中波、長波雙色量子阱紅外探測器

半導(dǎo)體基中遠(yuǎn)紅外探測器在成像、傳感、國家安全以及國防領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用背景。目前,在這個領(lǐng)域最主流的技術(shù)之一是量子阱紅外探測器(qwips)。傳統(tǒng)的量子阱紅外探測器往往存在較大的暗電流和較低的工作溫度等限制。量子級聯(lián)探測器(qcds)是一種新型的光伏型量子阱紅外探測器。其工作原理基于電子吸收光子后在量子阱的子帶間躍遷并且激發(fā)態(tài)電子通過人工設(shè)計(jì)的勢能階梯形成無需外加偏置電壓的定向輸運(yùn)。這種基于新原理的紅外探測器一經(jīng)出現(xiàn)便引起人們高度的關(guān)注并經(jīng)歷了快速的發(fā)展。文中介紹了中國科學(xué)院半導(dǎo)體所在量子級聯(lián)探測器研究方面的最新成果。

本文簡單介紹了半導(dǎo)體量子點(diǎn)材料的基本性質(zhì)及相應(yīng)的紅外探測器的工作原理,并舉例討論了幾種典型的量子點(diǎn)紅外探測器的結(jié)構(gòu)。最后,對量子點(diǎn)紅外探測器的主要優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)。

異質(zhì)結(jié)光敏晶體管(hpt)是一種具有內(nèi)部電流增益的光電探測器,且與異質(zhì)結(jié)雙極晶體管(hbt)的制作工藝完全兼容。利用超高真空化學(xué)氣相淀積(uhv/cvd)方法在hbt晶體管的基區(qū)和集電區(qū)間加入多層ge量子點(diǎn)材料作為光吸收區(qū)。tem和dcxrd測試結(jié)果表明,生長的多層ge量子點(diǎn)材料具有良好的晶體質(zhì)量。為了提高h(yuǎn)pt的發(fā)射極注入效率,采用高摻雜多晶硅作為發(fā)射極,并制作出兩端hpt型ge量子點(diǎn)探測器。室溫條件下的測試結(jié)果表明,hpt型量子點(diǎn)探測器具有低的暗電流密度和高的反向擊穿電壓。-8v偏壓下,hpt型量子點(diǎn)探測器在1.31μm和1.55μm處的響應(yīng)度分別為4.47ma/w和0.11ma/w。與縱向pin結(jié)構(gòu)量子點(diǎn)探測器相比,hpt型量子點(diǎn)探測器在1.31μm和1.55μm處的響應(yīng)度分別提高了104倍和78倍。

美國倫斯勒理工學(xué)院的研究人員開發(fā)出了一種基于納米技術(shù)的新型量子點(diǎn)紅外探測器(qdip)。這種以金為主要材料的新型元件可大幅提高現(xiàn)有紅外設(shè)備的成像素質(zhì),將為下一代高清衛(wèi)星相機(jī)和夜視設(shè)備的研發(fā)提供可能。

美國專利us7312450(2007年12月25日授權(quán))本發(fā)明提供一種可在保持性能的同時(shí)降低功耗的紅外探測器件。該器件由一個熱釋電元件、一個i/v轉(zhuǎn)換電路、一個電壓放大電路、一個探測電路、一個輸出

紅外探測器是一門新興技術(shù),其應(yīng)用包括溫度測量、匪警/火警、機(jī)器人/工業(yè)設(shè)備、熱彈性應(yīng)力分析、醫(yī)療診斷以及包括氣體分析在內(nèi)的化學(xué)分析.主要介紹紅外探測器發(fā)展的三大趨勢:熱成像、數(shù)據(jù)傳輸和激光測距.回顧這些技術(shù)可使人們了解目前的工藝水平及其發(fā)展趨勢.

optek技術(shù)公司研制出op570系列的硅npn光電晶體管紅外探測器。這種探測器被封裝在0.10×0.08in的表面安裝型管殼內(nèi),并配有高性能的紅外透鏡。作為

法國ulissas公司向市場投放了一系列像元間距為25μm的硅紅外探測器。ul02152型探測器是一個160×120元的列陣,其熱時(shí)間常數(shù)<ms,占空因數(shù)

