量子线红外光子探测器的研究进展
- 格式:pdf
- 大小:365.43 KB
- 文档页数:5
山京大学硕士学位论文
J—mI■_■●__●-●■●■_■●__-
第四章GaAs/AIGaAs量子阱红外探测器和HgCdTe探测器
光电性质的比较
4.1ltgCdTe红外探罚器简介
4.1.Il玛gCdTe红外探测器的发展
禁带窄小的半导体,可傲成灵敏的红外探测器,一直受到广泛的重视【1.们.目前最好的本征探测器是碲化汞和碲化镉构成的半导体化合物Hgl棚x1.c.它具有大的吸收系数,合适的禁带宽度及完全混溶性,依据cd组分x韵变化,可分别工作予¥~12/zm(x~O.2),3"--5pm(x~O.3)以及1.30~I。
55tun(x~O.6)三个重要的红外波段.图4.1.1所示的是~个工作于3~5.1m,8~12岬l双波段HgCdTe探测器【5】.图(矗)是这种双波段HgCdTe探测器的结构,图(b)是这种结构的能带图.
图4.1.1(a)双波段HgCdTe红外探浏器单元
’…’。
、√‘’一’。
‘‘-、,’‘‘,
_品-_j器■
图4.1.1(b)双波段HgCdTc红外探测器单元的能级结构经过近十年的发展,集成的双色HgCdTe技术已经取得了长足的发展,单元尺寸从30v.m到61V.m都有。
单元数量也从64×64发展到320x240,同时各波段的探。
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。
量⼦点红外探测器研究进展_雷亚贵第40卷 第1期激光与红外V o l.40,N o.1 2010年1⽉ L A S E R & I N F R A R E D J a n u a r y,2010⽂章编号:1001-5078(2010)01-0003-06·综述与评论·量⼦点红外探测器研究进展雷亚贵1,于 进2,张平雷1,张冬燕1,王戎瑞1(1.华北光电技术研究所,北京100015;2.国防科⼯局审核中⼼,北京100037)摘 要:量⼦点红外光电探测器(Q D I P)凭借⾃⾝的优点,未来很有可能与碲镉汞(H g C d T e)红外探测器、量⼦阱红外光电探测器(Q W I P)和⾮制冷微测辐射热计相竞争。
⽬前,普遍采⽤⾃组织⽅法⽣长量⼦点,研究主要集中在:①隧道量⼦点红外探测器(T-Q D I P);②量⼦阱中量⼦点(D W E L L)红外探测器;③S i基Q D I P;④G e Q D I P。
本⽂阐述正在研究的⼏种Q D I P,并对下⼀代传感器⽤Q D I P进⾏预测。
关键词:量⼦点红外光电探测器;隧道量⼦点红外探测器;量⼦阱中量⼦点;G e Q D I P中图分类号:T N215 ⽂献标识码:AD e v e l o p m e n t o f q u a n t u m d o t i n f r a r e d p h o t o d e t e c t o rL E I Y a-g u i1,Y UJ i n2,Z H A N GP i n g-l e i1,Z H A N GD o n g-y a n1,W A N GR o n g-r u i1(1.N o r t hC h i n a R e s e a r c hI n s t i t u t e o f E l e c t r o-o p t i c s,B e i j i n g100015,C h i n a;2.E v a l u a t i o nC e n t e r o f S A S T I N D,B e i j i n g100037,C h i n a)A b s t r a c t:Q u a n t u m d o t i n f r a r e dp h o t o d e t e c t o r(Q D I P)w i l l p r o b a b l yc o m p e t ew i t hH g C d T e,Q W I Pa n du n c o o l e dm i-c r o b o l o m e t e r i nt h e f u t u r e b e c a u s e o f i t s s e l f m e r i t s.C u r r e n t l y,Q D s a r eg r o w nb y s e l f-o r g a n i z e dm e t h o d.T h e s t ud y i sf o c u s e do n①t u n n e l i ng Q D I P(T-Q D I P);②q u a n t u md o t s-i n-a-w e l l(D WE L L)I P;③S i-b a s e dQ D I P;④G eQ D I P.S e v-e r a l k i n d s of Q D I Pb e i ng d e v e l o p e d a r e i n t r o d u c e d a n d th e Q D I Pu s e d f o r t h e n e x t-g e n e r a ti o n s e n s o r s a r e f o r e c a s t e d i nt h i s p a p e r.K e yw o r d s:Q D I P;T-Q D I P;D WE L L;G e Q D I P1 引 ⾔量⼦点红外光电探测器是近⼗⼏年发展起来的⼀种新型红外探测器,⽬前正处于研究当中[1-3]。
