量子阱的红外探测器研究与应用

量子阱红外探测器的研究与应用!连洁"#王青圃"#程兴奎$#魏爱俭"%"&山东大学光电系#山东济南$’("(()$&山东大学物理系#山东济南$’("((*摘要+讨论了量子阱红外探测器的量子阱结构以及光耦合模式的研究状况#简要介绍了该探测器在国防,工业,消防和医疗方面的应用-关键词+红外探测器)量子阱)光耦合)应用中图分类号+./$01文献标识码+2文章编号+"((’3((45%$(($*"(3"(6$3(’7898:;<=>?=8@@A:78@8B=9CB:DE F F G A9B;A>:>:H I B:;I J K8G G L:M=B=8D<C>;>D8;89;>=@N O2/P Q R"#S2/T U Q V W3X Y"#Z[\/T]Q V W3^Y Q$#S\O2Q3_Q‘V"%"&a R X‘b c d R V ce fg X c e R h R i c b e V Q i j#k l‘V m e V W n V Q o R b j Q c p#P Q V‘V$’("((#Z l Q V‘)$&a R X‘b c d R V ce fq l p j Q i j#k l‘V m e V Wn V Q o R b j Q c p#P Q V‘V$’("((#Z l Q V‘*E r@;=B9;+2s Y‘V c Y d t R h h j c b Y i c Y b R j‘V m e X c Q i‘h i e Y X h Q V W j p j c R d j e f s Y‘c Y d t R h h Q V f b‘b R m X l e c e m R c R i c e b%U SO q*‘b Rm Q j i Y j j R mQ Vm R c‘Q h&.l R‘X X h Q i‘c Q e V j‘b Ru b Q R f h pQ V c b e m Y i R mQ Vm R f R V j R#Q V m Y j c b p#d R m Q i Q V R‘V mf Q b R f Q W l c Q V W&v8wx>=D@+O V f b‘b R mX l e c e m R c R i c e b)U Y‘V c Y d t R h h)g X c Q i‘h i e Y X h Q V W)2X X h Q i‘c Q e Vy引言量子阱红外探测器%U SO q*是$(世纪6(年代发展起来的高新技术-与其它红外技术相比#U SO q 具有响应速度快,探测率与[W Z m.R探测器相近和探测波长可通过量子阱参数的调整加以控制等优点-而且#利用z{\和zg Z|a等先进工艺可生长出高品质,大面积和均匀的量子阱材料#容易做出大面积的探测器阵列-由于有这样多的优点#量子阱光探测器#特别是红外探测器的研究引起人们广泛的重视#在长波应用方面得到迅速发展}"#$~-U SO q是利用掺杂量子阱的导带中形成的子带间跃迁#并将从基态激发到第一激发态的电子通过电场作用形成光电流这一物理过程#实现对红外辐射的探测-根据探测波段的不同可分为短波红外探测器#以O V q衬底上生长的O V T‘2j!O V2h2jU SO q为代表)中,长波红外探测器以2h T‘2j!T‘2jU SO q为代表#是目前研究最多的-根据掺杂材料的不同又可分为V型掺杂U SO q%载流子为电子*)q型掺杂U SO q%载流子为空穴*-在量子阱结构设计中#通过调节阱宽,垒宽以及2h T‘2j中2h组分含量等参数#使量子阱子带输运的激发态被设计在阱内%束缚态*,阱外%连续态*或者在势垒的边缘或者稍低于势垒顶%准束缚态*#以便满足不同的探测需要#获得最优化的探测灵敏度-因此#量子阱结构设计又称为"能带工程#}$#0~是U SO q最关键的一步-另外#由于探测器只吸收辐射垂直与阱层面的分量#因此光耦合也是U SO q的重要组成部分-本文分别对不同量子阱结构和不同光耦合方式的U SO q的研究状况进行分析#并简述了其应用-%不同量子阱的H KL<%&y:型掺杂束缚态到束缚态跃迁探测器%&’&H KL<*}(~世界上第"台U SO q由贝尔实验室的N R o Q V R等于"641年研制成功#它就属于{3{U SO q#量子结构如图"所示-基态\(位于阱内是束缚态#第一激发态光电子)激光第"$卷第"(期$(($年"(月P e Y b V‘h e f g X c e R h R i c b e V Q i j)N‘j R b|e h&"$/e&"(g i c&$(($!收稿日期+$(($3($3(5修订日期+$(($3(53(1*基金项目+国家自然科学基金资助项目%56615("5*)山东省自然科学基金资助项目%+64T"""(1*!"也是束缚态#该探测器吸收红外辐射$位于!%的电子光激发后跃迁到!"$隧穿出量子阱$在偏置电场作用下$形成光电流#该探测器的吸收光谱峰值位于"%&’()$峰值波长响应率*+,%&-./01#这些性能参数是由其结构参数决定的2量子阱区包含-%周期的阱层34/5和垒层/6%&.