美國專利us7485870(2009年2月3日授權(quán))本發(fā)明提供一種氣動型紅外探測器,它包括一個敏感腔和一個參考腔,它是通過測量其敏感腔的氣動膨脹來探測紅外輻射的。其原理是,敏感腔吸收紅外輻射能量后,其溫度上升,從而發(fā)生氣動膨脹。參考腔通過機(jī)械方法與敏感腔相連,它是用來控制敏感腔的氣動膨脹的。這種膨脹或者用電學(xué)方法探測,或者用光學(xué)方法探測。本專利說明書共33頁,其中有23張插圖。

紅外探測器安裝圖： 門磁安裝圖： 使用方法： ●首先把紅外探測器安裝在高約1.5~2.5米的地方，打開電源開關(guān)。安裝時(shí)， 應(yīng)調(diào)整探測器的傾斜角度，以使其探測距離最遠(yuǎn)。 ●按遙控器布防鍵，主機(jī)發(fā)出“嘀”聲，約延時(shí)20秒后探測器進(jìn)入布防狀態(tài)， 有人進(jìn)入監(jiān)控區(qū)，主機(jī)即刻報(bào)警（人體橫切探測器走動時(shí)，靈敏度較高）。每 次觸發(fā)報(bào)警時(shí)間約為60秒，再次進(jìn)入監(jiān)控區(qū)，再次報(bào)警。 ●遇到緊急情況，按遙控器求救鍵，這時(shí)，探測器無論是處于布防或撤防狀態(tài)， 即刻緊急報(bào)警求救。 ●探測器處于報(bào)警狀態(tài)或緊急報(bào)警狀態(tài)時(shí)，按遙控器上的撤防鍵，則立即停止 報(bào)警，并且有人在監(jiān)控區(qū)活動也不報(bào)警。 安裝指南： 1。探頭應(yīng)避免直對門窗口，以免誤報(bào)； 2。應(yīng)調(diào)整探測器的傾斜角度，以使其探測距離最遠(yuǎn)； 3。探頭的菲妮爾透鏡應(yīng)保持干凈，不能有遮擋物體； 4。探頭應(yīng)遠(yuǎn)離冷熱源，例如空調(diào)出風(fēng)口、暖氣、冷氣機(jī)等 5

0引言在法國,碲鎘汞的研究與發(fā)展已經(jīng)有25年多的歷史了,這項(xiàng)工作是該國sofradir工業(yè)集團(tuán)公司和cea-leti公共實(shí)驗(yàn)室之間通過大力協(xié)作進(jìn)行的。為了縮短該技術(shù)推向市場的時(shí)間,sofradir工業(yè)集團(tuán)公司和cea-leti在grenoble地區(qū)成立了一個聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室(defir)。目前在該地區(qū)大約有600人在從事紅外探測器的研制工作。碲鎘汞紅外探測器技術(shù)獲得良好評價(jià)已經(jīng)

設(shè)計(jì)了帶有保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)的平面型24×1ingaas線列短波紅外探測器,利用n-i-n+型inp/in0.53ga0.47as/inp外延材料閉管擴(kuò)散制備了平面型探測器。lbic測試顯示光敏元沒有明顯擴(kuò)大,保護(hù)環(huán)起到了有效的隔離效果;i-v測試表明器件的優(yōu)值因子r0a約4.2×106.cm2,在-0.1v反向偏壓下的暗電流密度約22na/cm2,擬合得到的理想因子接近1,說明正向電流成分主要為擴(kuò)散電流;在室溫20℃,器件的響應(yīng)光譜在0.9～1.68μm波段范圍,其平均峰值電流響應(yīng)率為1.24a/w,平均峰值探測率為3.0×1012cm.hz1/2/w,量子效率接近95%,響應(yīng)的不均勻性為2.63%。

本發(fā)明提供一種被動紅外探測器．該探測器由兩個傳感器和一個評價(jià)電路組成．第一個傳感器(1)用于產(chǎn)生代表熱源與探測器背景環(huán)境之間溫差的紅外信號；第二個傳感器(3)用于敏感探測器的環(huán)境溫度；評