正入射p型SiGe/Si量子阱红外探测器的研制的开题报告一、研究背景现代科技领域中,红外探测器具有广泛的应用前景,如军事、安防、医疗等领域。
传统红外探测器一般采用HgCdTe、InSb等材料作为敏感材料,但这些材料成本高、工艺复杂、面积小等问题限制了其应用范围。
因此,研究新型红外探测器材料和技术具有重要意义。
二、研究内容本研究将研制正入射p型SiGe/Si量子阱红外探测器。
SiGe/Si量子阱在近红外和中红外波段具有良好的光电性能和热稳定性,是一种具有广阔展望的探测材料。
本研究将采用分子束外延法生长p型SiGe/Si量子阱,利用微纳加工技术制备正入射探测器结构,最终实现探测器器件的制备和性能测试。
三、研究意义本研究的成果将具有以下意义:1.促进我国红外探测器制造技术的发展,提高我国红外探测器在领域的应用水平;2.提高探测器的性能,为应用提供更稳定、更高精度的检测工具;3.缩小我国与国外在红外检测器领域的差距,促进我国红外检测技术的发展。
四、研究方法和实验步骤1.生长p型SiGe/Si量子阱结构,通过X射线衍射、光致发光等技术对生长样品进行表征;2.制备正入射探测器结构,包括表面耦合结构、垂直结构等,通过制备并表征不同结构探测器来优化性能;3.测试探测器的响应度、噪声等性能指标,最终实现探测器器件的制备和性能测试。
五、预期成果和意义1.成功研制正入射p型SiGe/Si量子阱红外探测器;2.实现探测器的性能测试,并优化探测器的性能指标;3.提高国内红外探测器领域的研究水平,为红外探测器的应用提供更高性能、更可靠的工具。
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。
量子阱红外探测器(QWIP)调研报告信息战略中心(2007.07.12)引言 (2)1、量子阱红外探测器的原理 (3)1.1量子阱红外探测器基本原理简介 (3)1.2QWIP的几种跃迁模式 (4)1.3量子阱结构的选择 (6)1.4QWIP的材料选择 (7)1.5入射光的耦合 (9)1.6QWIP的性能参数 (11)1.7 量子阱周期数对器件性能的影响[9] (12)1.8QWIP的抗辐射机理与方法 (13)参考文献: (17)2、量子阱红外探测器的制备方法 (19)2.1直接混杂法制备红外探测器焦平面阵列像元 (19)3、量子阱红外探测器的国内外主要应用 (22)3.1红外探测器分类 (22)3.2红外探测器发展历程 (23)3.3红外探测器基本性能参数 (23)3.4各种焦平面阵列(FPA S)的性能比较 (25)3.5红外成像系统的完整结构 (26)3.5.1 焦平面结构 (27)3.5.2 读出电路 (27)3.6QWIP探测器实例分析 (29)3.7QWIP的应用领域及前景分析 (31)参考文献: (33)引言半导体量子阱(Qw)、超晶格(SL)材料是当今材料科学研究的前沿课题,被比喻为实验中的建筑学,即以原子为最小砌块的微观建筑学。
它所产生的人工晶体,其性质可人为改变控制,它比通常意义上的晶体材料具有巨大的优越性和发展前景。
它的一个极有前途、极为重要的应用领域是新型红外探测器,即第三代红外焦平面量子阱探测器。
量子阱新材料是发展新型红外探测器的先导。
红外焦平面探测器是从单元和线阵基础上发展起来的第三代红外探测器,它标志着热像技术已从“光机扫描”跃进到“凝视”这个高台阶,从而使热像系统的灵敏度、可靠性、功能容量及实时性等都获得无以伦比的瞩目进步。
众所周知,探测器是决定红外系统属性的主要矛盾,基于红外焦平面探测器的问世,它与信号读出处理电路一体化的成功,以及长寿命闭环斯特林致冷器的实用化,使红外焦平面探测器在以下重要领域得到重要应用或正在考虑其应用:①空间制导武器。
电子科技大学光电信息学院课程论文课程名称红外与传感技术题目名称单光子探测器研究进展学号姓名2014年6月20日摘要:单光子探测是一种极微弱光探测技术, 在高分辨率光谱测量、高速现象检测、精密分析、非破坏性物质分析、大气测污、生物发光、放射探测、高能物理、天文测光、光时域反射、地球科学、空间科学、量子信息等领域有着极其广泛的应用。
本文主要从工作原理、工作参数和优缺点等方面介绍了目前常用的单光子探测器件和技术。
关键词:单光子,近红外,探测器1 引言自从1984年Bennett 和Brassard 提出第一个量子密码术方案并于1989 年成功地完成量子密码通讯实验的演示之后,世界各国掀起了量子密码通讯实验的高潮。
作为量子密码通讯技术关键技术之一的单光子探测技术也逐渐在量子光学的微弱光探测领域中显示出广阔的前景,而日新月异的半导体技术为单光子探测技术的发展提供了强大的动力。
量子通讯是利用量子态不可克隆的原理来保护量子载体中的保密信息不被窃取,根据量子探测原理,窃听者获取的载有相同信息的量子体系数量越多,其经过多次探测后获得正确信息的可能性就越大,所以载有保密信息的量子体系越少越好。
