阱红外探测器是基于量子阱结构的光电转换器件。

量子阱是一种在半导体材料中通过控制材料的生长和掺杂形成的特殊结构，其能态是量子化的。

当红外光照射到量子阱红外探测器上时，光子的能量被吸收，使得量子阱中的电子从基态跃迁到激发态。

通过外加电场，这些被激发的电子形成电流，从而实现对红外光的探测。

三、量子阱红外探测器的特点1、高灵敏度由于量子阱结构的特殊性质，使得量子阱红外探测器对红外辐射的吸收效率较高，从而具有较高的灵敏度。

2、宽光谱响应可以通过调整量子阱的结构和参数，实现对不同波长红外光的响应，具有较宽的光谱响应范围。

3、高速响应其响应速度较快，能够快速检测到红外信号的变化。

4、低功耗在工作时功耗相对较低，有利于设备的长时间运行和节能。

5、可集成性好可以与其他半导体器件集成在同一芯片上，便于实现系统的小型化和多功能化。

四、量子阱红外探测器的应用领域1、军事领域在军事侦察、导弹预警、目标跟踪等方面发挥着重要作用。

能够在夜间和恶劣天气条件下，探测到敌方的军事目标和活动。

2、航空航天用于卫星遥感、航天器的热控和姿态控制等。

3、安防监控在安防监控系统中，对人员和物体的监测和识别。

4、工业检测检测工业设备的温度分布、故障诊断等。

5、医疗领域例如在医学成像、疾病诊断等方面具有潜在的应用价值。

五、量子阱红外探测器的发展现状目前，量子阱红外探测器的研究和开发取得了显著的进展。

在材料生长、器件结构设计和制备工艺等方面不断创新和优化。

国际上，一些发达国家在量子阱红外探测器的研究方面处于领先地位，已经推出了一系列高性能的产品。

我国在这一领域也取得了一定的成果，但与国际先进水平相比，仍存在一定的差距。

六、量子阱红外探测器面临的挑战1、材料生长的质量控制高质量的半导体材料生长是制备高性能量子阱红外探测器的关键，但在实际生长过程中，要实现材料的均匀性和一致性仍然存在一定的难度。

PbSe量子点近红外光源的CH4气体检测邢笑雪;王宪伟;秦宏伍;商微微;马玉静【摘要】研制了一种新型的PbSe量子点近红外光源,其光致发光谱较窄,能有效匹配气体的红外吸收峰.采用配位溶剂法合成出5.1 nm的PbSe量子点,并将其沉积到GaN芯片上(沉积厚度为165.5μm),经过紫外光照处理和固化后制成了光致发光的近红外光源.该光源第一激子吸收峰位于1592 nm,光致发光峰位于1665 nm,其发射光谱包含了1625～1840 nm之间的CH4气体的全部的吸收谱.利用其进行CH4气体浓度检测实验,结果表明,系统的检测下限可以达到100×10-6,检测误差为2％.这种由PbSe量子点近红外光源构成的新型检测系统具有低功耗、低成本和高效能等优点,将其应用在气体检测中时可以略去滤光片,其在红外气体检测领域中有着较广阔的应用前景.【期刊名称】《中国光学》【年(卷),期】2018(011)004【总页数】7页(P662-668)【关键词】CH4气体检测;PbSe量子点;近红外发光【作者】邢笑雪;王宪伟;秦宏伍;商微微;马玉静【作者单位】长春大学电子信息工程学院,吉林长春130012;长春大学电子信息工程学院,吉林长春130012;长春大学电子信息工程学院,吉林长春130012;长春大学电子信息工程学院,吉林长春130012;长春大学电子信息工程学院,吉林长春130012【正文语种】中文【中图分类】TN2141 引言近年来，量子点半导体材料成为了科学研究的热点之一，它被广泛应用于光电探测器、电致发光器件、太阳能电池、生物成像等多种领域[1-8]。

量子点光致发光波段具有随量子点尺寸改变而迁移的特性，使得量子点在光转换领域中具有较好的应用前景[9-12]。

PbSe体材料在室温下具有窄的带隙，仅为0.28 eV，它的激子玻尔半径为46 nm。

因此，PbSe量子点在近红外波段具有较强的量子限制效应和较高的量子产率。

2.简述红外探测器的类型（1）及各自的工作原理（2）、红外探测器的性能参数及其物理含义（3）、红外探测器工作的三个大气窗口的波长范围（4）、热绝缘结构的热探测机理的红外探测器设计中的重要性（5）。

（1）红外探测器的类型常见的红外探测器的分类（红外热传感器还要加上气体型）（2）各自工作原理一、热传感器红外热传感器的工作是利用辐射热效应。

探测器件接收辐射能后引起温度升高，再由接触型测温元件测量温度改变量，从而输出电信号。

热探测器主要有四类：热释电型、热敏电阻型、热电阻型和气体型。

1.热敏电阻型热敏电阻是由锰、镍、钴的氧化物混合后烧结而成。

热敏电阻一般制成薄片状，当红外辐射照射在热敏电阻片上，其温度升高，电阻值减小。

测量热敏电阻值变化的大小，即可得知入射红外辐射的强弱，从而可以判断产生红外辐射物体的温度。

2.热电偶型热电偶是由热电功率差别较大的两种金属材料（如铋/银、铜/康铜、铋/铋锡合金等）构成。

原理：当红外辐射入射到热电偶回路的测温接点上时，该接点温度升高，而另一个没有被红外辐射辐照的接点处于较低的温度，此时，在闭合回路中将产生温差电流，同时回路中产生温差电势。