紅外探測器廣泛應(yīng)用于多光譜成像系統(tǒng)中,文章提出并建立了一種紅外線陣時(shí)間延遲積分探測器的成像實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),闡述了成像系統(tǒng)的工作原理,對影響成像質(zhì)量的兩個主要因素電子穩(wěn)像與自動對焦進(jìn)行了深入分析。利用高精度直流測速機(jī)確定了轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速與探測器的行轉(zhuǎn)移頻率,采用卡爾曼濾波算法濾除了測速機(jī)帶來的噪聲,提高了速度匹配精度。在分析比較紅外相機(jī)四種檢焦方法的基礎(chǔ)上采用視頻信號幅度法進(jìn)行檢調(diào)焦。在國家光學(xué)機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)測試中心實(shí)地搭建了成像實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),并分別對5.3,6.4和9.2mm寬度靶標(biāo)成像。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,采集到的原始靶標(biāo)紋理清晰,照相分辨率達(dá)到了每毫米11.3對線,達(dá)到了實(shí)驗(yàn)預(yù)期目的。

首次在國內(nèi)報(bào)道了128×128面陣短波/中波(sw/mw)雙色碲鎘汞(hgcdte)紅外焦平面探測器(infraredfocalplanearrays,irfpas)的研究成果.基于由采用分子束外延(mbe)和原位摻雜技術(shù)生長的p-p-p-n型碲鎘汞(hg1-xcdxte)多層異質(zhì)結(jié)材料,通過b+注入、臺面腐蝕、臺面?zhèn)认蜮g化和爬坡金屬化,以及雙色探測芯片與讀出電路(readoutintegratedcircuit,roic)混成互連等工藝,得到了128×128面陣雙色焦平面探測器.通過濕化學(xué)腐蝕方法的優(yōu)化,將光敏元尺寸為(50×50)μm2的雙色微臺面探測器的占空比提高了一倍.該面陣雙色紅外焦平面探測器具有較好的均勻性和正常的光電特性.在液氮溫度下,二個波段的光電二極管截止波長λc分別為2.7μm和4.9μm,對應(yīng)的峰值探測率dλ*p分別為1.42×1011cmhz1/2/w和2.15×1011cmhz1/2/w.

紅外探測器分類及應(yīng)用 紅外探測器是能對外界紅外光輻射產(chǎn)生響應(yīng)的光電傳感器，是目前傳感器 領(lǐng)域發(fā)展的重點(diǎn)之一。利用它制成的探測器是軍事、氣象、農(nóng)業(yè)、工業(yè)、醫(yī)學(xué) 等方面需要的設(shè)備，它涉及物理、材料等基礎(chǔ)科學(xué)和光學(xué)、機(jī)械、微電子和計(jì) 算機(jī)等多學(xué)科領(lǐng)域的綜合科學(xué)技術(shù)。 按照工作機(jī)理分類： 熱探測器和光子探測器的分類和特點(diǎn) ·光子探測器：光子探測器的工作機(jī)理是利用入射光輻射的光子流與探測器材料 中的電子互相作用，從而改變電子的能量狀態(tài)，引起各種電學(xué)現(xiàn)象，這種現(xiàn)象 稱為光子效應(yīng)。光子探測器有內(nèi)光電和外光電探測器兩種，后者又分為光電 導(dǎo)，光生伏特，光電發(fā)射型，光磁電型等四種。 ·熱探測器：紅外熱探測器的工作原理是利用輻射熱效應(yīng)。探測器件接收輻射能 量后引起溫度升高，再由接觸型測溫元件測量溫度改變量，從而輸出點(diǎn)型號。 熱探測器主要有四類：熱電堆，熱釋電型，和氣體型。 光子探測器和熱探測器的分類和

主動/被動紅外探測器 系統(tǒng)的基本組成紅外線報(bào)警器是利用紅外線的輻射和接收技校構(gòu)成的報(bào)警 裝置。根據(jù)工作原理，又可分為主動式和被動式兩種類型。 （1）主動式紅外探測器 主動式紅外探測器是由收、發(fā)裝置兩部分組成。發(fā)射裝置向裝在幾米甚至于 幾百米遠(yuǎn)的接收裝置輻射一束紅外線，當(dāng)被遮斷時(shí)，接收裝置即發(fā)出報(bào)警信號， 因此，它也是阻擋式報(bào)警器，或稱對射式探測器。通常，發(fā)射裝置由多諧振蕩器、 波形變換電路、紅外發(fā)光管及光學(xué)透鏡等組成。振蕩器產(chǎn)生脈沖信號，經(jīng)波形變 換及放大后控制紅外發(fā)光管產(chǎn)生紅外脈沖光線，通過聚焦透鏡將紅外光變?yōu)檩^細(xì) 的紅外光束，射向接收端。 接收裝置由光學(xué)透鏡、紅外光電管、放大整形電路、功率驅(qū)動器及執(zhí)行機(jī)構(gòu) 等組成。光電管將接收到的紅外光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，?jīng)整形放大后推動執(zhí)行機(jī) 構(gòu)啟動報(bào)警設(shè)備。主動式紅外報(bào)警器有較遠(yuǎn)的傳輸距離，因紅外線屬于非可見光 源，入侵

