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。     

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。     

InSe/Se范德瓦尔斯异质结的可控制备及其高响应度广光谱光电探测器（英文）

为了实现紫外-可见波段的高响应度/低成本的广光谱光电探测,我们制备了基于一维p型Se微米线与二维n型InSe纳米片的混维范德瓦尔斯异质结广光谱探测器。得益于Se微米线与二维层状结构InSe纳米片的高结晶质量,该器件在紫外-可见光广光谱范围都具有非常高的响应度,该器件的响应截止边为700 nm。值得指出的是,该器件在-5 V的偏压下,对460 nm的光源响应度可以达到108 mA/W,该数值比原来的Se探测器高了800%。这项研究有利于拓展我们对范德瓦尔斯异质结的认识,也为今后制备高性能的低维光电探测器提供了一种新的途径。     

石墨烯/二氧化钛异质结场效应探测器光电特性

利用二氧化钛薄膜光吸收及表面钝化特性,在硅晶圆基底表面制备石墨烯/二氧化钛异质结场效应管光电探测器,并研究其光电响应特性.结果表明,二氧化钛钝化后的探测器可以有效抑制沟道表面的气体小分子吸附,降低器件的暗电流漂移;同时,探测器利用石墨烯的电荷敏感和复合薄膜的光谱吸收特性,显著提高了石墨烯场效应管的响应度.紫外波段,顶层二氧化钛吸光产生的光生电子将注入到石墨烯沟道中,对石墨烯沟道产生n型掺杂,器件最大响应度可达3.5×10~5A/W.在可见光波段,因为二氧化钛层与石墨烯薄膜间存在杂质能级,界面间的电荷转移使沟道载流子寿命显著提高.相对于传统的二氧化钛阵列探测器,该探测器在响应波段与响应度性能上都具有明显优势.     

基于谐振腔增强型石墨烯光电探测器的设计及性能分析

提出了一种具有超薄有源层的谐振腔增强型石墨烯光电探测器的设计方法,利用谐振腔结构可以将光场限制在腔内,有效增强探测器的吸收.通过研究谐振腔内光场谐振条件及谐振模式下探测器响应度增强的机理,建立了驻波效应下谐振腔增强型石墨烯光电探测器光吸收模型,仿真分析谐振腔反射镜反射率、谐振腔腔长对于腔内光场增强器件性能的影响.理论分析表明,谐振腔增强型石墨烯光电探测器在850 nm处响应度可达0.5 A/W,相比无腔状态下提高了32倍;半高全宽为10 nm.采用谐振腔结构能够提高石墨烯光电探测器件的光电响应,为解决光电探测器响应度与响应速度之间的相互制约关系提供了途径.     

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．     

基于表面等离子体共振增强的硅基锗金属-半导体-金属光电探测器的设计研究

金属-半导体-金属光电探测器的光栅结构可激发表面等离子体, 有效增强探测器的吸收. 为深入研究器件结构对于表面等离子体的激发及共振增强的影响, 本文提出了一种具有超薄有源层的硅基锗金属-半导体-金属光电探测器的设计方法. 采用时域有限差分的方法详细分析了光栅周期、光栅厚度、 光栅间距及有源层厚度对于表面等离子体共振增强器件性能的影响, 通过仿真模拟获得了器件的最佳结构, 详细地分析了各个界面激发的表面等离子体及其共振模式对于光谱吸收增强的机理. 仿真结果表明, 有源层锗的厚度为400nm的超薄器件在通信波段具有较高的吸收, 尤其在1550nm波长处器件的归一化的光谱吸收率可以高达53.77%, 增强因子达7.22倍. 利用共振效应能够极大地提高高速器件的光电响应, 为解决光电探测器响应度与响应速度之间的相互制约关系提供了有效途径. 关键词： 表面等离子体 锗探测器 时域有限差分仿真     

空穴在动量空间分布对p型量子阱红外探测器响应光谱的影响

通过对p型量子阱红外探测器(QWIP)的自洽计算，得到了量子阱价带的电子结构和器件的光电流谱，并研究了载流子在动量空间分布对p型QWIP光谱响应的影响.计算结果表明，在动量空间不同区域的空穴对器件的光谱响应起着不同作用，从而使得在p型QWIP中，空穴浓度和温度都将影响器件的响应光谱.所得结果合理地解释了实验中器件响应光谱随掺杂浓度和温度的变化. 关键词： p型量子阱红外探测器 响应光谱 空穴浓度 温度     

