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量子阱红外探测器QWIP调研报告.doc

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量子阱红外探测器（ QWIP ）调研报告

信 息 战 略 中 心（）

引言 ............................................................................................... 错误 ! 未定义书签。

1、量子阱红外探测器的原理 ..................................................... 错误 ! 未定义书签。

量子阱红外探测器基本原理简介 .......................................... 错误 ! 未定义书签。

QWIP 的几种跃迁模式 ........................................................... 错误 ! 未定义书签。

量子阱结构的选择 .................................................................. 错误 ! 未定义书签。

QWIP 的材料选择 ................................................................... 错误 ! 未定义书签。

入射光的耦合 ......................................................................... 错误 ! 未定义书签。

QWIP 的性能参数 ................................................................... 错误 ! 未定义书签。

量子阱周期数对器件性能的影响 [9] ................................. 错误 ! 未定义书签。

QWIP 的抗辐射机理与方法 .................................................. 错误 ! 未定义书签。

参考文献： ................................................................................ 错误 ! 未定义书签。

2、量子阱红外探测器的制备方法 ............................................. 错误 ! 未定义书签。

直接混杂法制备红外探测器焦平面阵列像元 ...................... 错误 ! 未定义书签。

3、量子阱红外探测器的国内外主要应用 ................................. 错误 ! 未定义书签。

红外探测器分类 ...................................................................... 错误 ! 未定义书签。

红外探测器发展历程 .............................................................. 错误 ! 未定义书签。

红外探测器基本性能参数 ..................................................... 错误 ! 未定义书签。

各种焦平面阵列（ FPA ）的性能比较 .................................. 错误 ! 未定义书签。

S

红外成像系统的完整结构 ...................................................... 错误 ! 未定义书签。

焦平面结构 ........................................................................... 错误 ! 未定义书签。

读出电路 ............................................................................... 错误 ! 未定义书签。

QWIP 探测器实例分析 ........................................................... 错误 ! 未定义书签。

QWIP 的应用领域及前景分析 .............................................. 错误 ! 未定义书签。

参考文献： ................................................................................ 错误 ! 未定义书签。

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。如用焦平面探测器导引头拦截卫星；

② 红外预警卫星及机载红外预警系统；

③ 巡航导弹、地地导弹、空地导弹、防空导弹、海防导弹及反舰导弹的红外制导系统的基本组成；

④ 地基 ( 包括舰艇平台 ) 红外制导站及红外搜索， 跟踪系统；

⑤ 小型导弹制导及夜间瞄准；

④ 坦克、飞机、舰艇等运载工具的夜间观测、目标瞄准、自动跟踪等。

红外焦平面探测器早期实用的是 Pbs， 现在的重点是碲镉汞， Si ：Pt 及半导

体量子阱焦平面探测器。其中半导体量子阱焦平面探测器， 在五年内接近走完了碲镉汞 (MCT)探测器 30年的历程， 现在虽然在探测度指标上还不如 MCT， 但经过进一步的攀登， 这种完全靠科学家、 计算机的， 由MBE或 MOCND技术制造的新一代焦平面器件可能成为现代国防的复眼。 无疑，今后哪个国家能抢占这个高地，这将在各国国防力量的对比方面产生重要的影响。

1、量子阱红外探测器的原理

量子阱红外探测器基本原理简介

传统带间光吸收指电子吸收光子后， 从价带跃迁到导带， 从而产生一个光生电子空穴对， 这些光生载流子在外加偏压的作用下， 被收集形成光电流， 这是传统基于带间吸收半导体光电探测器的基本原理。 这种吸收要求光子的能量大于材料的禁带宽度， 因此对于红外光来讲， 需要材料具有很小的禁带宽度才能发生这种光吸收。比如要探测 10 m 波长的红外辐射，需要材料的禁带宽度小于。因此

基于传统带间吸收的红外探测器一般采用具有窄带隙的 HgCdTe 材料。

对于“宽”带隙材料构成的多量子阱结构，通过量子阱结构与掺杂的设计，在量子阱内形成特定的子能级， 这样在红外光的作用下， 可以发生量子阱内子能级之间或者子能级到连续态之间的跃迁 （图 1.1.1）[1] ，这些受激发的载流子在偏压作用下被收集形成光电流。这就是量子阱红外探测器（ QWIP）的基本原理。

