Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体光电探测器的新进展
发布日期:2009-01-07 我也要投稿!作者:陈良惠院士阅读:
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以下为陈良惠院士在我协会主办的2008中国光电产业发展论坛上的发言，略图。感谢陈院士！
1 引言
光电探测器是一种把光辐射信号转变为电信号的器件，其工作原理是基于光辐射与物质的相互作用所产生的光电效应。由于光电探测器种类多，发展迅速，我们仅聚焦于应用需求迫切而进展飞速的研究热点——Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体光电探测器的研究进展。
众所周知，经济社会信息化和武器装备信息化的重要基础是核心器件。核心器件是电子元器件中技术含量最高，投入最多，采购风险最大的核心部分，它是信息化的基础，不管对国民经济信息化的影响，还是对信息化武器装备的有无、性能指标的高低、质量可靠性的好坏起着至关重要的作用，是国家综合实力和科技水平的具体体现。
2 基于Ⅲ-Ⅴ族半导体的焦平面探测器的重要优势
可见光谱区探测是基于硅材料的CCD，在其两侧，长波侧处于红外区，包括短波红外、中波红外、长波红外以及超长波红外等，短波侧为紫外区，该两区的探测都可为Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体光电探测器所覆盖，如下图所示。
探测器吸收光谱图
Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体是由元素周期表中Ⅲ族和Ⅴ族元素合成的化合物半导体的总称，包括二元的GaAs、InP、GaSb等，三元的AlGaAs、InGaAs、GaAsSb等和四元InGaAsP、AlGaInP、GaInNAs、GaInAsSb等，而作为第三代半导体的GaN、AlGaN、InGaN和AlGaInN等应该也属于Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体。
传统的Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体由于衬底材料、器件结构的外延技术以及器件工艺技术的成熟、大面积均匀和价廉，成为全光谱探测器的首选材料。
3 GaAs基量子阱红外探测器
(1)量子阱红外探测器简介
量子阱红外焦平面(QWIP)利用MBE、MOCVD薄膜生长技术，交替生长作为势阱层的GaAs （或InGaAs）材料和作为势垒层的A1GaAs(或GaAs)材料，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，从而可用于大气窗口3-5 m和8-14 m红外的探测。
其探测机理是利用半导体材料的子带跃迁，实现红外光的吸收，量子阱导带内基态电子(或空穴)对红外辐射作用下，向高能带跃迁，并在外电场作用下作定向运动，从而形成与入射光强成正比的光电流。
在当前以大面阵、多色等定义的第三代红外焦平面器件中，GaAs/AlGaAs量子阱红外探测器得到了重要应用，与传统的HgCdTe红外探测器相比，它具有以下的优越性：
⑴由于III-V半导体研究的历史较长，目前已有优质的大尺寸的单晶衬底材料和晶片，其外
延生长具有很高的均匀性，完美的可重复性，器件工艺比较成熟，所以易于做成低成本、大面积、高性能的探测器阵列。
⑵通过能带结构设计，可调节探测波长，可以覆盖作为大气窗口的中波（3-5mm）和长波（8-14mm）波段；并有利于制备双色或多色探测器，可望实现与其他功能器件的集成。
⑶Ⅲ－Ⅴ族半导体材料键合力比HgCdTe红外探测器强，所以QWIP的抗高能粒子辐照能力强，特别适于天基红外探测及其应用。
⑷利用Ⅱ型超晶格能带结构（InAs/InGaSb等），可实现截止波长长达30 um的超长波红外焦平面，从而将使用波长延拓到用于太空的超长波段。
⑸QWIP光谱半宽较小，不同波段之间的光学串音小。
因此，尽管基于碲镉汞（HgCdTe，MCT）材料的红外探测技术国内外从六十年代发展至今，已有四十多年的历史，技术上取得不断突破，目前已成为红外探测器的主流技术；但由于HgCdTe碲镉汞材料的衬底和外延技术的难度高，因而，实现低盲元率的大面阵焦平面探测器遇到很大困难。相比之下，从八十年代中期才起步的基于Ⅲ－Ⅴ族半导体砷化镓GaAs的量子阱红外探测器（QWIP）发展更加迅速，近年来已成为国际上研究的热点，在短短的二十年时间里，已发展成1024 1024的大面阵和多波长探测，并在军事（预警探测、情报侦察、精确制导、探雷、火控等）及民用方面（工业检测、医疗卫生、安全防范等）都已成功的进行了实际应用。下面分别就其发展进程和实际应用给予简单介绍。
(2) 量子阱红外焦平面列阵国内外发展概况
量子阱红外探测器是上世纪八十年代中期才发展起来的红外探测器领域的新秀，1985年斯坦福大学和惠普公司的L. C. West等人首次发现GaAs/GaA1As超晶格量子阱结构的红外吸收现象，从而掀起了对量子阱红外探测器研究的热潮。至1988年，AT&T Bell Lab的B.F.Levine等人报道了第一个高探测率、高响应度的GaAs/AlGaAs MQW IRPD，波长8.3µm(77K)[3]。1999年德国AIM 研制成的QWIP焦平面组件，光电导元的尺寸是24µm ×24µm，电荷存储容量为7×106e- [4]。2003年，JPL已研制成10-16 µm 的640×512元QWIP FPA。
双色和双波段红外焦平面列阵是QWIP可以充分发挥其优势的领域。ASA/JPL研制的640×512四色焦平面器件为当前多色器件的最高水平[6],响应波段为4～5.5 µm，8.5～10µm，10~12µm，13～15.5µ m，由4个128器件构成，300 K 背景温度下，45K的工作温度，各探测器的探测率均在1× 1011 cmHz 1/2w-1上下,可操作像元数99.9％。
2004年美国哥达德空间飞行中心、陆军研究实验室及喷气推进实验室合作研制出一种
1024×1024元8.4 9.0µm 红外焦平面列阵。76K下，达到了背景限制红外光电探测器(BLIP)的性能。2007年他们又报道了宽波段的1024×1024元8.4 12µm红外焦平面列阵。57K下，该列阵(f／2摄像机系统)达到了背景限制红外光电探测器(BLIP)的性能。
国内有中国科学院半导体研究所、物理所、上海技术物理所、中国电子科技集团第11研究所、第13研究所和昆明物理所等单位，都开展了QWIP的研究，取得了很大进展。
(3) 量子阱红外探测器的应用
量子阱红外探测器在民用方面，可以用于工业生产中的设备故障探测，材料和部件的无损探测，起火点的红外寻的，人体病变的病灶寻找以及非接触探雷等，此外，在军事应用方面，以下列出几种应用实例：
