中波红外探测器的先容

 行业动态     |      2022-05-01 00:10
本文摘要:中波红外探测器的先容 本文内容转载自《电子世界》2020年8月,版权归《电子世界》编辑部所有。韩昊铮 电子科技大学 跟着中波红外探测器在军事探测、红外成像、红外制导等范畴研究潜力日益凸显,本文总结了比年来中波红外探测器的研究热点。主要先容了中波段高事情温度(High Operating Temperature,HOT)红外探测器和量子阱红外探测器(QWIP)的器件特性、质料布局和成长前景。

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中波红外探测器的先容 本文内容转载自《电子世界》2020年8月,版权归《电子世界》编辑部所有。韩昊铮 电子科技大学 跟着中波红外探测器在军事探测、红外成像、红外制导等范畴研究潜力日益凸显,本文总结了比年来中波红外探测器的研究热点。主要先容了中波段高事情温度(High Operating Temperature,HOT)红外探测器和量子阱红外探测器(QWIP)的器件特性、质料布局和成长前景。

中波红外是指在3 ~ 5 mm波段的红外线,该波段属于“大气窗口”,即大气对其的红外辐射透射身分许多。因此,中波红外探测器在大气监测、气体探测和红外反抗等多个方面都有着重要的感化。同时,中波红外在军用红外探测范畴具有重大研究价值,尤其是在红外热成像、红外制导方面研究前景辽阔。

本文总结比年来中波红外探测器的研究热点,先容三种类型的中波红外探测器:锑化物中波红外探测器、HgCdTe中波红外探测器和量子阱中波红外探测器。1 高事情温度中波红外探测器 通过对选择高机能质料、优化器件布局、改良质料生长和器件工艺,中波红外探测器事情温度(一般是液氮温度)可以提高到更高的温度(约150 K阁下),又被称之为HOT红外探测器。

HOT探测器的关键技能途径是降低暗电流。它比传统的中波红外探测器具有更高的靠得住性、更低的成本、更强的自主性和更小的体积。而HOT事情的主要问题是更高的事情温度会是现有的质料和器件的呈现更多的缺陷,发生更大的低频噪声。

因此研发高质量的质料、把握成熟的器件工艺技能(退火、刻蚀、外貌钝化、倒装互连等)和改良传统工艺对于研制HOT探测器十分重要。今朝,针对中波HOT红外探测器在海内外已经展开了大量的研究,包括nBn布局的InAsSb探测器和热电制冷的HgCdTe探测器等。1.1 锑化物中波红外探测器 美国洛克希德马丁公司的Maimon博士等人针对锑化物超晶格探测器举行了多年的研究,并于2006年发现了“n型锑化物超晶格-势垒-n型锑化物超晶格”(nBn)器件。nBn是一种典型的单极性器件,该器件操纵异质结质料能带差主要落在导带的特点,大都载流子电子的导电机能被宽禁带断绝层组成的势垒ΔEc来阻碍了。

通过节制偏压,耗尽区大部门位于宽禁带的势垒区,势垒区的发生-复合电流很是小,因此器件暗电流小,可以或许有高事情温度。接纳nBn InAsSb/AlAsSb体质料制备的中波红外焦平面阵列由以色列SCD公司研发。

该中波红外焦平面阵列的事情温度为150 K阁下,噪声等效温差NETD为20mK。nBn InAsSb/AlAsSb中波红外焦平面的主要有点事可调的器件响应波长、简朴的质料布局、易生长的高机能质料等,器件机能十分优越。

展开全文 图1 nBn布局能带图 出格的是,操纵InAs/InAsSb(无镓)型应变层超晶格(T2SLS)接收器的红外探测器的成长取得了巨大的进步。按照InAs/InAsSb超晶格中少数载频寿命较长,开辟处基于这种超晶格的各类红外探测器,包括MWIR探测器,以及偏置可选的双波段MWIR探测器。这种超晶格的红外探测器的布局包括一个n型接收体区域和n型打仗被宽带隙势垒(B)离隔。

势垒被设计成单极性的,延伸到导带中以反对大都载流子电子在任一偏向上的流动,同时在价带中没有阻碍少数载流子从接收体流向触点的流动。1.2 HgCdTe中波红外探测器 迄今在各类研究的红外质料中,HgCdTe体现出突出的杰出机能,好比有制冷速度快、事情温度高、响应速度快等特点。但同时质料也存在不少缺陷,其质料制备坚苦,质料不变性、耐辐射特性和晶体的匀称性差,倒霉于建造大型的焦平面阵列,器件工艺特殊、制品率低,因此探测器的成本居高不下。同时,有着较高的俄歇复合速率,地道电流和暗电流也较大,因此为了改善机能,经常将探测器在低温下事情,这使得器件在实现小型化、低成本和便携性方面有不少坚苦。