因此在各种QKD方案中,实际载有信息的量子体系一般都是单光子。
对一套QKD方案来说,单光子探测的表现很大程度上影响其安全性和最大有效通讯距离,很多QKD系统的潜在漏洞都是由于量子器件的不够完美造成的。
同时,单光子探测器的重复频率影响系统的工作频率,探测效率影响系统的成码率,暗计数率影响误码率和基于误码率检测的安全性分析。
除此之外,某些单光子探测器对不同偏振态入射的光子有不同的探测效率,这同样会影响系统成码率的稳定度。
若单光子探测器具有良好的光子数分辨能力的话,基于光子数布居的安全监测方法也能够增加系统的安全性。
所以单光子探测器性能对量子通讯有着非常重要的意义。
2 单光子探测器件参数单光子探测器(Single Photon Detector SPD)的基本功能是响应单个或多个光子,并输出相应的计数脉冲信号以表征该光子。
收稿日期:2008-09-24作者简介:王忆锋(1963-),男,湖南零陵人,高级工程师.曾在美国内布拉斯加大学林肯分校计算机系做国家公派访问学者.目前主要从事器件仿真研究.文章编号:1673-1255(2008)06-0031-05量子线红外光子探测器的研究进展王忆锋(昆明物理研究所,云南 昆明 650223)摘 要:基于半导体量子线子能带间跃迁的量子线红外光子探测器(Q RI P )由于其独特的电子性质,具有工作温度较高、信噪比较高、暗电流较低、光谱范围较宽以及垂直入射光响应等特点.对于新型红外探测器的研发而言,Q RI P 是颇具潜力的候选者之一.通过对近年来部分相关文献的分析介绍,总结和评述了Q RI P 制备工艺、物理性质、仿真方法等方面的研究进展.关键词:量子线;量子线红外光子探测器;光子探测器;红外探测器中图分类号:O471.1 文献标识码:AR ecent Developments of Q uantum Wire Infrared PhotodetectorsWAN G Y i 2feng(Kunming Institute of Physics ,Kunming 650223,China )Abstract :The quantum wire infrared photodetectors (QRIP )are based on intersubband transitions in semicon 2ductor quantum wires and have the potential for higher operational temperature ,increased signal 2to 2noise ratio ,reduced dark current ,wider spectral range and sensitivity to normal incident radiation due to their unique elec 2tronic properties.It is one of the potential candidates for the developments of new infrared detectors.The devel 2opments of QRIP in the fabrication process ,physical features and simulation methods are summarized and re 2viewed according to the published information in recent years.K ey w ords :quantum wire ;quantum wire infrared photodetector ;photodetector ;infrared detector 在半导体理论中,将电子在各个方向均可以自由运动的结构称为三维结构,例如体材料.当电子在一个或几个方向的运动被限制在小于100nm 的范围内时,将出现量子尺寸效应,即形成一系列离散量子能级.电子在一个方向受限的结构称为量子阱;在2个方向受限的结构称为量子线;在3个方向受限则称为量子点,如图1所示.这些结构通常称为低维量子结构.由于其中至少有一个方向的尺寸小到纳米尺度(0.5~100nm ),故也称为低维纳米结构.能量状态密度D (E )定义为单位能量变化区域内的能量状态数.D (E )随维数的变化如图1所示,随着维数的降低,连续能带消失,直至量子点中出现完全分立的能级.低维量子结构与体材料在D (E )上的差异,导致了它们电子性质上的不同.例如,与体材料和量子阱相比,量子线在能带边上具有更加尖锐的电子态密度,这一点有望使量子线获得较高的量子效率,激发了人们对于量子线红外光子探测器(quantum wire infrared photodetector ,QRIP )的研究兴趣.QRIP 的发展潜力包括较高的工作温度、信噪比增加、暗电流降低、光谱波段较宽、以及垂直入射光响应等[1-3].以下介绍了近年来有关QRIP 的研究进展.1 QRIP 的制备工艺QRIP 可以利用Ⅲ-Ⅴ族、Ⅳ族或Ⅱ-Ⅵ族半导体制成[1].