图 1.1.1 量子阱的能带结构与带内跃迁 [1]

量子阱红外探测器利用半导体多量子阱 （超晶格）材料制成 , 其机理是利用量

子阱导带（或价带）内子能带间或子能带到扩展态间的电子（或空穴）跃迁。根

据探测波段的不同可分为：以 InP 衬底上生长的 InGaAs/InAlAs QWIP 为代表的

短波红外探测器；以 AlGaAs/GaAsQWIP为代表的中长波探测器。电学结构方面，一般为 N-I-N（n 型）和 P-I-P 型（ p 型）。比如，对于载流子为电子的 n 型 QWIP，两端 N 型掺杂层作为接触层，中间的 I 区为低掺杂的多量子阱区域。无光照时，

电子被束缚在导带阱内， I 区的电阻很高，在红外辐射下， I 区的束缚电子跃迁

到激发态，在偏压作用下被两端电极收集形成光电流。

QWIP 的几种跃迁模式

在量子阱结构设计中，从减小器件暗电流，提高探测器探测率角度出发，研

究人员先后提出了四种跃迁模式 [2][3] ：束缚态到束缚态（ B-B QWIP ）、束缚态到

连续态（ B-C QWIP ）、束缚态到准束缚态（ B-QB QWIP ）以及束缚态到微带

（ B-MiniB QWIP）。

图 1.2.1 束缚态到束缚态跃迁的能带结构示意图 [2]

世界上第一台 QWIP 就属于 n 型掺杂的 B-B QWIP 。量子结构如图 1.2.1 所示，基态和第一激发态均为束缚态。 当探测器吸收红外辐射， 位于基态的电子受光激发越迁到第一激发态， 在偏置电场作用下隧穿出量子阱， 形成光电流。 由于这里存在电子遂穿过程，所需的偏置电压较大（ >3V），并且势垒厚度也不宜过大，因此这种遂穿模式中基态电子遂穿引起的暗电流较大。 如果适当增加势垒厚度和

高度可以减少引起暗电流的基态电子隧穿数目，从而提高器件的探测率。

通过减小阱宽，使 B-B QWIP 中的第一激发态成为连续态，即束缚态到连续

态跃迁的 QWIP（ B-C QWIP ），如图 1.2.2 所示 [2] 。B-C QWIP 的主要优点是电子直接被激发到连续态上， 不需要隧穿过程， 可以降低收集光电子所需的偏置电压从而降低暗电流。 另外不需要考虑势垒厚度对光电子收集效率的影响， 可以通过

[4]

增加势垒厚度有效地降低由基态电子隧穿引起的暗电流。 Levine 等 早在 1990

年就基于这两个因素， 使 B-C QWIP 的探测率达到 3×1010cm Hz1/2/W，截至波长

10 m，工作温度 68K。

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光电探测器的几种类型

光电探测器的几种类型

1 光电探测器的几种类型

红外辐射光子在半导体材料中激发非平衡载流子电子或空穴、，引起电学性能变化。因为载流子不逸出体外，所以称内光电效应。量子光电效应灵敏度高，响应速度比热探测器快得多，是选择性探测器。为了达到性能，一般都需要在低温下工作。光电探测器可分为：

1、光导型：

又称光敏电阻。入射光子激发均匀半导体中的价带电子越过禁带进入导带并在价带留下空穴，引起电导增加，为本征光电导。从禁带中的杂质能级也可激发光生载流子进入导带或价带，为杂质光电导。截止波长由杂质电离能决定。量子效率低于本征光导，而且要求更低的工作温度。

2、光伏型：

主要是p－n结的光生伏特效应。能量大于禁带宽度的红外光子在结区及其附近激发电子空穴对。存在的结电场使空穴进入p区，电子进入n区，两部分出现电位差。外电路就有电压或电流信号。与光导探测器比较，光伏探测器背影限探测率大于40％；不需要外加偏置电场和负载电阻，不消耗功率，有高的阻抗。这些特性给制备和使用焦平面阵列带来很大好处。

