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介紹中波紅外探測器的研究熱點

2022-03-07 10:00:41

介紹中波紅外探測器的研究熱點


隨著中波紅外探測器在遠距探測、紅外成像等領域研究潛力日益凸顯,本文總結了近年來中波紅外探測器的研究熱點。主要介紹了高工作溫度(High Operating Temperature,HOT)中波紅外探測器和量子阱紅外探測器(QWIP)的器件特性、材料結構和發展前景。


中波紅外探測器是指在響應波段在3 ~ 5 μm的紅外輻射,該波段屬于大氣窗口,即大氣對其的紅外輻射透射很多。因此,中波紅外探測器在大氣監測、氣體探測等多個方面都有著重要的作用。同時,中波紅外在遠距離紅外探測領域具有重大研究價值,尤其是在高質量紅外熱成像方面研究前景廣闊。本文總結近年來中波紅外探測器的研究熱點,介紹三種類型的中波紅外探測器:銻化物中波紅外探測器、HgCdTe中波紅外探測器和量子阱中波紅外探測器。


高工作溫度HOT中波紅外探測器

通過對選擇高性能材料、優化器件結構、改進材料生長和器件工藝,中波紅外探測器工作溫度(一般是液氮溫度)可以提高到更高的溫度(約150 K左右),又被稱之為HOT紅外探測器。HOT探測器的關鍵技術途徑是降低暗電流。它比傳統的中波紅外探測器具有更高的可靠性、更低的成本、更強的自主性和更小的體積。


而HOT工作的主要問題是更高的工作溫度會是現有的材料和器件的出現更多的缺陷,產生更大的低頻噪聲。因此研發高質量的材料、掌握成熟的器件工藝技術(退火、刻蝕、表面鈍化、倒裝互連等)和改進傳統工藝對于研制HOT探測器十分重要。目前,針對中波HOT紅外探測器在國內外已經展開了大量的研究,包括nBn結構的InAsSb探測器和熱電制冷的HgCdTe探測器等。


1.1 銻化物中波紅外探測器

美國洛克希德馬丁公司的Maimon博士等人針對銻化物超晶格探測器進行了多年的研究,并于2006年發明了銻化物超晶格勢壘紅外探測器。是一種典型的單極性器件,通過控制偏壓,耗盡區大部分位于寬禁帶的勢壘區,勢壘區的產生復合電流非常小,因此器件暗電流小,能夠高溫工作。


采用nBn InAsSb/AlAsSb體材料制備的中波紅外焦平面陣列由以色列SCD公司研發。該中波紅外焦平面陣列的工作溫度為150 K左右,噪聲等效溫差NETD為20mK。nBn InAsSb/AlAsSb中波紅外焦平面的主要有點事可調的器件響應波長、簡單的材料結構、易生長的高性能材料等,器件性能十分優越。



1.2 HgCdTe中波紅外探測器

迄今在各種研究的紅外材料中,HgCdTe表現出突出的良好性能,比如有制冷速度快、工作溫度高、響應速度快等特點。但同時材料也存在不少缺陷,其材料制備困難,材料穩定性、耐輻射特性和晶體的均勻性差,不利于制作大型的焦平面陣列,器件工藝特殊、成品率低,因此探測器的成本居高不下。同時,有著較高的俄歇復合速率,隧道電流和暗電流也較大,因此為了改善性能,常常將探測器在低溫下工作,這使得器件在實現小型化、低成本和便攜性方面有不少困難。因此,如何縮小器件尺寸、降低成本、提高器件性能也是當前HgCdTe紅外探測器研究的關鍵問題。


近年來,采用熱電制冷的HOT紅外探測器得到了飛速發展。熱電制冷的原理是塞貝克效應:將直流工作電壓加在熱電制冷器兩端,其正面制冷(冷端),背面發熱(熱端)。在冷端粘接探測器,在熱端固定金屬散熱塊。調節熱電制冷器兩端的電壓差,可控制其制冷溫度,使探測器在合適的工作溫度穩定工作。熱電制冷紅外探測器的響應率與工作溫度負相關,熱電制冷可以降低工作溫度,從而減小探測器的噪聲,提高其探測率和響應率。利用一級或多級熱電制冷的HOT紅外探測器是一種兼顧非制冷型熱探測器和制冷型光子探測器的優點的高性能探測器,并且其具有比非制冷型熱探測器更高的探測率和更快的響應速度。


量子阱中波紅外探測器

量子阱紅外探測器(QWIP)近年來也常被研究在中波紅外波段的應用,具有良好的應用前景。通常研究者利用兩層或三層疊加的非對稱耦合量子阱(QWs)和對稱量子阱來實現對中波紅外和長波紅外波段的多個紅外輻射波段的檢測,研究了許多不同類型的QWIP。與HgCdTe紅外探測器相比,QWIP探測器的量子效率相對較低。但是,量子阱紅外探測器在50 K以下,相比HgCdTe紅外探測器更具有優勢。


總結

 近十年對中波紅外探測器的研究熱點,主要是HOT紅外探測器和量子阱紅外探測器。特別的是,HOT紅外探測器在中波紅外波段的應用被科學家們廣泛地研究,包括nBnInAsSb/AlAsSb體材料制備的中波紅外焦平面陣列和熱電制冷型HgCdTe紅外探測器等研究成果。HOT紅外探測器與傳統的中波紅外探測器相比,具有更小的暗電流、更高的量子效率和更高的工作溫度等優點。另外,量子阱紅外探測器在50 K以下相比HgCdTe紅外探測器相比更具有優勢,因而也被科學家們大量研究。

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