針對量子阱紅外探測器(qwip)光敏元靈敏度低,參數(shù)測試條件苛刻的局限,在充分研究其工作原理的前提下,構(gòu)建了其工作環(huán)境,設(shè)計(jì)了多個參數(shù)的測試方案.在液氮制冷條件下測試了8～9mgaas/algaas量子阱紅外探測器的電阻溫度特性、電流溫度特性,利用電流前放和鎖相放大依次對qwip的輸出電流信號進(jìn)行選頻放大,測試其光電流,得到了qwip光敏元電阻與溫度的對應(yīng)關(guān)系,驗(yàn)證了器件的負(fù)電阻溫度特性,進(jìn)而可以快速判斷探測器光敏元的有效性.測試采用labview8.0進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、分析及顯示.通過對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析,qwip的阻抗隨溫度的降低呈指數(shù)上升,暗電流隨著工作溫度的降低而減小,光電流隨著溫度的降低而增大,表明探測器的性能隨工作溫度的降低而逐步增強(qiáng).

報(bào)道了50%截止波長為12.5μm的inas/gasbⅱ類超晶格長波紅外探測器材料及單元器件.實(shí)驗(yàn)采用分子束外延技術(shù)在gasb襯底上生長超晶格材料.吸收區(qū)結(jié)構(gòu)為15ml(inas)/7ml(gasb),器件采用pbin的多層異質(zhì)結(jié)構(gòu)以抑制長波器件暗電流.在77k溫度下測試了單元器件的電流-電壓(ⅰ-ⅴ)特性,響應(yīng)光譜和黑體響應(yīng).在該溫度下,光敏元大小為100μm×100μm的單元探測器rmaxa為2.5ωcm2,器件的電流響應(yīng)率為1.29a/w,黑體響應(yīng)率為2.1×109cmhz1/2/w,11μm處量子效率為14.3%.采用四種暗電流機(jī)制對器件反向偏壓下的暗電流密度曲線進(jìn)行了擬合分析,結(jié)果表明起主導(dǎo)作用的暗電流機(jī)制為產(chǎn)生復(fù)合電流.

量子點(diǎn)紅外探測器是近年來出現(xiàn)的一種新型低維納米結(jié)構(gòu)探測器,因其優(yōu)越的特性引起了人們的廣泛關(guān)注。本文給出了一種估算量子點(diǎn)紅外探測器光電流的方法,并以此為基礎(chǔ),進(jìn)一步研究了探測器結(jié)構(gòu)對光電流性能的影響。結(jié)果顯示,當(dāng)結(jié)構(gòu)參數(shù)層內(nèi)量子點(diǎn)密度和量子點(diǎn)橫向尺寸的取值都比較小時(shí),探測器能獲得一個高的光電流。

為了表征噪聲對量子點(diǎn)紅外探測器性能的影響,本文推導(dǎo)了噪聲的理論模型.該模型通過考慮納米尺度電子傳輸和微米尺度電子傳輸對激發(fā)能的共同影響,并結(jié)合噪聲增益,實(shí)現(xiàn)了對噪聲的估算.得到的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)相比,顯示了很好的一致性,從而驗(yàn)證了這個模型的正確性.

紅外探測器是能對外界紅外光輻射產(chǎn)生響應(yīng)的光電傳感器,是目前傳感器領(lǐng)域發(fā)展的重點(diǎn)之一。本文介紹了紅外探測器技術(shù),梳理了紅外探測器的起源與技術(shù)發(fā)展趨勢,尤其關(guān)注非制冷紅外探測器的技術(shù)發(fā)展。