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量子点红外光电探测器“热”起来了

2008-07-18 10:44
铁马老言
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图1. InAs量子点的原子力学显微照片(左图)和利用MOCVD自组装生长的单个量子点放大图(中图)。扫描电子显微镜对QDIP有源区域的横截面进行成像,显示量子点受应力影响垂直排列(右图)。

 

图2. 工作温度为130K时,QDIP FPA对人体组织的热成像图片(上图),以及工作温度为200K时,QDIP FPA对电烙铁的成像图片(下图)。

 

    目前大多数红外焦平面阵列(FPA)都以量子阱红外光电探测器(QWIP)或碲镉汞(MCT)光电探测器为基础,而这两类探测器都存有重大的不足。


    QWIP对垂直入射光的探测效率很低,因为垂直方向上光子的跃迁被禁止,尽管利用光栅可以弥补这一缺点,但光栅的制作无疑会增加系统的成本。另外,QWIP在高温工作时暗电流较高,所以通常采用冷却方式使其在低温下工作,这便大大增加了成像系统的成本、体积和功耗。


    MCT光电探测器则因为MCT固有的不稳定性,很难实现高度均匀的探测器阵列,而且以MCT为基础的FPA还具有成本高和效率低的缺点。


    最近,量子点红外光电探测器(QDIP)在工作温度和量子效率方面取得的重大进步,将有望引领新一轮成像技术热潮,并将在医学与生物学成像、环境与化学监测、夜视与太空红外成像等领域开辟新的应用天地。目前,通过采用纳米技术形成量子点,研究人员已经在开发室温或接近室温工作的高性能成像器方面迈出了一大步。


    量子点又称“人造原子”, 目前量子点作为提高电子与光电子器件性能的一种手段,已经被广泛应用。量子点的尺寸很小,通常只有10nm,因此其具有独特的三维光学限制特性。将量子点应用在红外光电探测器上,可以使探测器在更高的温度下工作。


    开发高温工作的红外光电探测器,可以降低红外成像系统的成本,减小重量,提高效率,这将极大地拓展红外光电探测器的应用范围。研究人员已经开发出了首个以QDIP为基础的焦平面阵列。


    室温工作的QDIP


    最近,研究人员在开发高性能QDIP方面取得了重大突破。新开发的在室温下工作的QDIP,探测峰值波长在中红外波段(3~5μm),这一波段具有重要的应用价值,因为地球大气层对中红外波段的吸收很小。


    该款QDIP 由砷化铟(InAs)量子点和铟砷化镓(InGaAs)量子阱组成的混合结构,同时利用铝铟砷化物(AlInAs)形成势垒。整个器件通过低压金属有机化学气相沉积(MOCVD)工艺生长在一个磷化铟(InP)衬底上。InAs量子点按Stranski-Krastanow模式自组装生长。量子点的结构特性(包括大小和密度)均通过原子力学显微镜和扫描电子显微镜显示出来(见图1)。


    研究人员测量了不同温度下该探测器的光谱响应曲线,偏置电压固定在垂直入射状态,并且排除外界干扰。室温工作时,光谱响应的峰值波长为4.1μ。当温度为77~200K时,峰值响应度随温度增加而增加;当温度高于200K时,峰值响应度开始下降;当温度为150K、偏置电压为-5V时,峰值响应度为822mA/W。当温度为120K、150K以及室温情况下,探测器的灵敏度分别为8×1011cmHz1/2/W、4×1010cmHz1/2/W和6×107cmHz1/2/W。此外,温度为150K时,探测器的量子效率为35%。这一测量结果已经发表在2007年3月的《应用物理快报》上。目前研究人员进一步改善了探测器的性能,通过对量子点的生长进行优化可以使探测器的量子效率达到48%,从而对红外光的吸收更强。


    以QDIP技术为基础,研究人员已经开发出一个320×256的FPA,其阵列间距为30μ,像素大小为25μ×25μ。该FPA能在200K的高温下成像,这是目前QDIP FPA的最高工作温度。该FPA的峰值探测波长为4μ,响应度为34mA/W,转换效率为1.1%,当温度为120K时,噪声等效温差(NEDT)为344mK(见图2)。

 

 作者:Manijeh Razeghi

 

    参考文献 
    1. H. Lim, S. Tsao, W. Zhang, and M. Razeghi, Appl. Phys. Lett. 90, 131112, (2007). 
    2. S. Tsao, H. Lim, W. Zhang, and M. Razeghi, Appl. Phys. Lett. 90, 201109, (2007).


(编辑:小曾)

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