图2为一种QRIP 的结构示意图,器件包含由一段量子线有源区和一段量子线势垒区构成第23卷第6期2008年12月 光电技术应用EL ECTRO -OPTIC TECHNOLO GY APPL ICA TION Vol.23,No.6December.2008图1 半导体体材料、量子阱、量子线和量子点的维度及其能量状态密度D (E )与能量E 的关系的结,两端均以欧姆接触终结.欧姆接触可用电子束光刻制备[4].可以用作有源区和势垒区的Ⅱ-Ⅵ族半导体材料的例子包括CdSe 、CdS 、Cd Te 及其合金如CdSSe 、CdZnSe 等.类似地,Ⅲ-Ⅴ族半导体材料的例子包括G aAs 、G aN 、In G aAs 及其合金例如Al 2G aAs 、Al G aN 和In G aN 等.图2 QRID 器件结构示意图及其工作原理QRIP 的红外探测机制是基于子能带间跃迁.在没有红外辐射的情况下,仅在有源区量子线的最低子能带E 1聚集有电子,这部分电子没有足够的能量克服势垒穿过结区.当有红外辐射入射到结区附近时,能量的吸收将使其中的一些电子从E 1输运到较高的子能带能级E 2;这些具有较高能量的电子容易进入势垒区而形成光生载流子.光生载流子的采集通过在2个欧姆接触之间设置偏压来实现.多孔阳极氧化铝(anodic aluminum oxide ,AAO )模板法是近年来使用较多的一种量子线制备方法.将高纯铝(99.999%)置于硫酸、铬酸、磷酸、草酸等酸性电解溶液中,铝阳极氧化可产生分布均匀且紧密堆积的六角形膜胞,每个膜胞中心有一个纳米级的微孔,如图3所示.通过化学反应,如电化学沉积、电化学聚合、化学聚合、熔胶-凝胶沉积和化学气相沉积等,在微孔中合成量子线.这种工艺特别适合Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体,已有很完善的电化学合成工艺.而对于很难用电化学方法合成的Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料,可以通过模板导引辅助刻蚀来形成量子线[1].图3 多孔氧化铝模板中形成的微孔六角形阵列的俯视及截面示意图对于红外探测来说,模板结构上的这种有序排列有助于降低随机噪声,提高信噪比.AAO 模板微孔大小基本一致,孔径可在4nm ~数百nm 之间变化,孔深在几微米,孔密度达109~1012个/cm 2,这种高密度可以在每个光敏元中安排许多量子线,从而改善器件冗余度.一旦制备得到所需纳米材料,AAO 模板即可用溶解方法除去.AAO 模板可配用23 光 电 技 术 应 用 第23卷各种衬底材料,并与现有标准硅制造工艺兼容,使得可以在硅衬底上制备红外探测器,实现与硅基电子器件的集成.文献[5,6]报道用AAO模板制备了包括CdTe、CdSe和CdS在内的Ⅱ-Ⅵ族半导体纳米线.以这种方式制备的纳米线具有较高的工作温度,并且具有垂直入射光响应的能力,可用于制备中波和长波红外探测器及多色焦平面器件.利用不同晶面生长速度不同的V型槽生长技术制备的量子线又称为V型槽量子线(V-QWR).在80K下Al0.5G a0.5As/G aAs V型槽量子线的光电流谱中可以观察到9.2μm的红外响应[7,8].文献[9]报道通过优化InP缓冲层厚度,可使在V型槽InP衬底上生长的In1-x G a x As量子线接近晶格匹配.自组织是指通过适当的制备和加工方法,无需人工干预而使原子、分子或单元自行按照一定的分布排列.通过应变诱导横向层有序排列(strain-in2 duced lateral-layer ordering,SILO)方法生长的自组织Ⅲ-Ⅴ族量子线近年来引人注意.SILO的应变平衡性质可使In G aAs多层量子线结构中有一小部分应变保留下来.利用这一性质,在InP(001)衬底上生长应变平衡的(G aAs)1.80/(InAs)2.35短周期超晶格,获得了高密度的In G aAs量子线[10-12].在10 K温度下,该器件在6.3μm处的光响应具有3.13×109cmHz1/2/W的峰值探测率.文献[13]分析了用SILO生长的In G aAs自组织QRIP的光学性质.文献[14]考虑了以量子线结构为基础的SPRITE型器件,分析了此类MCT探测器的技术原理,并对器件性能做了预测.通过控制碳纳米管(carbon nanotube,CN T)直径和螺旋度,CN T可以表现出金属、半金属或半导体的性质.CN T的弹道电子输运性质使得其噪声等效温差小于其他半导体材料[15].利用CN T的半导体性质,可以构成CN T红外探测器.CN T红外探测器的发展方向仍然是阵列器件.CN T红外探测器的基本单元如图4所示,一组CN T构成一个光敏元,当它受到红外辐射时,大于带隙的辐射被吸收而使导电率增加.文献[16]报道了一种在硅衬底上实现的CN T异质结阵列,在制冷及非制冷状态下可以观察到近红外和中红外光电流响应.使用纳米模板生长方法,可以制备高度有序、均匀、密集封装、平行以及具有半导体性质的CN T阵列.实验及理论研究表明,其波长响应范围可在1~15μm之间调谐[17].文献[18]介绍了一种可与硅技术相兼容CN T模板.图4 CN T红外探测器阵列的基本单元.