-34%&7-/5$阱宽8&-9)$垒宽:&-9);量子阱区夹在上下两34/5电极层之间$上电极层厚%&-()$下电极层厚"();阱中的掺杂浓度<=,"&>?"%"’@)A B $上下电极层掺杂浓度<=,>?"%"’@)A B#改变"个或几个参数$就会引起量子结构的变化$从而使探测器的性能发生变化#后来$C D E F等对这个量子结构进行改进$适当地增加势垒的厚度和高度$导致引起暗电流的基态电子隧穿数目减少#G H GI 1J K 的探测率有了一定的提高#图L M N MO PQ R 的导带示意图$表明电子光激发与隧穿的过程S T U &L V W X Y Z [\T W X N ]^X YY T ^U _^‘a W _^]W Z X Y N \W N ]W Z X Y O PQ R $b c W d T X U\c e f c W \W e g [T \^\T W X h T X \e _b Z ]]^X Y\_^X b T \T W X i ^X Y\Z X X e j T X UW Z \W a d e j jk &k X 型掺杂的束缚态到连续态跃迁探测器h M N V O PQ Ri ":’’年6l m F 9l 等n 8o 对G H GI 1J K 的量子结构进行改造$研制出G H CI 1J K #他们通过减小阱宽$使G H GI 1J K 中的第一激发态不再是束缚态$而成为连续态$如图.所示#这种G H CI 1J K 的主要优点是光激发电子能从阱中激发到连续态上$不需要图"所示图p M N VO PQ R 的导带示意图$表明电子光激发与热电输运的过程S T U &p V W X Y Z [\T W X N ]^X Yb \_Z [\Z _e a W _^]W Z X Y N \W N [W X \T X Z Z ‘O PQ R $b c W d T X U\c e f c W \W e g [T \^\T W X^X Yc W \N e j e [\_W X\_^X b f W _\f _W [e b b e b的隧穿过程#这样$有效收集光电子所需偏置电压大大降低$暗电流也会随之大幅度减小#因为不必考虑势垒厚度对光电子收集效率的影响$势垒厚度可增加到-%9)$基态电子隧穿引起的暗电流下降"个数量级#"::%年6l m F 9l 等n 7o推出的G H CI 1J K$性能有很大改善$探测率q r 高达B ?"%"%@)s t "0.01$截止波长"%()$温度8’u #k &v X 型掺杂的束缚态到准束缚态跃迁探测器h MN w MO PQ Ri n x o提高探测率是研究探测器的科学家始终不渝的奋斗目标#探测率提高的关键是降低暗电流#所谓暗电流就是在没有辐照的情况下$探测器显示的电流#经研究发现n :o $当温度处在>-u 以上时$暗电流主要是由基态电子热激发到连续态所形成的#因此"::-年加州理工学院的3y 94+464等科学家设计了基态为束缚态$第一激发态为准束缚态的量子阱结构#通过改变阱宽z 垒宽和势垒的高度$使第一激发态位于量子阱顶部如图B 所示#由图B 看出$在G H CI 1J K 中$对热激发而言$势垒的高度比光电离能低"%{"-)l |$而在G H I GI 1J K 中$势垒高度与光电离能的高度相同#这样$在G H I GI 1J K 中暗电流降低"个数量级$探测率q r 提高了#目前3y 94+464等科学家n "%o 采用这种量子阱结构$研制出.-8?.-8及8>%>’>阵列的红外焦平面摄像机#图}M N VO PQ R 和M N O MO PQ R 的量子阱结构示意图以及两者在~,!!"下暗电流随偏置电压变化的关系曲线S T U &}w T ^U _^‘W a #Z ^X \Z ‘d e j j b \_Z [\Z _e a W _M N VO PQ R^X YM N O MO PQ $[W ‘f ^_T b W XW a Y ^_$[Z __e X \b ^b ^a Z X [\T W XW a ]T ^b %W j \^U e a W _\c e ‘^\\e ‘f e _^\Z _e ~,!!"&B :%"&第"%期连洁等2量子阱红外探测器的研究与应用通过改变垒宽!阱宽!垒高!掺杂元素及浓度等参数"已经可以使器件的峰值响应波长在#$%&’(范围内变化)**+"而且根据需要光谱响应宽度,-.-也可从*&/变化到0&/)*%+1除此之外"科学家们还设计出多色量子阱结构的2345)*6+1随着理论的发展及材料生长工艺的进步"会有更多性能优良用途广泛的2345设计出来17不同光耦合模式的89:;根据量子力学跃迁选择定则"只有电矢量垂直于多量子阱生长面的入射光<即=>?