温差电势的大小，反映了接点吸收红外辐射的强弱。

3.气体型高莱气动型传感器是利用气体吸收红外辐射后，温度升高，体积增大的特性，来反映红外辐射的强弱。

红外辐射通过窗口入射到吸收膜上，吸收膜将吸收的热能传给气体，使气体温度升高。

气压增大，从而使柔镜移动。

在室的另一边，一束可见光通过栅状光栏聚焦在柔镜上，经柔镜反射回来的栅状图像又经过栅状光栏投射到光电管上。

当柔镜因压力变化而移动时，栅状图像与栅状光栏发生相对位移，使落到光电管上的光量发生改变，光电管的输出信号也发生改变。

这个变化量就反映出入射红外辐射的强弱。

这种传感器的恃点是灵敏度高，性能稳定。

4.热释电型热释电型传感器用具有热释电效应的材料制作的敏感元件。

热释电材料是一种具有自发极化特性的晶体材料。

第５１卷　第５期 激光与红外Ｖｏｌ．５１，Ｎｏ．５　２０２１年５月 ＬＡＳＥＲ　＆　ＩＮＦＲＡＲＥＤＭａｙ，２０２１ 文章编号：１００１ ５０７８（２０２１）０５ ０５４８ ０６·综述与评论·Ⅱ类超晶格红外探测器技术概述（二）尚林涛，王　静，邢伟荣，刘　铭，申　晨，周　朋，赵建忠（华北光电技术研究所，北京１０００１５）摘　要：简要归纳总结了Ⅱ类超晶格材料的生长、器件制备方法以及最近新型Ⅱ类超晶格材料体系的演化。

Ⅱ类超晶格理论和工艺技术不断取得进步和完善并呈现出材料体系多样化和更高的性能。

虽然目前及今后较长时间内ＨｇＣｄＴｅ技术仍然是市场主流，但是Ⅱ类超晶格技术在整体系统性能和成本上可以挑战ＨｇＣｄＴｅ，Ⅱ类超晶格技术将在红外应用领域全方位替代ＨｇＣｄＴｅ技术的优势已经越来越清晰。

关键词：Ⅱ类超晶格；Ｔｙｐｅ Ⅱ；Ｔ２ＳＬ；ＳＬＳ；生长及制备中图分类号：ＴＮ２１３ 文献标识码：Ａ ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１ ５０７８．２０２１．０５．００２Ｏｖｅｒｖｉｅｗｏｆｔｙｐｅ Ⅱｓｕｐｅｒｌａｔｔｉｃｅｉｎｆｒａｒｅｄｄｅｔｅｃｔｏｒｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（Ⅱ）ＳＨＡＮＧＬｉｎ ｔａｏ，ＷＡＮＧＪｉｎｇ，ＸＩＮＧＷｅｉ ｒｏｎｇ，ＬＩＵＭｉｎｇ，ＳＨＥＮＣｈｅｎ，ＺＨＯＵＰｅｎｇ，ＺＨＡＯＪｉａｎ ｚｈｏｎｇ（ＮｏｒｔｈＣｈｉｎａＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＥｌｅｃｔｒｏ Ｏｐｔｉｃｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００１５，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｇｒｏｗｔｈｏｆｔｙｐｅ Ⅱｓｕｐｅｒｌａｔｔｉｃｅｍａｔｅｒｉａｌｓ，ｔｈｅｄｅｖｉｃｅｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｓａｎｄｔｈｅｒｅｃｅｎｔｅｖｏｌｕｔｉｏｎｏｆｎｅｗｔｙｐｅ Ⅱｓｕｐｅｒｌａｔｔｉｃｅｍａｔｅｒｉａｌｓｓｙｓｔｅｍｓａｒｅｂｒｉｅｆｌｙｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ ｔｙｐｅ Ⅱｓｕｐｅｒｌａｔｔｉｃｅｓｔｈｅｏｒｙａｎｄｐｒｏｃｅｓｓｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｈａｖｅｂｅｅｎｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｌｙｉｍｐｒｏｖｅｄ，ｐｒｅｓｅｎｔｉｎｇｄｉｖｅｒｓｉｆｉｅｄｍａｔｅｒｉａｌｓｙｓｔｅｍｓａｎｄｈｉｇｈｅｒｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ＡｌｔｈｏｕｇｈＨｇＣｄＴｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｓｓｔｉｌｌｔｈｅｍａｒｋｅｔｍａｉｎｓｔｒｅａｍａｔｐｒｅｓｅｎｔａｎｄｆｏｒａｌｏｎｇｔｉｍｅｔｏｃｏｍｅ，ｔｙｐｅ ⅡｓｕｐｅｒｌａｔｔｉｃｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｃａｎｃｈａｌｌｅｎｇｅＨｇＣｄＴｅｉｎｔｅｒｍｓｏｆｏｖｅｒａｌｌｓｙｓｔｅｍｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅａｎｄｃｏｓｔ Ｔｈｅａｄｖａｎｔａｇｅｓｏｆｔｙｐｅ ⅡｓｕｐｅｒｌａｔｔｉｃｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｎｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｌｙｒｅｐｌａｃｉｎｇＨｇＣｄＴｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｎｔｈｅｆｉｅｌｄｏｆｉｎｆｒａｒｅｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｈａｖｅｂｅｃｏｍｅｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｌｙｃｌｅａｒ Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｌａｓｓⅡｓｕｐｅｒｌａｔｔｉｃｅ；ｔｙｐｅ Ⅱ；Ｔ２ＳＬ；ＳＬＳ；ｇｒｏｗｔｈａｎｄｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ作者简介：尚林涛（１９８５－），男，硕士，工程师，研究方向为红外探测器材料分子束外延技术研究。