因此,如何缩小器件尺寸、降低成本、提高器件机能也是当前HgCdTe红外探测器研究的关键问题。比年来,接纳热电制冷的HOT红外探测器获得了飞速成长。热电制冷的道理是塞贝克效应:将直流事情电压加在热电制冷器两头,其正面制冷(冷端),反面发烧(热端)。在冷端粘接探测器,在热端固定金属散热块。

调治热电制冷器两头的电压差,可节制其制冷温度,使探测器在合适的事情温度不变事情。热电制冷红外探测器的响应率与事情温度负相关,热电制冷可以降低事情温度,从而减小探测器的噪声,提高其探测率和响应率。操纵一级或多级热电制冷的HOT红外探测器是一种兼顾非制冷型热探测器和制冷型光子探测器的长处的高机能探测器,而且其具有比非制冷型热探测器更高的探测率和更快的响应速度。2 量子阱中波红外探测器 量子阱红外探测器(QWIP)比年来也常被研究在中波红外波段的应用,具有杰出的应用前景。

凡是研究者操纵两层或三层叠加的非对称耦合量子阱(QWs)和对称量子阱来实现对中波红外和长波红外波段的多个红外辐射波段的检测,研究了很多差别类型的QWIP。与HgCdTe红外探测器比拟,QWIP探测器的量子效率相对较低,凡是低于10%。该探测器的光谱响应波段也很窄,其在全宽度夏半最大值约为15%。

所有截止波长为9 mm的QWIP数据在事情温度为77 K时,均集中在10 10 ~10 11 cm·Hz 1/2 /W -1 之间。相反,由于HgCdTe质料所涉及的问题(p型掺杂、Shockley-Read复合、陷阱辅助地道、外貌和界面不不变性),HgCdTe红外探测器在50K以下温度规模内的优势并不明明。这里先容一种多量子阱(MQW)布局的中波红外探测器。

多量子阱布局的每个周期由40Å耦合量子阱构成,包括10Å GaAs,20Å In 0.3 Ga 0.7 As和10ÅGaAs层(掺杂n = 1 × 10 18 cm -3 ),和在耦合量子阱之间的40Å未掺杂的In 0.3 Ga 0.7 As壁垒,以及一个400Å厚度的未掺杂的In 0.3 Ga 0.7 As壁垒。将很多沟通的周期(凡是为50个)毗连在一起可以增加光子接收。通过向GaAs和Si层掺杂,在探测器中提供基态电子。

这种光敏发光布局是夹在0.5 μm GaAs顶部和底部打仗层(掺杂n = 5 × 10 17 cm -3 )半绝缘性GaAs衬底上生长的分子束外延。然后300Å Al 0.3 Ga 0.7 As蚀刻遏制层上面一层厚0.7 μm GaAs笼罩层原位生长在高端设备制造的光耦合光学腔布局上。这种布局的探测器在有限的配景机能条件下,噪声等效微分温度在折痕积分时间内获得改善。

而且,跟着量子阱掺杂密度的增加,接收量子效率可以进一步提高到60 - 70%。因此,设备的操作温度会降低。3 总结 本文总结近十年对中波红外探测器的研究热点,主要是HOT红外探测器和量子阱红外探测器。出格的是,HOT红外探测器在中波红外波段的应用被科学家们遍及地研究,包括nBnInAsSb/AlAsSb体质料制备的中波红外焦平面阵列和热电制冷型HgCdTe红外探测器等研究结果。

HOT红外探测器与传统的中波红外探测器比拟,具有更小的暗电流、更高的量子效率和更高的事情温度等长处。另外,量子阱红外探测器在50 K以下比拟HgCdTe红外探测器比拟更具有优势,因而也被科学家们大量研究。9月18日至20日,由麦姆斯咨询主办的《第26期“见微知著”培训课程:红外探测器焦点技能》 在无锡开课,涉及额温枪、额温枪、热像仪焦点元器件,主要内容包括:(1)红外探测与成像技能综述;(2)微测辐射热计探测器;(3)热释电探测器;(4)微悬臂梁探测器;(5)光学超构质料红外探测器;(6)热电堆探测器;(7)量子点红外探测器(QDIP);(8)碲镉汞探测器;(9)Ⅱ类超晶格探测器。返回,检察更多。


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