二维材料异质结高灵敏度红外探测器

要想实现弱光探测,需要探测器具有高灵敏度。石墨烯、过渡金属硫化物、黑磷等二维材料因具有宽光谱吸收、带隙可调、高载流子迁移率等良好的光学与电学性能,广泛应用于红外探测器的制作,然而这些材料存在弱光吸收、载流子迁移率低、空气稳定性差等问题,制约了其在高灵敏度红外探测领域的应用。同单一的二维材料相比,二维材料异质结不仅具有各单一材料的特点,而且由于两种材料的结合展现出新颖的物理特性,近年来在高灵敏度红外探测领域得到了广泛研究。本文基于影响灵敏度的主要因素,分析总结了提高红外探测器灵敏度的主要策略,回顾了近几年基于二维材料异质结高灵敏度红外探测器的发展,总结了其主要性能指标,最后指出了进一步提升红外探测灵敏度所面临的挑战,从如何平衡探测器响应度与响应速度、大面积二维异质结制备、异质结界面优化利用等方面展望了如何获得综合性能良好的高灵敏度红外探测器以及实现探测器商业应用,以期对高灵敏度红外探测领域的发展提供一定的指导意见。     

红外光电探测技术研究现状及展望(特邀)

红外探测技术在激光测距、成像、遥感、夜视等领域有重要应用,降低红外光电探测器的尺寸、重量、功耗和成本,以及提高探测器的性能是目前的研究重点。本文综述了红外探测器技术的发展历程、工作原理及研究现状并对其未来发展方向进行了展望。内容主要涵盖基于碲镉汞、Ⅱ类超晶格、量子阱、量子点、硅基锗锡等材料的光子型红外光电探测器及其阵列。红外系统成本降低最终取决于在常温条件下耗尽电流限探测器阵列像素密度是否与系统光学元件的背景极限和衍射极限性能匹配,选择HgCdTe、Ⅱ类超晶格和胶体量子点等材料可提高光子探测器室温性能。各种红外探测器在性能方面各具特色,在实际应用中互为补充。     

具有变革性特征的红外光电探测器

现代红外光电探测技术有着近八十年的历史.从二战期间第一个可实用PbS红外探测器到第三代红外光电探测器概念的提出,红外光电探测技术经历了翻天覆地的变化.以碲镉汞、锑化铟、铟镓砷为代表的传统红外光电探测器已在军事、遥感、通信、生命科学和宇宙探索等领域发挥着至关重要的作用.随着人类对光电探测不断增长的需求,尤其近几年来在人工智能、大数据、智慧城市等方面对红外信息的探测和智能感知有着强烈的需求,大幅降低红外光电探测器的尺寸(size)、重量(weight)、功耗(power)和价格(price),以及提高探测器的性能(performance)迫在眉睫.因此,要满足上述需求,必须要寻找具有变革性特征的红外光电探测器件.当前红外探测器正处于新旧更迭的时代,一大批新型红外光电探测器涌出.本文系统地介绍了一些具有变革性特征的红外探测器前沿内容,主要包括:人工光子微结构调控的新型红外探测器、基于能带工程的红外探测器、新型低维材料红外探测器,以及传统红外探测器的新方向.最后,展望了红外光电探测未来发展面临的机遇和挑战.     

我国第一支量子阱红外探测器

量子阱红外探测器是一种新型红外探测器.它是利用新型半导体超晶格量子阱材料的子能带光跃迁的红外吸收特性制成的.它具有响应快、灵敏度高、可变波长、可变带宽等特点,并有实现大面积集成和制作大面积二维象素列阵的实际可能性,将成为新一代红外探测器件,在未来五到十年内可能引起红外物理、红外光电子学及其应用领域的变革.两年前,美国贝尔实验室已研制出可与历史悠久的HgCdTe红外探测器性能相比较的GaAs/AlGaAs量子阱探测器. 中国科学院物理研究所从1989年开始,就在器件材料生长、器件物理、器件工艺及器件的性能测试等方面,着手进行…     

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．     

用于红外探测器的高红外吸收率结构研究进展

高红外吸收是实现高灵敏度红外探测器的一个重要途径。探测器的响应率与热吸收率紧密相关。高红外吸收将提升红外探测器的探测性能。鉴于高吸收率的重要性,对国内外研究中典型的高红外吸收结构的研究进展进行介绍。目前典型新型高吸收结构有基于新型材料(如超材料)的高吸收结构和基于金属光栅高吸收结构。研究表明这些结构在某些波段可实现近100%的完美吸收,是发展高灵敏探测器的新途径。     

