量子阱红外探测器研究报告

简介：
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 1.2 QWIP的几种跃迁模式 4 1.3 量子阱结构的选择 6 1.4 QWIP的材料选择 7 1.5 入射光的耦合 9 1.6 QWIP的性能参数 11 1.7 量子阱周期数对器件性能的影响[9] 12 1.8 QWIP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（FPAs）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 3.6 QWIP探测器实例分析 29 3.7 QWIP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： 空间制导武器。如用焦平面探测器导引头拦截卫星； 红外预警卫星及机载红外预警系统； 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； 地基(包括舰艇平台)红外制导站及红外搜索， 跟踪系统； 小型导弹制导及夜间瞄准； 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 1.1 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0.1eV。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/GaAs QWIP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。 1.2 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