基于超连续光源的InGaAs探测器相对光谱响应度定标技术

InGaAs光电探测器是近红外波段重要的光探测器件之一,具有高量子效率、低暗电流、宽带宽等特性,被广泛应用于光电测量、光通信及遥感等领域中。基于超连续白光激光器与双单色仪的光谱比较装置,利用标准InGaAs陷阱探测器对平面InGaAs探测器在900 nm～1600 nm波段进行了相对光谱响应度的定标,并与利用钨灯作为光源的响应度定标结果进行了比较。两种光源条件下,光谱响应度在900 nm～1600 nm波段最大相对差值小于0.2%,取得了较好的一致性。超连续光源的测量重复性最大值小于0.06%,远小于使用卤钨灯的测量重复性1%,降低了因测量重复性贡献的不确定度分量,验证了超连续激光器在探测器相对光谱响应度定标中的可行性。此外,还对被定标的平面探测器光谱响应度结果进行了测量不确定度分析。     

CCD器件相对光谱响应测试仪

设计并实现了一种涵盖400~950 nm的全自动CCD器件相对光谱响应测试仪。分析了成像器件的相对光谱响应测试原理,采用宽光谱、高灵敏度响应的科学级光纤光谱仪QE65000作为参考探测器,基于单光路直接比较法,构建了CCD器件相对光谱响应测试仪器。该装置可全自动完成CCD器件的相对光谱响应测量,不确定度分析结果表明,该装置对CCD器件开展相对光谱响应测试的最大不确定度为6.21%,满足应用需求,可为CCD等图像传感器甄选、参数性能评价及后续整机测试提供关键数据支撑。     

红外光谱发射率测量系统的温漂修正方法

针对探测器光谱响应度温漂现象对红外光谱发射率测量系统重复性的影响,分析探测器温度与输出电压之间的变化规律,提出了基于多项式拟合的光谱响应度温漂修正方法。研究探测器自身温度与其光谱响应度的函数关系,对探测器光谱响应度随温度变化的曲线进行数据拟合,得到探测器温度-光谱响应度的拟合方程,计算光谱响应度的温漂修正系数,修正探测器的输出电压,消除光谱响应度温漂现象对探测器输出电压造成的影响。研制光谱响应度温漂修正装置,测得探测器光谱响度的温漂曲线,对比指数拟合曲线和多项式拟合曲线与测量曲线的吻合度,结果表明6阶多项式拟合曲线的一致性较好,提高了基于积分球反射计的光谱发射率测量系统的重复性。     

红外光谱响应度测试系统研究

红外光谱响应度是红外探测领域的重要技术指标。介绍了红外光谱响应度的测试技术及其测试系统。该系统选用以无光谱选择的腔体热释电探测器为标准,用双单色仪进行分光同时,采用国际上最新的测试方法完成了红外波段光谱响应度的测量,获得了高的测量不确定度,分析了测试结果及其影响因素。     

半导体光电探测器响应度测试装置的研制

分析了半导体光电探测器光谱响应度的测试原理;研制了一套波长为０．４～１．１μｍ的光谱响度测试装置。该装置采用双光路替代法,可以测试绝对光谱响应度、相对光谱响应度和量子效率,并可减小光源不稳定性对测试结果的影响,最终给出了测试结果比对。     

大口径红外辐射计的光谱定标

介绍了大口径红外辐射计的光谱定标方法。研制了大口径红外辐射计。该辐射计主要由前置光学系统, 红外探测器(热释电探测器和碲镉汞探测器2～14 μm), 机械斩波器,锁相放大器,信号采集器等组成。首先对大口径红外辐射计的光谱定标方法进行了分析,然后建立红外辐射计光谱定标的测量装置,并分别测试腔体热释电探测器和HgCdTe探测器的响应非线性,最后用腔体热释电探测器在该测量装置上对HgCdTe探测器进行红外光谱响应度校准实验。通过两种相对光谱响应度测量方法的对比,给出多次测量结果的平均值及两种方法的对比分析。分析结果表明,测量系统的不确定度优于3.4%。     