铁电体介电常数和热电系数的测量

自从1920年观察到罗息盐(NaKC4H4O6·4H2O)的电滞回线以来[1],已经发现数以百计的铁电材料.最近几年还不断观察到许多材料具有铁电性质,并在不少的领域得到应用.例如,用作热电红外探测器、电光调制晶体、全息存贮和光纤通讯材料等.当作为红外探测器材料时,需要测量铁电晶体的介电、热电和热学性能,因用于不同频段的探测器的材料优值因子都与这些量有关,所以精确测量铁电体的介电、热电性能也是深入研究热电红外探测器的必要手段之一. 一、电滞回线显示1.照相记录 图1表示测量电滞回线的电滞电桥原理图[2,3]。Cx表示待测的铁电晶体做成的…     

微悬臂梁探测器的理论模型及优化设计

对基于微悬臂梁的光学和红外探测技术进行了理论分析,并建立了相应的理论模型,在此基础上对该类探测器进行了优化设计,包括：微悬臂梁材料的优化选择、金属镀膜材料及厚度的优化选择以及光辐射吸收层材料的选择。最终给出了一种新型的三层结构微悬臂梁探测器,理论上这种新型结构的探测器比现报道的同类探测器灵敏度高出20多倍,噪声等效功率降低了85％－70％。     

HgCdTe材料应用与制备的进展

HgCdTe是一种有广泛应用前景的Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体光电材料。从投资上看,它已为仅次于Si和GaAs的第三种最重要的半导体。HgCdTe是制作红外探测器的最佳材料。本文简要地介绍了HsCdTe材料的性质以及它的应用和制备进展,着重描述了在红外探测器上的应用。对制备HgCdTe单晶的各种工艺方法作了比较说明,较详细地介绍了滑动液相外延(LPE)制备HgCdTe单晶薄膜技术。     

中红外高能激光探测单元

基于光电导探测原理,分析了影响室温光导型InSb探测器在中红外激光功率参数测量中的因素,得到了材料掺杂数密度、环境温度对探测器暗电阻、光谱响应率和光谱探测率的影响规律;开展了探测器在强激光辐照下的热效应理论模拟和实验研究,模拟分析了探测器在激光辐照下的动态响应特性。结果表明:针对测量系统中所使用的探测器,在激光功率密度小于4 W/cm2时,激光热效应对测量结果的影响可忽略;研制了相应的恒流源驱动电路,实现了中红外高能激光功率参数的探测。     

近年来红外探测器的发展状况

一、前言可见光和红外波段的探测器,与其它电子器件一样,正在稳步地发展。在可见光波段,硅CCD探测器对以往的摄象管来说,是一个变革,在红外波段也一样,各发达国家正在积极发展二维红外列阵探测器的研究,研制二维红外列阵探测器的目的,除了使传统的线列多元探测器小型化之外,还要去掉扫描镜,使探测装置小型化,进而通过探测器的控制效果提高装置性能。与如此先进的半导体红外探测器一样,在热探测器方面,热释电摄象管、热释电探测器列阵等也已经进入实用阶段,而且它们的应用范围也在进一步扩大。     

GaAs／AlGaAs多量子阱红外探测器研制成功

红外量子阱探测器是利用量子阱材料导带内子带间光跃迁对红外辐射的强吸收,来测量红外辐射强度的一种新型的、快速灵敏的红外探测器.其工作原理是:首先利用掺杂使量子阱中的基态上填充上具有一定浓度的二维电子,当入射光子能量■等于子带间能隙时。照射到器件接收面上的红外辐射将处于基态上的电子激发到较高激发态上,这些激发热电子在外场作用下,在匹配的外电路中形成与入射光强度成正比的电流或电压信号.该探测器的响应波段可以覆盖8—14μm的波长范围,响应速度快(皮秒量级),灵敏度较高(D*～1010cmHz1/2/W),并且可以通过改变材料的生长…     

红外探测器的新型材料——HgCdTe晶体的生长和应用

H—VI族化合物HgTe与CdTe能无限无溶,形成赝二元系合金Hgl-xCdxTe(以后简称HgCdTe)晶体材料.组分x可以从零到1.材料的物理性质随组分x的变化可连续地从半金属改变到半导体.利用HgCdTe材料制作的红外探测器,有很宽的波长覆盖,它的特点是:介电常数小、光吸收系数大、电子-空穴迁移率比高等.这种晶体是目前最有发展前途的一种红外探测器材料[1]. 一、HgCdTe晶体研究的崛起 五十年代后期以来,随着对环境温度探测的需要,人们希望能得到一种红外材料,它既能响应 8—14μm的红外波段,又能在77K以上温区工作.这就要求这种材料能具有类似InS…     