&@"才能被子带中的电子吸收"从基态跃迁到激发态"导致电导率的变化被器件探测)*0+1一般情况下"红外辐射垂直于量子阱生长面入射"需要采取一定措施<光耦合@使辐射被探测器吸收1最初的光耦合模式是边耦合"也就是在器件的一边刻蚀出倾角为0A B的斜面"如图0所示1这种耦合方式只适用于线阵列和单个器件1图C 边耦合探测器的结构示意图D E F G C H I J K L M N E I E O O P Q N R M N E S TS U M TK V F K I S P W O K VV K N K I N S R7G X 二维周期光栅探测器<Y Z 989:;@结构示意于图A 1光栅在探测器表面%个垂直方向上周期性的重复"导致探测器吸收红外辐射的%个偏振分量"通过减薄衬底或再加*层[\]^[_在量子阱区形成波导的方法"器件响应率提高%$6倍)*A +1虽然光栅耦合好于边耦合"但它也有不足之处1首先"光栅耦合依据是集合的衍射效应"光敏元台面大小对器件的量子效率及探测率等参数有较大影响"台面面积越大"其性能参数越好1若要提高器件的分辨率必须减小台面的尺寸"这样做势必影响性能参数1其次"由光栅耦合的固有特性决定"它对探测的辐射波长有选择性"这也就阻止了光栅耦合技术在宽带探测或复色探测方面的应用17G ‘随机反射耦合探测器<Y a a b 89:;@)c d +不论对大面积的焦平面阵列"还是对单个探测器来说"随机反射耦合都是一种优秀的光耦合模式1如图A 所示1在衍射出衬底前"红外光束在二维光栅耦合探测器的量子阱区中只经历了*次衍射%次反射过程"即通过%次可吸收路径"从而使光栅耦合效率不是很理想1从增加可吸收路径次数的角度出发"贝尔实验室的科学家们设计了一种新颖的光耦合模式e 随机反射耦合"结构示意如图#1图f 二维光栅探测器的结构与光路示意图"表明入射光束经二维光栅表面两次反射后逃逸D E F G f H E V K g E K hS U M 89:;W E i K O h E N JM j b kF R M N E T FG l O O N J K E T I E V K T N R M V E M N E S TK Q I M W K M U N K R N J K Q K I S T VR K U O K I N E S TU R S L N J K F R M N E T FQ P R U M IK图d 随机反射耦合光敏元的光路示意图D E F G d m J K F K S L K N R nQ J S h E T FN J K O E F J N W M N JE TN J K E T V E g E V P M O W E i K O h E N JM R M T V S L R K U O K I N S R I S P W O E T F所谓随机反射耦合就是针对不同的探测波长设计所需要的随机反射单元"通过光刻技术在顶层]^[_接触层上随机刻蚀出反射单元"形成粗糙的反射面"垂直于衬底入射的光束遇到反射单元发生大角度反射"这些角度大部分符合全反射条件"光束就这样被捕获在量子阱区域"只有在晶体反射锥形角o p<_q r o p s*.t "在]^[_中o p s*u B @内的小部分辐射逃逸1当然减薄]^[_衬底"还可使器件的响应率提高1由于光刻工艺的问题"如果光敏元台面面积较小"在其上光刻反射单元就比较困难"刻蚀出的反射单元的棱角模糊"光耦合效率较低1因此"随机反射耦合不适用于小面积的光敏元17G 7波纹耦合探测器<Y b 89:;@)c v +采用w ]32345或w x x 2345"它的光耦合效率的确比边耦合的高得多"然而"它们有各自的适y0z &*y 光电子y 激光%&&%年第*6卷用范围!在高分辨率探测器阵列中"光敏元的面积变小"这两种耦合模式就不再适用了!普林斯顿大学的科学家们提出一种新的光耦合模式#波纹耦合"并且制造出$%&’()!如图*所示"通过化学方法"在量子阱区域刻蚀出+形槽"刻蚀深度达底层,-./接触层"这样器件表面就有一些三角线组成0类似波纹1!图*就是器件的剖面图以及垂直衬底入射的光束在器件中的光路图!从图可知"波纹耦合模式利用.2,-./和空气之间能够发生全反射的原理"入射光束在量子阱区的路径几乎平行于量子阱的生长面"这有利于量子阱对辐射的吸收"提高器件的量子效率!$%&’()较之现有的光耦合模式"有许多优点"主要表现在341与光栅耦合比较"全反射与三角线的数目无关"即光耦合效率与三角线的数目没联系"而与光栅的周期有关"波形耦合更适用于面积小于567895678的光敏元:;1考虑到全反射与探测波长无关"波纹耦合不象光栅耦合那样"存在光谱带宽变窄的情况"探测波长范围可从<78=4*78!因此"对于宽带探测和复色探测来说"波纹耦合是近乎理想的光耦合模式!而且"波纹耦合与光敏元台面的大小无关:<1在波纹耦合中"近4>;的量子阱区域被化学刻蚀掉"这样器件的暗电流自然会降低:?1器件制做过程简单!如果把衬底变薄"波纹耦合的量子效率还会增加"达到边耦合的4@?5倍!图A B C D EF G 剖面图0H1以及垂直衬底入射的光束在器件中的光路图0I 1J K L @A M N O P N Q R P H S T Q P P P O S U K Q VQ W U N O B C D EF G 0H1H V XU N O Y K L N U Z H U NK V P K X O H P K V L Y O Z K [O Y 0I1\D EF G 的应用基于&’()焦平面阵列研制出的成像系统"不仅具有优良的性能"而且应用可实现低成本]小型化和高可靠性!