Monolithic integration technology between microlens arrays and infrared charge coupled devices

In this paper, we develop an integration technology between Si microlens and 256(H)×256(V) element PtSi Schottky-barrier infrared charge coupled device (IR-CCD) to improve the optical responsivity of CCD sensor. The refractive microlenses with the pixel size of approximately 28×28 μm² is directly fabricated on the backside of CCD substrate to focus the incident irradiation onto the active area. For the integration device the fill factor is improved by a factor of 2.1. As a result, the IR-CCD image sensors operating at 77 K indicate an approximate 0.06–0.4 increase in relative optical responsivity in the spectral range of from 1 to 5 μm. CCD imaging quality with microlens has been improved comparing to that without microlens to a great extent.     

地物光谱仪测量中的温湿度影响

地物光谱仪在遥感领域的应用日益重要,可用于研究不同地物条件下可见和红外的光谱辐射特性,从而获得地表的光谱辐射亮度、光谱辐射照度或方向反射因子等信息。地物光谱特性的准确测量是光学遥感定量分析的基础,对于航天传感器定标、遥感数据反演等具有极其重要的意义。地物光谱仪在测量前必须进行光谱辐射定标,一方面定标过程中地物光谱仪的光谱响应特性可能发生漂移,另一方面测量时的环境与定标环境可能差异较大,都会影响测量的准确性。在恒温恒湿条件下,实验采用谱线灯光源和积分球光源考察了地物光谱仪波长和光谱响应度随探测器温度的变化。数据显示当光谱仪内部硅阵列探测器温度上升时,波长位置并未发生改变;而光谱仪的光谱响应度随着温度上升明显增大。当硅探测器温度从28.3 ℃升至35.2 ℃时,光谱仪在380～990 nm的光谱响应度变化达到1.8%～7.3%;同时近红外1 000～1 800 nm的平均变化约3.0%,2 000～2 500 nm的变化约1.9%。当改变环境温度和湿度时,测量数据表明湿度影响主要在大气中水分子的吸收峰附近波长,对其他波长影响很小;光谱仪光谱响应度与内部探测器的温度近似存在一一对应关系,环境温度的影响可以近似根据内部探测器温度变化予以表征。理论上当环境条件改变时,根据光谱响应度随温度的变化和探测器的监测温度,可以进行光谱数据修正。最后,实验测量了一组探测器温度下对应的光谱响应度,采用多项式拟合和最小二乘法建立了地物光谱仪光谱响应度与温度的函数关系。根据函数关系插值得到的光谱响应度修正因子和直接测量得到的数据基本一致,全谱段的差异几乎都小于0.2%,表明光谱响应度与温度的对应关系可用于解决不同环境条件下的测量准确性。     

InGaN/GaN MQD p–n junction photodiodes

The p–n junction photodiodes with InGaN/GaN MQD have been prepared by metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD) growth; we achieved nanoscale InGaN self-assembled QDs in the well layers of the active region. The RT PL spectrum peak position for the fabricated InGaN/GaN MQD p–n Junction PDs is located at 464.6 nm and FWHM is 24.2 nm. After finishing device process, it was fond that the turn on voltage in forward bias and the break down voltage in reverse bias are about 3 and −13.5 V, respectively. Furthermore, with 1, 2, and 3 V applied bias, the maximum responsivity of the fabricated MQD p–n junction PD was observed at 350 nm, and the minimum of spectral response was measured at 465 nm. It was also found that the responsivity was nearly a constant from 390 to 440 nm. It seems to suggest that the spectral response in the range of 390–440 nm is due to the effect of the InGaN dots-in a-well active layers.     

A critique on the application of infrared photodetector theory

The physical and mathematical framework underlying photodetector theory is appraised, with particular interest in those aspects relevant to practical device application. The mathematical assumptions and conventions on which signal and r.m.s. noise calculations are based are examined, together with the relationships between the characteristic parameters, responsivity and detectivity, and device spectral response, frequency response and linearity. An equivalent ramp-function spectral response based on the definition of an effective cutoff wavelength is derived and is shown to be useful for cases where device data are incomplete. The standard expressions for responsivity, detectivity, signal and noise currents, signal-to-noise ratio and noise-equivalent temperature difference are examined with particular interest in their application to device use and IR system design.