1. 量子阱红外探测器简介
量子阱红外探测器(QWIP)是在半导体超晶格物理和分子术外延(MBE)的基础上实现的;其基本结构是一个量子阱层和一个势垒层交替而成,通常形成若干个周期以增强对光的吸收。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。根据掺杂材料不同可分为载流子为电子的n型掺杂QWIP和载流子为空穴的p型掺杂QWIP
1983年J.S.Smith等人**研究了光波导型GaAs/AlGaAs多量子阱子带间光跃迁,并指出这种新型的红外探测器可能有潜在的应用前景。从那时起量子阱红外探测器已经从单元探测器发展到焦平面器件。研究工作主要集中在器件物理和器件应用两个方面。器件物理研究除了深入了解探测器的工作机理外,也不断探索新材料、新结构合新的工作模式。在器件的应用方面:探测器从单元探测器发展到了二维凝视焦平面器件。
2. 量子阱红外焦平面探测器的发展及产品状况
美国的发展状况
美国的研制厂商主要有ARL JPL NASA Raytheon等。在单色焦平面器件方面,NASA/ARL联合研制出了当前世界上*大的单色焦平面器件:1024X1024,阵列中心距18微米,峰值波长8.8微米,截止波长9.2微米,75k温度下达到背景限性能。在多色器件方面,NASA/JPL研制出了640X512四色焦平面器件,代表了多色器件研制的*高水平。响应波段在4~5.5微米,8.5~10微米,10~12微米,13~15.5微米,由4个128器件构成。
欧洲发展状况
欧洲的红外探测器主要研制厂商有德国的IAF和AIM,法国的Sofradir,瑞典的IM/Acreo。德国的IAF公司主要进行探测器芯片的制造,AIM承担读出电路、集成、制冷、杜瓦及电子学部分。其主要产品有320X240和全电视制式640X512的中长波红外焦平面器件,器件工作模式为光导型和光伏型两种。法国的Sofradir公司主要产品有320X256中心距30微米中长波制冷型探测器和384X288中心距25微米非制冷长波探测器,我国大部分民用产品和部分**产品采用该公司的探测器。瑞典的IM/Acreo公司主要生产格式为320X240中心距38微米及640X480焦平面器件,并*早提出了利用衍射光栅对n型量子阱红外焦平面垂直入射的光耦合方法,这是目前n型量子阱红外焦平面光耦合的主要技术。
我国发展状况
我国对量子阱红外探测器实验研究开始较晚,20世纪80年代初,北京物理所开始用分子束外延技术(MBE)生长Ⅲ-Ⅳ族超晶格,随后还对材料的吸收光谱等物理特性进行了研究。1994年电子部11所研制了单元探测器,1996年上海技术物理所研制出了128元GaAs/AlGaAs多量子阱红外探测器,2000年64X64元多量子阱红外探测器通过鉴定。
3.量子阱红外焦平面的发展方向及趋势
n型量子阱红外焦平面器件的大面积化及性能的进一步提高。
高温化,进一步提高工作温度,降低器件对制冷的要求,降低成本、能耗及系统体积。
双色及多色焦平面阵列。
正入射红外光响应的p型量子阱红外焦平面阵列。
4.量子阱红外探测器的结构和光耦合方式
4.1 QWIP量子结构
世界上**台QWIP就属于n型掺杂的B-B QWIP。量子结构如图1所示,基态和**激发态是束缚态,当探测器吸收红外辐射,位于基态的电子受光激发越迁到**激发态,隧穿出量子阱,在偏执电场作用下形成光电流。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。B-C QWIP是通过减小阱宽,使B-B QWIP中的**激发态不再是束缚态,成为连续态,如图2所示。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执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,通过增加势垒厚度也可以有效地降低由基态电子隧穿引起的暗电流。B-DB QWIP是通过改变阱深、垒宽和势垒高度使**激发态位于量子阱顶部如图3所示。对热激发而言势垒高度比光电离能低,降低了暗电流提高了探测率。