其应用领域涉及许多方面^4_‘!41军事方面"&’()可用来精确制导]战场监视]军事目标的侦察]搜索和自动跟踪]探测地雷等"对避免人员伤亡"提高战斗力发挥巨大作用!;1工业方面"用于生系统和设备的故障检测!如电力系统"高压输电线路发生故障"检测十分困难"在直升飞机上"用量子阱红外探测器阵列制成的红外相机"可迅速]准确地查出故障位置和严重程度!同时还可用于产品的无损探伤及质量鉴定!如金属]非金属材料及其加工部件的无损探伤及质量鉴定"金属焊接部件的质量鉴定!无需解剖]取样"便可迅速查出材料或部件内部的缺陷位置]大小和严重程度!<1消防方面"视觉受限是火灾中的主要问题"不论是森林大火"还是建筑物起火"浓厚的烟雾阻挡了消防人员的视线"这时可通过红外相机"找到起火点"了解建筑物内的情况"及时采取措施"减小财产损失"保障生命安全!?1医疗方面"人身体上有病变组织的温度和正常组织的会有所不同"利用它们之间的微小差别"通过&’()可探测到病变的部位]发展情况和严重程度"辅助医务人员采取正确的治疗手段"病人得到早日康复!总之"随着材料生长工艺的提高"器件设计理论的完善"器件组装加工技术的改进"高性能]低成本]大规模0;6?_9;6?_1的&’()焦平面阵列"会在不远的将来问世!到那时"&’()的应用会有质地飞跃!参考文献3^4‘abc d e f g d @&h -g i h 8%j d 22f g k l -l d mn o p i p m d i d q i p l /^r‘@s @t u u v @w x y z @"4{{<"A |0_13}4%_6@^;‘~!,h g -n -2-"r "c f h "r ~)-l #"$%&v @{78q h i p k k;5’9;5’,-./>.2,-./(h -g i h 8j d 22f g k l -l d mn o i p m d i d q %i p lo -g m %o d 2m q -8d l -^r ‘@)***+,&-z @*v $.%,/-0$%12.$z"4{{*"||041354%5*@^<‘34567f g 8%j h ",654d g 8%(h g "$49:,a h %j d g@;d -/h l d 8d g i p k i o d :p g 2f g d -l f i f d /p k -%~f >~f 5;;&’j f i o <%/q -g ;d i o p m ^r ‘@s @/=>u %/$v $.%,/-2.z ?@&z $,0光电子?激光1"4{{{"A B 04513?<4%?<<@0f g$o f g d /d 1^?‘c (.:r f d "’9(.f %C f -g "’.:,&f g 8%n h "$%&v @.g -2D /f /p g 9g d l 8D ,-np k .2,-(g )^r ‘@s @/=>u %/$v $.%,/-2.z?@&z $,0光电子?激光1";664"A E 0{13{4*%{4{@0f g$o f %g d /d1^5‘abc d e f g d """$o p f "$,a d i o d -"$%&v @:d j 4678f g %k l -l d mm d i d q i p lh /f g 8f g i d l /h F F -g m-F /p l n i f p gf gl d /p %g -g i i h g g d 2f g 8,-.2.//h n d l 2-i i f q d /^r ‘@t u u v @w x y z @@$%%@"4{_*"G B 04’1346{;%46{?@^’‘abc d e f g d "$,a d i o d -",4-/g -f g "$%&v @4f 8o %m d i d q i f e %f i D0H I 4@694646q 84J 4>;>’,-./>.2,-./8h 2i f %?5{64第46期连洁等3量子阱红外探测器的研究与应用!"#$%"&’())*+,-./&0$12#2(33(%(4%52678-9::;-<=>?-@A B B-C D E,,C F G H I J K L E M N L E,-6O8PQR(S0$(C TU P(%V(#C U W#X$#0$C A B Y;-W0Z VX($X0%0S N 0%[)5’3#2\4"22($%D]/&U#^X!"#$%"&’())0$12#2(3_V5%53(%(4%52X678-9::;-<=>?