3、光发射－Schottky势垒探测器：

金属和半导体接触，典型的有PtSi/Si结构，形成Schottky势垒，红外光子透过Si层为PtSi吸收，电子获得能量跃上Fermi能级，留下空穴越过势垒进入Si衬底，PtSi层的电子被收集，完成红外探测。充分利用Si集成技术，便于制作，具有成本低、均匀性好等优势，可做成大规模1024×1024甚至更大、焦平面阵列来弥补量子效率低的缺陷。有严格的低温要求。用这类探测器，国内外已生产出具有像质良好的热像仪。PtSi/Si结构FPA是早制成的IRFPA。

4、量子阱探测器QWIP：

将两种半导体材料A和B用人工方法薄层交替生长形成超晶格，在其界面，能带有突变。电子和空穴被限制在低势能阱A层内，能量量子化，称为量子阱。利用量子阱中能级电子跃迁原理可以做红外探测器。90年代以来发展很快，已有512×512、640×480规模的QWIPGaAs/AlGaAs焦平面制成相应的热像仪诞生。因为入射辐射中只 2 有垂直于超晶格生长面的电极化矢量起作用，光子利用率低；量子阱中基态电子浓度受掺杂限制，量子效率不高；响应光谱区窄；低温要求苛刻。人们正深入研究努力加以改进，可望与碲镉汞探测器一争高低。

红外探测Ⅱ类超晶格技术概述(一)

红外探测Ⅱ类超晶格技术概述(一)

第５１卷　第４期 激光与红外Ｖｏｌ．５１，Ｎｏ．４　２０２１年４月 ＬＡＳＥＲ　＆　ＩＮＦＲＡＲＥＤＡｐｒｉｌ，２０２１

文章编号：１００１５０７８（２０２１）０４０４０４１１·综述与评论·

红外探测ＩＩ类超晶格技术概述（一）

尚林涛，王　静，邢伟荣，刘　铭，申　晨，周　朋

（华北光电技术研究所，北京１０００１５）

摘　要：本文简单归纳总结了红外探测ＩＩ类超晶格材料的发展历史、基本理论、相比ＭＣＴ材料的

优势和材料的基本结构。通过设计６１?系超晶格材料适当的层厚和不同层间应力匹配的界面

可以构筑灵活合理的能带结构，打开设计各种符合器件性能要求的新材料结构的可能性（如各种

同质结ｐｉｎ结构，双异质结ＤＨ、异质结Ｗ、Ｍ、Ｎ、ＢＩＲＤ、ＣＢＩＲＤ、ｐπＭＮ、ｐＢｉＢｎ、ｎＢｎ、ＸＢｐ、ｐＭｐ

等结构），还可以在一个焦平面阵列（ＦＰＡ）像元上集成吸收层堆栈实现集成多色／多带探测。

Ｔ２ＳＬ探测器可以满足实现大面阵、高温工作、高性能、多带／多色探测的第三代红外探测器需求，

尤其在长波红外（ＬＷＩＲ）和甚长波红外（ＶＬＷＩＲ）及双色／多带探测上可以替代ＭＣＴ。

关键词：ＩＩ类超晶格；ＴｙｐｅＩＩ；Ｔ２ＳＬ；ＳＬＳ；材料结构

中图分类号：ＴＮ２１５ 文献标识码：Ａ ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１５０７８．２０２１．０４．００２

ＯｖｅｒｖｉｅｗｏｆｉｎｆｒａｒｅｄｄｅｔｅｃｔｉｏｎｔｙｐｅＩＩｓｕｐｅｒｌａｔｔｉｃｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（Ｉ）