入射在透明电极上的辐射被纳米管阵列吸收.CN T的密集封装(~1010个/cm2)可以为红外探测器阵列中的每个光敏元提供数百至数千个CN T,因此可以有很高的冗余度去抵销失效[17].但这也构成CN T红外探测器发展的一个关键问题,即如何以一种可靠并且可重复的方式实现CN T与电极的连接[15].在CN T上制备电极的方法有多种,如将CN T生长在电极之间、用介电电泳法将生成的CN T沉积在电极上、用电子束光刻或掩膜在已沉积的CN T顶部制备电极、或者通过化学反应过程自组织构造CN T和电极.在一定程度上,这些方法在可重复性、可批量生产性、以及消除不确定性方面均有缺点.文献[15]报道利用原子力显微镜构成的纳米机械手系统,可以实现基于CN T的红外探测器的自动化制备.2 计算问题量子器件材料的吸收系数直接关系到红外探测器的探测效率,其测量与计算逐步成为研究半导体量子结构的通用方法.就吸收系数的计算而言,关键是求解定态薛定谔电子波动方程2 (r)+2mh2[E-V(r)] (r)=0(1)式中, 2称为拉普拉斯算子, (r)为自由电子的波函数,(r)为位置矢量,m为自由电子的质量,h为约化普朗克常数,E为能量;V(r)为周期性的晶格势能,它满足泊松方程2V(r)=qεεs[∑nN n| n(r)|2+N A(r)-N D(r)](2)其中,q为电荷的电量;ε0为真空介电常数;εs为半导体的相对介电常数;N n为第n个子带的电子浓33第6期 王忆锋:量子线红外光子探测器的研究进展 度;N A(r)为电离受主杂质浓度;N D(r)为电离施主杂质浓度.在式(2)中, n(r)又是式(1)的解,因此上述两式构成了一个自洽问题.在具体求解器件的物理性能时,需要考虑薛定谔方程与泊松方程的自洽解.有的商业软件包提供了自洽计算的功能[19].薛定谔方程一般情况下没有解析解,需要做近似计算.各种算法大体可以分为2类,一类是纯粹的计算数学方法,例如有限差分法、有限元法、变分法等.另一类是有一定物理背景的方法,如微扰法、准自由电子近似方法、紧束缚电子近似方法等.文献[5]首先利用有限圆柱势阱模型求解薛定谔方程,得到可用于中波和长波红外探测、并且仅由一种材料构成的均匀量子线的直径尺寸;随后以此为基础,用有限差分法求解了包括有源区和势垒区的完整量子线模型,其中引入的因素包括电子状态、量子线两部分的异质结构和界面效应、所加偏置电压、掺杂等.获得量子线中电子的全部量子态后,再用一阶微扰理论和费米黄金法则计算量子线的吸收率.在紧束缚电子近似方法中,电子波函数被近似为原子轨道函数的线性组合.由于原子轨道处在不同的格点上,由它们组成的基函数一般是非正交的,因此将遇到多中心积分的计算成本问题,而且本征方程形式也不方便.为了克服这些困难,出现了多种解决方案,其中一种是有效键轨道模型(effective bond orbital model,EBOM),该方法特别适用于复杂体系.文献[13]将EBOM模型和价力场(valence force field,VFF)模型引入In G aAs量子线的光学性质分析,计算结果表明其子能带间跃迁波长在10~20μm,而能带间跃迁波长<1.5μm,反映出该材料具有双色探测的潜力.从计算角度来说,将微分形式的薛定谔方程转化为积分方程也是一种求解途径.格林函数方法就是此类方法之一.例如,文献[7]用格林函数方法计算了V型槽Al0.5G a0.5As/G aAs的电子结构.一般情况下,半导体器件所涉及的电子运动只是集中在能量极值附近很小的范围之内(导带底和价带顶).在这样一个很小的能量范围内,E~k之间通常具有抛物性关系.但是Ⅱ-Ⅵ族和Ⅳ-Ⅵ族化合物的情况比较复杂,在离开导带极值很小的地方就要考虑能带的非抛物性.V-QWR能带结构自洽非抛物性计算的结果表明[21],自洽性和非抛物性使得子能带边缘移动,有时候甚至朝着相反的方向移动.对于V型槽量子线子能带间吸收的精确描述而言,自洽性和非抛物性这2种效应都应考虑[20,21].文献[22]介绍了一种矩形量子线的自洽计算方法,该方法依赖于波函数的傅里叶展开.为了提高效率,还使用了L¨o wdin微扰方法.式(1)只有当能量E为某些特定值时才可能有解.这些E的特定值称为本征值,相应的波函数称为本征函数.复变函数理论中的保角映射可用于求解微分方程.文献[23]提出一种计算V型槽量子线本征值和本征函数的方法,该方法基于保角映射对波函数做傅里叶展开,其中考虑了薛定谔方程的厄米性以及有效质量的非抛物性.分析了厄米性和非抛物性对于计算结果的影响,表明如果忽略两者的影响将出现高达30%的误差.蒙特卡罗方法近年来已广泛用于半导体器件的仿真计算.文献[24]用蒙特卡罗方法计算了量子线超晶格子能带间的光学吸收特性,结果表明对于8~20μm的长波探测,这些结构值得考虑.3 结 束 语近年来,利用子能带间光学吸收实现红外探测的低维量子器件如QWIP、QRIP和QDIP颇受关注,其中以QWIP的研发最为突出,使用G aAs、In2 G aAs和Si G e的中、长波红外QWIP已研制成功,整机性能已经可与HgCdTe、InSb等体材料制成的探测器系统相比.QDIP焦平面器件也实现了成像演示[25,26].相比之下,QRIP的研发进展相对较慢.