通过改变量子阱宽度和势垒高度,对带隙宽度进行人工裁剪可以方便的获得峰值在6~20μm的响应,通过在阱层内增加材料,短波长可扩展到3μm。此外多色量子阱结构的QWIP也在研制之中。随着理论的发展和工艺的进步还会有更多性能优良的QWIP设计出来。
4.2 QWIP光耦合方式
为了提高QWIP的信噪比必须提高量子效率,而量子效率与红外入射光的方向有关。根据量子跃迁选择定则,只有电矢量垂直于量子阱生长面的入射光才能被子带中的电子吸收由基态跃迁到激发态,所以需要进行光耦合才能使辐射被探测器吸收。一种方法是让入射光线与量子阱成45°角,*初的光耦合模型边耦合就是器件的一边刻蚀出倾角为45°的斜面,这种耦合方式只适用于线阵列和单个器件而且这种耦合方式也不够均匀。二维周期光栅耦合(CGW)是目前应用*广泛的耦合方式,光栅在探测器表面2个垂直方向上周期性的重复,导致探测器吸收红外辐射的2个偏振分量。红外光束在量子阱区经历一次衍射2次反射。虽然CGW耦合模式比边耦合模式好,但是光栅耦合依据集合的衍射效应,光敏元台面越大耦合的量子效率和探测率越高,但为了提高器件的分辨率必须减小台面尺寸,而这样做会影响CGW耦合的性能参数,并且CGW耦合对探测波长有选择性,这是由光栅耦合固有特性决定的。这些因素都制约了光栅耦合技术在宽带探测和复色探测方面的应用。随机反射耦合(CRR)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GaAs接触面上随机刻蚀出反射单元,形成粗糙的反射面,垂直于衬底入射光束遇到反射面发生大角度反射,这些角度大部分符合全反射条件,光束被捕获在量子区域,只有晶体反射锥角内小部分辐射逃逸,从而增加了可吸收路径次数,提高了量子效率和探测率。由于光刻工艺的制约,光敏元台面面积较小的情况下在上面刻蚀反射单元比较困难,所以CRR耦合不适合小面积的光敏元。波纹耦合是由普林斯顿大学的科学家提出的,它是通过化学的方法,在量子阱区域刻蚀出V型槽,刻蚀深度达到底层GaAs接触层,器件表面就由一些三角线组成。如图示光路。波纹耦合利用AlGaAs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生长面,有利于量子阱对辐射的吸收,提高器件量子效率。波纹耦合的光耦合效率与三角线的数目没有关系,波纹耦合更适于光敏元小的探测器。在波纹耦合中全反射与探测器的波长没有关系,所以探测的波长范围可以从3μm~17μm,对于宽带探测和复色探测来说,波纹耦合是理想的光耦合模式。
5.量子阱红外探测器的缺点
近几年来量子阱红外探测器有了快速的发展,出现了大面积焦平面阵列QWIP,双色和多色QWIP。目前**代探测器仍以传统的HgCdTe红外探测器为主,对于第三代红外光学系统QWIP与HgCdTe相比较即有其优点又有缺点。
1. 波长连续可调。通过调节量子阱宽度和势垒高度可方便的获得3~20μm的响应,在大于14μm的超长波领域,HgCdTe红外探测器漏电大,器件性能差。
2. QWIP材料生长和器件制备技术成熟,可获得大面积、均匀性好、成本低、高性能的器件。
3. 光谱响应带宽窄,可控制在 (1μm),特别适宜制备双色、多色焦平面探测器。
4. 抗辐射性能好。
QWIP受物理机制限制,存在两个主要问题,一是如前面讲述的,入射光电矢量只有平行于生长方向的部分才对光电流信号有贡献,所以它的量子效率是比较低的。另外QWIP利用阱内掺杂提供用于光激发的载流子数目远小于利用带间跃迁的体材料HgCdTe的载流子数目。如表所示。
4.应用前景
量子阱红外焦平面探测器由于自身特有的优越性,在近十几年来快速发展,在红外技术领域具有广泛的应用前景。在**方面,QWIP可用于**目标侦查,**制导,自动跟踪等对比面人员伤亡,提高战斗力发挥巨大作用。民用领域中工业方面可以用来检测电力系统。消防方面可以用来寻找起火点,穿透烟雾进行搜救。医疗方面可以探测病变部位,辅助医生进行诊断。
随着QWIP性能的进一步优化、先进材料生长工艺的提高和成本的降低,量子阱红外探测器必将获得越来越广泛的应用。