ＳＨＡＮＧＬｉｎｔａｏ，ＷＡＮＧＪｉｎｇ，ＸＩＮＧＷｅｉｒｏｎｇ，ＬＩＵＭｉｎｇ，ＳＨＥＮＣｈｅｎ，ＺＨＯＵＰｅｎｇ

（ＮｏｒｔｈＣｈｉｎａＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＥｌｅｃｔｒｏＯｐｔｉｃｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００１５，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｈｉｓｔｏｒｙ，ｂａｓｉｃｔｈｅｏｒｙ，ａｄｖａｎｔａｇｅｓｏｖｅｒＭＣＴｍａｔｅｒｉａｌｓａｎｄｂａｓｉｃｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｉｎｆｒａｒｅｄｄｅｔｅｃｔｉｏｎｔｙｐｅＩＩｓｕｐｅｒｌａｔｔｉｃｅｍａｔｅｒｉａｌｓａｒｅｓｕｍｍａｒｉｚｅｄｉｎｔｈｅｐａｐｅｒＴｈｒｏｕｇｈｔｈｅｄｅｓｉｇｎ６１?ｓｕｐｅｒｌａｔｔｉｃｅｍａｔｅｒｉａｌｓｓｙｓｔｅｍｏｆａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅｌａｙｅｒｔｈｉｃｋｎｅｓｓａｎｄｍａｔｃｈｉｎｇｉｎｔｅｒｆａｃｅｓｔｒｅｓｓｂｅｔｗｅｅｎｌａｙｅｒｓｃａｎｂｕｉｌｄｆｌｅｘｉｂｌｅｒｅａｓｏｎａｂｌｅｂａｎｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｏｐｅｎｔｈｅｐｏｓｓｉｂｉｌｉｔｙｏｆｄｅｓｉｇｎｉｎｇｎｅｗｍａｔｅｒｉａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｔｈａｔｃｏｎｆｏｒｍｔｏｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆｔｈｅｄｅｖｉｃｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ（ｓｕｃｈａｓａｖａｒｉｅｔｙｏｆｈｏｍｏｊｕｎｃｔｉｏｎｐｉｎｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｄｏｕｂｌｅｈｅｔｅｒｏｊｕｎｃｔｉｏｎＤＨ，ｈｅｔｅｒｏｊｕｎｃｔｉｏｎＷ，Ｍ，Ｎ，ＢＩＲＤ，ＣＢＩＲＤ，ｐπＭＮ，ｐＢｉＢｎ，ｎＢｎ，ＸＢｐ，ｐＭｐ，ｅｔｃ），ａｌｓｏｃａｎｉｎｔｅｇｒａｔｅｍｕｌｔｉｌａｙｅｒａｂｓｏｒｐｔｉｏｎｌａｙｅｒｓｔａｃｋｏｎｏｎｅｆｏｃａｌｐｌａｎｅａｒｒａｙ（ＦＰＡ）ｐｉｘｅｌｔｏｒｅａｌｉｚｅｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｍｕｌｔｉｃｏｌｏｒ／ｍｕｌｔｉｂａｎｄｄｅｔｅｃｔｉｏｎＴ２ＳＬｄｅｔｅｃｔｏｒｃａｎｍｅｅｔｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆｔｈｅｔｈｉｒｄｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｉｎｆｒａｒｅｄｄｅｔｅｃｔｏｒｗｉｔｈｌａｒｇｅａｒｒａｙ，ｈｉｇｈｏｐｅｒａｔｉｎｇｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｈｉｇｈｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，ｍｕｌｔｉｂａｎｄ／ｍｕｌｔｉｃｏｌｏｒｄｅｔｅｃｔｉｏｎ，ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙｃａｎｒｅｐｌａｃｅＭＣＴｉｎｔｈｅｌｏｎｇｗａｖｅｉｎｆｒａｒｅｄ（ＬＷＩＲ），ｔｈｅｖｅｒｙｌｏｎｇｗａｖｅｉｎｆｒａｒｅｄ（ＶＬＷＩＲ）ａｎｄｔｈｅｔｗｏｃｏｌｏｒ／ｍｕｌｔｉｂａｎｄｄｅｔｅｃｔｉｏｎＫｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｌａｓｓＩＩｓｕｐｅｒｌａｔｔｉｃｅ；ｔｙｐｅＩＩ；Ｔ２ＳＬ；ＳＬＳ；ｍａｔｅｒｉａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅ

红外传感器工作原理、种类、特点以及应用详解

红外传感器工作原理、种类、特点以及应用详解

红外传感器工作原理、种类、特点以及应用详解先看一条两年前的资讯：“据悉，今年秋天，罹患渐冻症逾半个世纪的著名物理

学家史蒂芬-霍金将出版一部回忆录，坦诚地透露71年来的生活细节。据称，这是第

一部霍金未借助他人帮助、完全依靠自己写成的书籍。那么，一直以来，霍金是如何

与他人进行交谈和发表演讲的呢？

原来，霍金轮椅下方和后方安装的电脑包含一个音频放大器和声音合成器，它们

受到霍金眼镜上的红外传感器控制，能够对因面部运动而产生的光线变化作出反

应……”

