紫外增强硅基成像探测器进展

硅基紫外成像探测技术具有可靠性好、集成度高、容易大面阵化、成本低等优势,成为探测领域的重要研究方向。随着硅半导体工艺的持续进步以及纳米科学的发展,利用半导体技术、荧光转换材料或者低维纳米结构来增强硅基探测器的紫外响应取得了长足的进步。本文综述了国内外硅基紫外增强成像探测器件、系统应用的进展,通过回顾器件发展的历史和对研究现状的分析,并结合紫外探测技术在天文物理、生化分析、电晕检测等领域的应用进展,探讨了硅基紫外成像探测技术发展的趋势和挑战。     

硫汞族量子点红外光电探测技术

受限于复杂的分子束外延生长及倒装键合工艺,现有块体半导体红外探测器成本高昂、工艺复杂、极大制约了成像阵列规模和分辨率的进一步提升。胶体量子点作为一种新兴的半导体纳米晶体材料,因“量子限域”效应,能够实现宽谱段范围内的精准带隙调控。同时,胶体量子点可通过液相化学合成方法低成本大批量制备。此外,胶体量子点的液相加工工艺使得其可以与硅基读出电路进行直接片上电学耦合,突破了倒装键合工艺限制。因此,胶体量子点在红外探测及成像领域展现了巨大的应用前景。其中硫汞族量子点具有探测波段范围宽、物性调控易及便于硅基集成等优势,先后实现了中波红外背景限探测、双色探测及焦平面阵列成像等,在红外光电技术展示了巨大的潜力。本综述总结了近年来硫汞族胶体量子点红外光电探测技术的研究现状,并对其未来发展方向进行了展望。     

半导体红外量子点发展现状与前景

半导体量子点具有独特的光学与电学性质,特别是红外量子点良好的光稳定性和生物相容性等优点使其在光电器件、生物医学等领域受到广泛关注。综述了吸收或发射光谱位于红外波段的量子点在激光、能源、光电探测以及生物医学等方面的应用现状与前景,归纳了适用于红外量子点材料的制备方法,并对比了不同方法在应用中的优势。半导体红外量子点材料选择丰富、应用形式多样:InAs量子点被动锁模激光器在1.3 μm波长处产生7.3 GHz的近衍射极限脉冲输出;InAs/GaAs量子点双波长激光器可泵浦产生0.6 nW的THz波;PbS量子点掺杂光纤放大器可在1.53 μm中心波长处实现10.5 dB光增益,带宽160 nm;CdSeTe量子点敏化太阳能电池、异质结Si基量子点太阳能电池的总转换效率可达8%和14.8%;胶质HgTe量子点制成的量子点红外探测器(QDIP)可实现3 μm~5 μm中波红外探测,Ge/Si量子点可实现3 μm~7 μm红外探测;CdTe/ZnSe核壳量子点可用于检测DNA序列的损伤与突变。半导体红外量子点上述应用形式的发展,将进一步促进红外光电系统向高效、快速、大规模集成的方向演进,也将极大地促进临床医学中活体成像检测的应用推广。     

成像光谱偏振仪研究进展

成像光谱偏振仪是一类同时具有成像、光谱测量和偏振测量功能的新型光电传感器.介绍了成像光谱偏振仪的原理,对近些年来国内外成像光谱偏振仪的研究进展进行了总结,对基于声光可调谐滤光片、液晶可调谐滤光片等新器件的成像光谱偏振仪和通过在狭缝色散型、空间调制傅里叶变换型和层析型成像光谱仪的光路中添加偏振器件构成的成像光谱偏振仪的原...     

静态调制的光谱偏振成像系统

针对传统光谱偏振成像系统普遍存在的系统结构复杂、需要动态调制、光通量低等问题,提出一种基于静态调制的光谱偏振成像系统,将静态调制偏振探测方法与Savart偏光镜干涉成像原理相结合,可在成像过程中实时获取目标的光谱信息和全部四个Stokes偏振信息。与传统系统相比较,该系统具有无运动部件、无需动态电控调制、没狭缝限制、光通量大等优点。介绍了系统组成和基本原理,搭建了实验装置,实验装置包括二次成像光学系统、偏振调制模块、干涉成像模块、CCD图像采集及数据处理模块等,成像谱段范围为可见光近红外(480~950 nm)。利用实验装置对白板、飞机玩具模型进行了成像实验,验证了该系统的光谱偏振成像数据获取能力。对静态调制的偏振测量精度进行了验证,偏振测量统计误差小于5%。实验结果验证了系统原理的正确性和可行性,获取的光谱偏振成像数据在目标识别、目标分类、遥感探测等方面具有较高的应用价值。     