基于VO_2薄膜非致冷红外探测器光电响应研究

VO2 薄膜是非致冷微测辐射热红外探测器热敏电阻材料 .研究中应用微电子工艺制备了VO2 溅射薄膜红外探测器 ,在 2 96K的环境中测试了该探测器在不同的直流偏置、光调制频率下对 873K标准黑体源 8— 12 μm红外辐射的光电响应以及器件的噪声电压 ,在 10和 30Hz的调制频率下其响应率分别大于 17kV/W和接近 10kV/W .该探测器实现了探测率D 大于 1 0× 10 8cmHz/W ,热时间常量为 0 0 11s的 8— 12 μm非致冷红外探测     

基于VO2薄膜非致冷红外探测器光电响应研究

VO₂薄膜是非致冷微测辐射热红外探测器热敏电阻材料.研究中应用微电子工艺制备了VO₂溅射薄膜红外探测器,在296K的环境中测试了该探测器在不同的直流偏置、光调制频率下对873K标准黑体源8—12μm红外辐射的光电响应以及器件的噪声电压,在10和30Hz的调制频率下其响应率分别大于17kV/W和接近10kV/W.该探测器实现了探测率D大于1.0×10⁸cm (Hz)^1/2/W,热时间常量为0.011s的8—12μm非致冷 关键词： 非致冷测辐射热探测器 红外探测器 二氧化钒 薄膜     

红外探测器光谱响应度的均匀性及直线性测试研究

红外探测器光谱响应度的均匀性及直线性一直被认为是评价红外探测器性能的关键技术指标。目前，国防科工委光学计量一级站正在进行红外光谱响应度及其均匀性和直线性的测试研究，也包括对大气窗口一系列特性的测试研究。同时，还评价了一系列商用红外探测器，期望得到性能良好的、可用于不同波段量值传递的红外标准探测器。本文着重介绍红外探测器光谱响应度的均匀性及直线性的测试方法及测试结果，并评价一系列用于量值传递的不同波段的红外探测器。     

激光辐照碲镉汞红外焦平面探测器的热应力损伤研究

基于碲镉汞红外焦平面探测器的结构与其材料热力学相关特征,描述了激光辐照碲镉汞红外焦平面探测器造成的损伤机理。根据相关的辐照环境和条件,通过有限元分析法建立了三维仿真模型。基于COMSOL Multiphysics软件仿真了碲镉汞红外探测器受到波长10.6 μm的激光辐照时,探测器各部分的温度变化及应力变化情况;通过数值分析方法,比较了碲镉汞探测器在经过光斑面积相同。功率不同的激光辐照后,其表面径向及内部轴向的温度场变化及应力场变化情况。仿真结果表明:在经过106 W/cm2的连续激光辐照后碲镉汞探测器表面温度与应力快速升高,造成探测器表面损伤,同时探测器被辐照部位的温度变化也导致其内部局部应力值变化。将碲镉汞探测器的应力损伤阈值及变化趋势与文献中相关实验数据进行对比,发现二者结果基本一致,验证了模型的可行性。     

激光干扰红外成像系统的噪声等效温差及信噪比分析

噪声等效温差(NETD)和信噪比(SNR)是衡量红外成像系统性能的重要指标之一,它与探测器的多种性能参数有关。分析了激光辐照干扰红外探测系统及不同材料类型红外探测器性能参数变化。通过理论定量计算分析,比对YAG激光(波长1.06 μm)干扰前后系统噪声等效温差、信噪比曲线,得到了激光损伤后的NETD比损伤前NETD大2至3个数量级,同时,激光干扰后的信噪比相对激光干扰前信噪比小2个多数量级,进一步推导出激光干扰对红外探测系统的影响。     

环境对中波红外探测器测温精度的影响

为了分析环境辐射和大气吸收对红外辐射特性测量精度的影响,对基于中波红外探测器的红外测温进行了研究。首先,介绍了影响中波红外探测器测温精度的几种辐射能,根据测温模型得出了红外探测器像元灰度值和辐射照度之间的关系公式,并进一步推导出辐射测温的修正公式。以高精度面黑体为目标进行了测温实验,对红外探测器像元的灰度值进行修正并计算测温误差。结果显示,修正前、后测温误差的均方根分别为3.56℃和0.27℃,测温精度得到了显著的提高,表明该修正公式可准确地修正环境和大气吸收对中波红外探测器测温精度的影响。     

红外探测器光谱响应度测试技术研究

光谱响应度是探测器的重要技术参数之一，随着红外探测技术的发展，精确测量红外探测器的光谱响应度变得越来越重要。首先对红外探测器光谱响应度的测试技术进行分析，然后建立红外探测器相对光谱响应度测量装置，并用腔体热释电探测器在该装置上进行红外探测器光谱响应度校准实验。通过对红外探测器相对光谱响应度进行重复测量，给出测量结果的平均值，最后对影响测量结果的不确定度进行分析。由于该装置的测量范围是1～20μm，因此还可以实现InSb探测器和HgCdTe探测器相对光谱响应度的测量。不确定度分析结果表明，InGaAs探测器光谱响应度的测量精度较高。