从上面我们可以看出，现如今，红外传感器技术已经非常成熟，已经融入到人们

的日常生活，并且发挥着巨大的作用。

在了解红外传感器之前，首先，我们应该了解一下，什么是红外线，或者叫红外

光。

我们知道，光线也是一种辐射电磁波，以人类的经验而言，通常指的是肉眼可见

的光波域是从400nm（紫光）到700nm（红光）可以被人类眼睛感觉得到的范围。

如图所示我们把红光之外、波长760nm到1mm之间辐射叫做红外光，红外光是肉

眼看不到的，但通过一些特殊光学设备，我们依然可以感受到。

红外线是一种人类肉眼看不见的光，所以，它具有光的一切光线的所有特性。但

同时，红外线还有一种还具有非常显著的热效应。所有高于绝对零度即－273℃的物

质都可以产生红外线。

因此，简单地说，红外线传感器是利用红外线为介质来进行数据处理的一种传感

器。

红外传感器的种类

红外线是一种人类肉眼看不见的光，所以，它具有光的一切光线的所有特性。但

同时，红外线还有一种还具有非常显著的热效应。所有高于绝对零度即－273℃的物

质都可以产生红外线。

根据发出方式不同，红外传感器可分为主动式和被动式两种。

主动红外传感器的工作原理及特性主动红外传感器的发射机发出一束经调制的红外光束，被红外接收机接收，从而

形成一条红外光束组成的警戒线。当遇到树叶、雨、小动物、雪、沙尘、雾遮挡则不

应报警，人或相当体积的物品遮挡将发生报警。

主动红外探测器技术主要采用一发一收，属于线形防范，现在已经从最初的但光

红外热成像仪原理和分类

红外热成像仪原理和分类

红外热成像仪分类和原理

红外热像仪是利用红外探测器和光学成像物镜接受被测目标的红外辐射能量分布图形反映到红外探测器的光敏元件上，从而获得红外热像图，这种热像图与物体表面的热分布场相对应。通俗地讲红外热像仪就是将物体发出的不可见红外能量转变为可见的热图像。热图像的上面的不同颜色代表被测物体的不同温度。

红外辐射简介

红外辐射是指波长在0.75um至lOOOum，介于可见光波段与微波波段之间的电磁辐射。红外辐射的存在是由天文学家赫胥尔在1800年进行棱镜试验时首次发现。红外辐射具有以下特点及应用：

（1）所有温度在热力学绝对零度以上的物体都自身发射电磁辐射，而一般自然界物体的温度所对应的辐射峰值都在红外波段。因此，利用红外热像观察物体无需外界光源，相比可见光具有更好的穿透烟雾的能力。红外热像是对可见光图像的重要补充手段，广泛用于红外制导、红外夜视、安防监控和视觉增强等领域。

（2）根据普朗克定律，物体的红外辐射强度与其热力学温度直接相关。通过检测物体的红外辐射可以进行非接触测温，具有响应快、距离远、测温范围宽、对被测目标无干扰等优势。因此，红外测温特别是红外热像测温在预防性检测、制程控制和品质检测等方面具有广泛应用。

（3）热是物体中分子、原子运动的宏观表现，温度是度量其运动剧烈程度的基本物理量之一。各种物理、化学现象中，往往都伴随热交换及温度变化。分子化学键的振动、转动能级对应红外辐射波段。因此，通过检测物体对红外辐射的发射与吸收，可用于分析物质的状态、结构、状态和组分等。

（4）红外辐射具有较强的热效应，因此广泛地用于红外加热等。

综上所述，红外辐射在我们身边无处不在。而对于红外辐射的检测及利用，更是渗透到现代军事、工业、生活的各个方面。由于人眼对于红外辐射没有响应，因此对于红外辐射的感知和检测必须利用专门的红外探测器。红外辐射波段对应的能量在O.leV-l.OeV之间，所有在上述能量范围之内的物理化学效应都可以用于红外检测。在发现红外辐射后至今的几百年内，人们研制了各种各样的红外探测器。