基于近红外胶体量子点阵列和光谱重构算法检测多种化学物质的方法研究

在众多化学物质检测技术手段中,红外检测技术由于具有非破坏性、灵敏度高、检测速度快、准确性好等特点,广泛应用于化工、生物医学、食品安全等领域。量子点光谱仪是使用量子点代替光栅作为分光器件,结合阵列探测器及光谱重构算法实现光谱检测的新型微型光谱仪,具有体积小、成本低等优点。为了进一步提升现有量子点光谱仪和量子点器件检测化学物质的普适性,为微小型近红外分光器件研制提供有效技术途径,以危险化学品乙醇、化学战剂模拟剂甲基膦酸二甲酯、二氯甲烷为目标物,通过将多种量子点材料与紫外固化胶混合后沉积在RGB点阵模块并固化,制备了发射光谱波段为900～1 600 nm的近红外胶体量子点阵列。采用经验模态分解方法提取输入光谱的高频信号以减小随机噪声干扰,并基于最小二乘法建立了相应光谱重构算法。实验结果表明,近红外胶体量子点阵列制备方法简单,成本低、稳定性较好。具有144条光谱通道的近红外胶体量子点阵列实现的重构光谱分辨率可以达到4.861 nm,与标准吸收光谱相比,其特征峰最小偏差仅为0.043%。因此,使用近红外胶体量子点阵列结合光谱重构算法可以实现气态、液态目标物的光谱重构和检测识别。未来,通过增加阵列数量可有效提升重构光谱的光谱分辨率;通过增加所选量子点材料,还可以实现从紫外到红外波段范围内的光谱检测;通过优化检测光路和重构算法参数提高目标物检测信噪比。     

量子点红外探测器的特性与研究进展

半导体材料红外探测器的研究一直吸引人们非常广泛的兴趣．以量子点作为有源区的红外探测器从理论上比传统量子阱红外探测器具有更大的优势．文章讨论了量子点红外探测器几个重要的优点，包括垂直入射光响应、高光电导增益、更低的暗电流、更高的响应率和探测率，等等．此外，报道了量子点红外探测器研究中一些最新的实验结果．在此基础上，分析了现存问题，并提出了进一步提高器件性能的几种可能途径．     

远紫外像增强器光谱响应特性研究

利用星载光学仪器对极光在远紫外波段进行形态探测是研究沉降粒子能量等空间环境参数的重要手段,而远紫外像增强器是进行空间极光远紫外形态探测仪器中所必不可少的光电成像器件,其性能的优劣将直接影响整个仪器的工作情况,其中光谱响应特性是像增强器的重要的特性之一。采用同步辐射真空紫外波段光作为光源,利用光电倍增管和硅光二极管分别测量同步辐射和像增强器光强,我们对研制的远紫外像增强器在135～250 nm波段范围进行了光谱响应测试,测试结果表明该器件在140～190 nm范围内有较好的响应,响应峰值在160 nm左右,符合远紫外极光成像探测的应用要求。     

固态微光实时偏振成像集成技术

高性能的微光夜视探测是光电探测未来的发展方向。本文针对在微弱光照射情况下,因为感光度不足而使得获得的偏振图像存在较大误差的问题,提出了一种固态微光实时偏振成像集成技术。通过引入白光通道和4个偏振方向的8个偏振通道,可在电子倍增CCD(EMCCD)微光器件上实现偏振和微光探测的集成。经试验验证,该技术获取的偏振信息准确度较高,且无偏振单元,使得器件的最低工作照度不被降低,器件同时具备微光-偏振探测功能,除可大幅提高探测器件对目标的探测识别能力外,还具有加工难度低、成本低等优点。     

硅基光电集成器件研究进展

随着器件结构与制作工艺的不断创新与完善，硅基发光器件已经可以实现室温下的有效工作，外量子效率可达到0．1％；低功耗的硅基高速调制器件的调制速率达到1GHz以上；而硅基光探测器对1300nm与1550nm波长的探测响应度也已分别达到了0．16mA／W和0．08mA／W．文章对硅基光电器件的研究进展情况进行了概述，并着重对几种器件的结构及工作原理进行了分析．     

