總結(jié)近十年對(duì)中波紅外探測(cè)器的研究熱點(diǎn)

隨著中波紅外探測(cè)器在軍事探測(cè)、紅外成像、紅外制導(dǎo)等領(lǐng)域研究潛力日益凸顯，本文總結(jié)了近年來(lái)中波紅外探測(cè)器的研究熱點(diǎn)。主要介紹了中波段高工作溫度（High Operating Temperature，HOT）紅外探測(cè)器和量子阱紅外探測(cè)器（QWIP）的器件特性、材料結(jié)構(gòu)和發(fā)展前景。

中波紅外是指在3 ~ 5 mm波段的紅外線，該波段屬于“大氣窗口”，即大氣對(duì)其的紅外輻射透射成分很多。因此，中波紅外探測(cè)器在大氣監(jiān)測(cè)、氣體探測(cè)和紅外對(duì)抗等多個(gè)方面都有著重要的作用。同時(shí)，中波紅外在軍用紅外探測(cè)領(lǐng)域具有重大研究?jī)r(jià)值，尤其是在紅外熱成像、紅外制導(dǎo)方面研究前景廣闊。本文總結(jié)近年來(lái)中波紅外探測(cè)器的研究熱點(diǎn)，介紹三種類型的中波紅外探測(cè)器：銻化物中波紅外探測(cè)器、HgCdTe中波紅外探測(cè)器和量子阱中波紅外探測(cè)器。

1高工作溫度中波紅外探測(cè)器

通過對(duì)選擇高性能材料、優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)、改進(jìn)材料生長(zhǎng)和器件工藝，中波紅外探測(cè)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(cè)器。HOT探測(cè)器的關(guān)鍵技術(shù)途徑是降低暗電流。它比傳統(tǒng)的中波紅外探測(cè)器具有更高的可靠性、更低的成本、更強(qiáng)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(huì)是現(xiàn)有的材料和器件的出現(xiàn)更多的缺陷，產(chǎn)生更大的低頻噪聲。因此研發(fā)高質(zhì)量的材料、掌握成熟的器件工藝技術(shù)（退火、刻蝕、表面鈍化、倒裝互連等）和改進(jìn)傳統(tǒng)工藝對(duì)于研制HOT探測(cè)器十分重要。目前，針對(duì)中波HOT紅外探測(cè)器在國(guó)內(nèi)外已經(jīng)展開了大量的研究，包括nBn結(jié)構(gòu)的InAsSb探測(cè)器和熱電制冷的HgCdTe探測(cè)器等。

1.1銻化物中波紅外探測(cè)器

美國(guó)洛克希德馬丁公司的Maimon博士等人針對(duì)銻化物超晶格探測(cè)器進(jìn)行了多年的研究，并于2006年發(fā)明了“n型銻化物超晶格-勢(shì)壘-n型銻化物超晶格”（nBn）器件。nBn是一種典型的單極性器件，該器件利用異質(zhì)結(jié)材料能帶差主要落在導(dǎo)帶的特點(diǎn)，多數(shù)載流子電子的導(dǎo)電性能被寬禁帶隔離層構(gòu)成的勢(shì)壘ΔEc來(lái)阻礙了。通過控制偏壓，耗盡區(qū)大部分位于寬禁帶的勢(shì)壘區(qū)，勢(shì)壘區(qū)的產(chǎn)生-復(fù)合電流非常小，因此器件暗電流小，能夠有高工作溫度。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(fā)。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(diǎn)事可調(diào)的器件響應(yīng)波長(zhǎng)、簡(jiǎn)單的材料結(jié)構(gòu)、易生長(zhǎng)的高性能材料等，器件性能十分優(yōu)越。

圖1 nBn結(jié)構(gòu)能帶圖

特別的是，利用InAs/InAsSb（無(wú)鎵）型應(yīng)變層超晶格（T2SLS）吸收器的紅外探測(cè)器的發(fā)展取得了巨大的進(jìn)步。根據(jù)InAs/InAsSb超晶格中少數(shù)載頻壽命較長(zhǎng)，開發(fā)處基于這種超晶格的各種紅外探測(cè)器，包括MWIR探測(cè)器，以及偏置可選的雙波段MWIR探測(cè)器。這種超晶格的紅外探測(cè)器的結(jié)構(gòu)包括一個(gè)n型吸收體區(qū)域和n型接觸被寬帶隙勢(shì)壘（B）隔開。勢(shì)壘被設(shè)計(jì)成單極性的，延伸到導(dǎo)帶中以阻擋多數(shù)載流子電子在任一方向上的流動(dòng)，同時(shí)在價(jià)帶中沒有阻礙少數(shù)載流子從吸收體流向觸點(diǎn)的流動(dòng)。