但由于它有一些独特的优点,例如QWIP、QDIP的响应波长范围都不如QRIP,QRIP的响应率可以明显高于QWIP的响应率[27]等,因此对于QRIP的研究兴趣一直不减.以量子线构成的红外焦平面器件的出现或可期待.参考文献[1] Biswajit Das,Pavan Singaraju.Novel quantum wire in2frared photodetectors[J].Infrared Physics&Technolo2gy,2005,46(3):209-218.[2] V Ryzhii,I Khmyrova,M Ryzhii,et parison ofdark current,responsivity and detectivity in different in2tersubband infrared photodetectors[J].SemiconductorScience and Technology,2004,19(1):8-16.[3] A Nasr,A Aboshosha,S M.Al2Adl Dark current char2acteristics of quantum wire infrared photodetectors[J].43 光 电 技 术 应 用 第23卷Optoelectronics IET,2007,1(3):140-145.[4] H Pettersson,J Tragardh,AI Persson,et al.Infraredphotodetectors in heterostructure nanowires[J].NanoLetters,2006,6(2):229-232.[5] David Crouse,Michael Crouse.Design and numericalmodeling of normal2oriented quantum wire infrared pho2todetector array[J].Infrared Physics&Technology,2006,48:227-234.[6] D T Crouse,M Crouse,S Mahapatra,et al.Ⅱ-ⅥSemiconductor Quantum Wire Fabrication and Applica2tion to IR Detection[J].Nanotech,2006(3):117-120.[7] X Q Liu,N Li,ZF Li,et al.Investigation of Al G aAs/G aAs V2grooved Quantum Wire Infrared PhotodetectorStructures[J].Japanese Journal of Applied Physics,2000,39(9):5124-5127.[8] Y YU,M Willander,X Q Liu,et al.Optical transitionin infrared phododetector based on V2groove Al0.5G a0.5As/G aAs multiple quantum wire[J].Journal of AppliedPhysics,2001,89(4):2351-2356.[9] T Schrimpf,P Bonsch,D Wüllner,et al.In G aAs quan2tum wires and wells on V2grooved InP substrates[J].Journal of Applied Physics,1999,86(9):5207-5214. [10] Chiun2Lung Tsai,Chaofeng Xu,K C Hsieh,et al.Growth optimization of In G aAs quantum wires for in2frared photodetector applications[J].Journal of Vacu2um Science&Technology B:Microelectronics andNanometer Structures,2006,24(3):1527-1531. [11] C L Tsai,K Y Cheng,S T Chou,et al.In G aAs quan2tum wire infrared photodetector[J].Applied PhysicsLetters,2007,91(18):1105.[12] A Stintz,T J Rotter,K J Malloy.Formation of quan2tum wires and quantum dots on buffer layers grown onInP substrates[J].Journal of Crystal Growth,2003,255(3/4):266-272.[13] Liang2Xin Li,S ophia Sun,Y ia2Chung Chang.Opticalproperties of self2assembled quantum wires for applica2tion in infrared detection[J].Infrared Physics&Tech2nology,2003,44:57-67.