量子点液晶显示背光技术

量子点材料兼具极高的色纯度、发光颜色可调以及的荧光量子产率高等特点,已成为显示领域中的明星材料,在提升显示器件的色域方面具有巨大潜力。基于量子点材料的液晶显示背光技术是目前量子点材料在显示器件中的主流应用方向,引起了学术界和工业界的广泛关注。本文将综述量子点液晶显示背光技术的研究进展,主要包括量子点材料的选择、背光结构的应用以及材料复合与封装技术的发展现状,重点介绍了目前产业界广泛关注的量子点光学膜技术,特别是国内自主知识产权的低成本钙钛矿量子点光学膜技术,由于其具备广色域(124%NTSC)、易加工、低成本等特点,已成为具有成长潜力的技术路线。     

基于量子点的荧光型太阳能聚光器

近年来,量子点在结构可控、光谱调节和光学稳定方面的研究进展,表明基于量子点的聚光器件表现出优于基于传统有机染料分子的光输出性能。量子点聚光器成为目前量子点研究领域的新方向。量子点在宏量制备和绿色制备方面的深入研究,使得量子点的制造成本逐步降低,基于量子点的聚光器具有光电转换效率和成本上的优势。本文综述了量子点聚光器的研究进展,主要包括荧光型聚光器的优点、聚光器对量子点光学性质的要求、器件制备的工艺和器件的性能表征方法。重点阐述了量子点的太阳光吸收能力、荧光量子产率和重吸收等关键因素对聚光器件性能的影响,同时介绍了该领域目前最新的研究方向,展望了廉价太阳能窗户在未来城镇建筑上的潜在应用。     

Characteristics and developments of quantum-dot infrared photodetectors

Quantum dots infrared photodetectors (QDIPs) theoretically have several advantages compared with quantum wells infrared photodetectors (QWIPs). In this paper, we discuss the theoretical advantages of QDIPs including the normal incidence response, lower dark current, higher responsivity and detectivity, etc. Recent device fabrication and experiment results in this field are also presented. Based on the analysis of existing problems, some approaches that would improve the capability of the device are pointed out.     

近红外量子点的发光机理研究

近红外量子点具有独特的光学性质,如荧光量子产率高,荧光寿命长,荧光发射波长可调,半峰宽窄且斯托克斯位移较大,耐光漂白能力强等, 及“近红外生物窗口”的优势,使它们在生物荧光标记、太阳能电池、量子化计算、光催化、化学分析、食品检测及活体成像等领域具有巨大的潜在应用价值。目前对近红外量子点的发光机理研究还不够完善,针对国内外的研究现状,重点对核/壳结构的量子点(CdTe/CdSe,CdSe/CdTe/ZnSe等)、三元量子点(Cu-In-Se,CuInS₂等)和掺杂型量子点(Cu∶InP等)三种不同类型近红外量子点的发光机理进行了综述。其中,Type-Ⅱ型核/壳结构量子点的发光机理多为带间复合发光,三元量子点以本征缺陷型发光为主,掺杂型量子点多为杂质缺陷型发光。探讨了近红外量子点发光原理存在的问题及发展的方向。对近红外量子点的发光机理进行系统地研究不仅有助于我们理解近红外量子点的发光性质,而且对完善相似高品质量子点的合成方法具有重要意义。     

Ge/Si photodetectors and group IV alloy based photodetector materials

Photodetectors using Si, Ge and their alloys with other group IV elements are of current interest for application in telecommunication as well as in optical interconnects. We have presented in this paper our work on resonant cavity enhanced Si/SiGe multiple Quantum Well and Ge Schottky photodetectors. Calculated values of external quantum efficiency for GeSiC based photodetectors are also reported. Tensile strained Ge layers grown with suitable barriers show direct gap type I band alignment. Predicted performance of photodetectors using strong Quantum Confined Stark Effect and Franz-Keldysh Effect in these structures and properties related to photodetection using these new materials are also described.     