-@A B B-C D E E]C F‘H E a D]J K ,b D 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hand-held camera 1997(01)3.ZHOU Ying-wu.GUO Heng-qun.CHENG Bu wen Measurement of the Nonlinearities of a-Si/SiO2 MQW with z-scan Method 1999(15)4.LIAN Jie.WEI Ai-jian.WANG Qing-pu Analysis on Energy Gap of AlGaInP 2001(09)5.B F Levine.K K Choi.C G Bethea New 10 μm infrared detector using intersubband absorption in resonant tunneling GaAlAs superlattices 1987(16)6.B F Levine.C G Bethea.G Hasnain High-detectivity D＝1.0×1010 cmHz1/2/W GaAs/AlGaAs multiquantum well λ＝8.3 μm infrared detector 1988(04)7.B F Levine.C G Bethea.G Hasnain High sensitivity low dark current 10 μm GaAs quantum well infrared photodetectors 1990(56)8.S D Gunapala.J S Park.G Sarusi IEEE Trans 1997(01)9.S D Gunapala.K M S V Bandara Physics of Thin Films 199510.S D Gunapala Long-wavelength 256×156 QWIP hand-held camera 199611.Sumith Bandara.Sarath Gunapala Quantum well infrared photodetectors for low backgroundapplications 200112.S V Bandara.S D Gunapala.J K Liu10-16 μm broadband quantum well infrared photodetector 1998(19)13.M Sundaram.S C Wang.M F Taylor Two-color quantum well infrared photodetector focal plane arrays 2001(42)14.F Stern Calculated Energy Levels and Optical Absorption in n-Type Si Accumulation Layers at Low Temperature 1974(16)15.J Y Anderson.L Lundqvist Grating-coupled quantum-well infrared detectors:Theory and Performance 1992(07)16.G Sarusi.B F Levine.S J Pearton Improved performance of quantum well infrared photodetectors using random scattering optical coupling 1994(08)17.C J CHEN.K K Choi.W H Chang Corrugated quantum well infrared photodetectors 199718.S D Gunapala Applications of Long-wavelength 256×256 quantum well infrared photodetector hand-held camera 19971.期刊论文孙莹.杨瑞霞.武一宾.吕晶.王风.Sun Ying.Yang Ruixia.Wu Yibin.Lü Jing.Wang FengGaAs/Al_xGa_(1-x)As量子阱红外探测器光谱特性的研究-半导体技术2010,35(3)采用MBE法制备了不同结构参数及不同阱中掺杂浓度的GaAs/Al_xGa_(1-x)As量子阱红外探测器外延材料.通过对量子阱红外探测器材料特性和器件特性的实验测试及理论分析,研究了量子阱红外探测器的响应光谱特性,并通过薛定谔方程和泊松方程的求解,对掺杂对量子阱能级的影响做了研究.结果表明,由于应力导致的能带非抛物线性使得阱中能级发生了变化,从而引起吸收峰向高能方向发生了漂移,而阱中进行适度的掺杂没有对量子阱能级造成影响,光致发光谱实验结果与之吻合较好.在光电流谱的实验分析基础之上,分析了量子阱阱宽、Al组分与峰值探测波长λ_p的关系,为量子阱红外探测器的设计优化提供了参考.2.会议论文陆卫.李宁.沈学础.黄绮.周筠铭GaAs/AlGaAs量子阱红外探测器的修饰与研制2001本文报道了我国对GaAs/AlGaAs量子阱红外探测器焦平面器件的成功研制,介绍了通过荧光光谱测量获得器件响应波长的方法.3.学位论文熊大元甚长波量子阱红外探测器的研究2007红外探测技术在信息工程应用领域中正起着愈来愈重要的作用，而红外探测器技术又在红外探测技术中居于核心地位。