[14] E Huseynov;V Salmanov.Infrared photodetector onthe basis of low2dimensional structure[J].SPIE,2003,5126:187-190.[15] Ning Xi,Harold Szu,James Buss,et al.Carbon nan2otube based spectrum infrared detectors[J].SPIE,2005,5987:59870M.[16] Marian B Tzolov,Teng2Fang Kuo,Daniel A Straus,etal.Carbon Nanotube2Silicon Heterojunction Arrays andInfrared Photocurrent Responses[J].The Journal ofPhysical Chemistry C,2007,111(15):5800-5804.[17] J M Xu.Highly ordered carbon nanotube arrays and IRdetection[J].Infrared Physics&Technology,2001,32:485-491.[18] Daniel A Straus,Marian B Tzolov,Aijun Y in,et al.Hybrid nanostructures for mid2infrared to near2infrareddetection[J].SPIE,2005,5897:58970.[19] /Product2Overview/prod2overv.html.[20] J V Crnjanski,D M G vozdic.Self2consistent treatmentof V2grooved quantum wire band structure in non2parabolic approximation[J].Serbian Journal of Electri2cal Engineering,2004,1(3):69-77.[21] D M G vozdic,A Schlachetzki.Intersubband absorptionin V2groove quantum wires[J].Journal of AppliedPhysics,2003,94(8):5049-5052.[22] M Tadic,Z Ikonic.Self2consistent electronic2structurecalculation of rectangular modulation2doped G aAs/G a12xAl x As quantum wires[J].Physics Review B,1994,50(11):7680-7688.[23] D M G vozdi,A Schlachetzki.Electronic states in theconduction band of V2groove quantum wires[J].Jour2nal of Applied Physics,2002,92(4):2023-2034. [24] Frank Grosse,Roland Z immermann.Monte Carlogrowth simulation for Al x G a1-x As heteroepitaxy[J].Journal of Crystal Growth,2000,212(1/2):128-137.[25] S Tsao,H Lim,W Zhang,et al.High operating tem2perature320×256middle2wavelength infrared focalplane array imaging based on an InAs/In G aAs/InAlAs/InP quantum dot infrared photodetector[J].AppliedPhysics Letters,2007,90(20):1109.[26] S D Gunapala,S V Bandara,C J Hill,et al.Demon2stration of640×512pixels long2wavelength infrared(L WIR)quantum dot infrared photodetector(QDIP)imaging focal plane array[J].Infrared Physics&Technology,2007,50(2/3):149-155.[27] Victor Ryzhii,Irina Khmyrova.Quantum dot andquantum wire infrared photodetectors[J].SPIE,2003,4986:190-205.53第6期 王忆锋:量子线红外光子探测器的研究进展 。