Infrared photodetection with semiconductor self-assembled quantum dots

Semiconductor self-assembled quantum dots are potential candidates to develop a new class of midinfrared quantum photodetectors and focal plane arrays. In this article, we present the specific midinfrared properties of InAs/GaAs quantum dots associated with the intersublevel transitions. The electronic structure, which accounts for the strain field in the islands, is obtained within the framework of a three-dimensional 8 band k.p formalism. The midinfrared intersublevel absorption in n-doped quantum dots is described. We show that the carrier dynamics can be understood in terms of polarons which result from the strong coupling regime for the electron–phonon interaction in the dots. The principle of operation of vertical and lateral quantum dot infrared photodetectors is described and discussed by comparison with quantum well infrared photodetectors. We review the performances of different type of detectors developed to date and finally give some orientation to realize high performance quantum dot infrared photodetectors. To cite this article: P. Boucaud, S. Sauvage, C. R. Physique 4 (2003).     

Fluorinated Boron Nitride Quantum Dots: A New 0D Material for Energy Conversion and Detection of Cellular Metabolism

Quantum dots encompass a broad spectrum of optical, catalytic, and electrochemical properties bringing in novel applications in catalysis, imaging, displays, and optoelectronics. Herein, the unanticipated broad‐spectrum light absorption and high fluorescence quantum yield in fluorinated boron nitride (FBN) quantum dots are discussed. A heterostructure of FBN quantum dots with a wide‐bandgap semiconductor, titania nanotube arrays, exhibits high photocatalytic activity as evidenced by high external quantum efficiency extending from ultraviolet to green region of the solar spectrum (≈24% at 400 nm). The high activity is confirmed using photoelectrochemical hydrogen evolution experiments. Further, it is demonstrated that high fluorescence quantum yield could be tapped for the detection of glycolytic activity in cancer cells compared to normal cells. This finding could shift the paradigm of molecular detection using quantum dots. The 0D structure and the gap states introduced through fluorination are believed to be responsible for these unprecedented characteristics of boron nitride.     

Nanostructures with Ge–Si quantum dots for infrared photodetectors

In this paper questions of optimization of growth conditions in the method of molecular beam epitaxy for creation of high-efficient quantum dot infrared photodetectors are considered. As a model material system for theoretical investigations, heterostructures with germanium-silicon quantum dots on the silicon surface are chosen. For calculations of the dependencies of quantum dots array parameters on synthesis conditions the kinetic model of growth of differently shaped quantum dots based on the general nucleation theory is proposed. The theory is improved by taking into account the change in free energy of nucleation of an island due to the formation of additional edges of islands and due to the dependence of surface energies of facets of quantum dots on the thickness of a 2D wetting layer during the Stranski–Krastanow growth. Calculations of noise and signal characteristics of infrared photodetectors based on heterostructures with quantum dots of germanium on silicon are done. Dark current in such structures caused by thermal emission and barrier tunneling of carriers, as well as detectivity of the photodetector in the approximation of limitation by generation-recombination noises are estimated. Moreover, the presence of dispersion of quantum dots by size is taken into account in the calculations of the generation-recombination noises. Results of calculations of the properties of structures with quantum dots and their dependencies on growth parameters, as well as the characteristics of quantum dot photodetectors are presented. Comparison of the estimated parameters of quantum dots ensembles and the characteristics of quantum dot photodetectors with experimental data is carried out.     

硅基底石墨烯器件的现状及发展趋势

石墨烯是一种由单层碳原子紧密排列而形成的具有蜂窝状结构的二维晶体材料,特殊的结构赋予了其优异的性能,如高载流子迁移率、电导率、热导率、力学强度以及量子反常霍尔效应.由于石墨烯优异的特性,迅速激起了人们对石墨烯研究以及应用的热情.石墨烯沉积或转移到硅片后,其器件构建与集成和传统硅基半导体工艺兼容.基于石墨烯的硅基器件与硅基器件的有机结合,可以大幅度提高半导体器件的综合性能.随着石墨烯制备工艺和转移技术的优化,硅基底石墨烯器件将呈现出潜在的、巨大的实际应用价值.随着器件尺寸的纳米化,器件的发热、能耗等问题成为硅基器件与集成发展面临的瓶颈问题,石墨烯的出现为解决这些问题提供了一种可能的解决方案.本文综述了石墨烯作为场效应晶体管研究的进展,为解决石墨烯带隙为零、影响器件开关比的问题,采用了量子限域法、化学掺杂法、外加电场调节法和引入应力法.在光电器件研究方面,石墨烯可以均匀吸收所有频率的光,其光电性能也受到了广泛的关注,如光电探测器、光电调制器、太阳能电池等.同时,石墨烯作为典型的二维材料,其优越的电学性能以及超高的比表面积,使其作为高灵敏度传感器的研究成为纳米科学研究的前沿和热点领域.