1.2 HgCdTe中波紅外探測(cè)器

迄今在各種研究的紅外材料中，HgCdTe表現(xiàn)出突出的良好性能，比如有制冷速度快、工作溫度高、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)。但同時(shí)材料也存在不少缺陷，其材料制備困難，材料穩(wěn)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(cè)器的成本居高不下。同時(shí)，有著較高的俄歇復(fù)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(cè)器在低溫下工作，這使得器件在實(shí)現(xiàn)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(dāng)前HgCdTe紅外探測(cè)器研究的關(guān)鍵問題。

近年來(lái)，采用熱電制冷的HOT紅外探測(cè)器得到了飛速發(fā)展。熱電制冷的原理是塞貝克效應(yīng)：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(fā)熱（熱端）。在冷端粘接探測(cè)器，在熱端固定金屬散熱塊。調(diào)節(jié)熱電制冷器兩端的電壓差，可控制其制冷溫度，使探測(cè)器在合適的工作溫度穩(wěn)定工作。熱電制冷紅外探測(cè)器的響應(yīng)率與工作溫度負(fù)相關(guān)，熱電制冷可以降低工作溫度，從而減小探測(cè)器的噪聲，提高其探測(cè)率和響應(yīng)率。利用一級(jí)或多級(jí)熱電制冷的HOT紅外探測(cè)器是一種兼顧非制冷型熱探測(cè)器和制冷型光子探測(cè)器的優(yōu)點(diǎn)的高性能探測(cè)器，并且其具有比非制冷型熱探測(cè)器更高的探測(cè)率和更快的響應(yīng)速度。

2量子阱中波紅外探測(cè)器

量子阱紅外探測(cè)器（QWIP）近年來(lái)也常被研究在中波紅外波段的應(yīng)用，具有良好的應(yīng)用前景。通常研究者利用兩層或三層疊加的非對(duì)稱耦合量子阱（QWs）和對(duì)稱量子阱來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)中波紅外和長(zhǎng)波紅外波段的多個(gè)紅外輻射波段的檢測(cè)，研究了許多不同類型的QWIP。與HgCdTe紅外探測(cè)器相比，QWIP探測(cè)器的量子效率相對(duì)較低，通常低于10%。該探測(cè)器的光譜響應(yīng)波段也很窄，其在全寬度夏半最大值約為15%。所有截止波長(zhǎng)為9 mm的QWIP數(shù)據(jù)在工作溫度為77 K時(shí)，均集中在1010～1011cm·Hz1/2/W-1之間。相反，由于HgCdTe材料所涉及的問題（p型摻雜、Shockley-Read復(fù)合、陷阱輔助隧道、表面和界面不穩(wěn)定性），HgCdTe紅外探測(cè)器在50K以下溫度范圍內(nèi)的優(yōu)勢(shì)并不明顯。

這里介紹一種多量子阱（MQW）結(jié)構(gòu)的中波紅外探測(cè)器。多量子阱結(jié)構(gòu)的每個(gè)周期由40?耦合量子阱組成，包括10? GaAs，20? In0.3Ga0.7As和10?GaAs層（摻雜n = 1 × 1018 cm-3），和在耦合量子阱之間的40?未摻雜的In0.3Ga0.7As壁壘，以及一個(gè)400?厚度的未摻雜的In0.3Ga0.7As壁壘。將許多相同的周期（通常為50個(gè)）連接在一起可以增加光子吸收。通過向GaAs和Si層摻雜，在探測(cè)器中提供基態(tài)電子。這種光敏發(fā)光結(jié)構(gòu)是夾在0.5 μm GaAs頂部和底部接觸層（摻雜n = 5 × 1017 cm-3）半絕緣性GaAs襯底上生長(zhǎng)的分子束外延。然后300? Al0.3Ga0.7As蝕刻停止層上面一層厚0.7 μm GaAs覆蓋層原位生長(zhǎng)在高端設(shè)備制造的光耦合光學(xué)腔結(jié)構(gòu)上。這種結(jié)構(gòu)的探測(cè)器在有限的背景性能條件下，噪聲等效微分溫度在折痕積分時(shí)間內(nèi)得到改善。并且，隨著量子阱摻雜密度的增加，吸收量子效率可以進(jìn)一步提高到60 - 70%。因此，設(shè)備的操作溫度會(huì)降低。

3總結(jié)

本文總結(jié)近十年對(duì)中波紅外探測(cè)器的研究熱點(diǎn)，主要是HOT紅外探測(cè)器和量子阱紅外探測(cè)器。特別的是，HOT紅外探測(cè)器在中波紅外波段的應(yīng)用被科學(xué)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(cè)器等研究成果。HOT紅外探測(cè)器與傳統(tǒng)的中波紅外探測(cè)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(yōu)點(diǎn)。另外，量子阱紅外探測(cè)器在50 K以下相比HgCdTe紅外探測(cè)器相比更具有優(yōu)勢(shì)，因而也被科學(xué)家們大量研究。