非致冷InAsSb中长波红外探测器研究评述

作为一种新兴的红外光电材料,InAsSb由于其禁带宽度窄、电子迁移率极高等优良特性受到了世界各国的广泛关注。InAsSb探测器的优势在于：对中长波红外波段的探测而言,其在室温下也具有很高的探测率,同时InAsSb探测器具有比HgCdTe探测器更高的响应速度。这些优势使得InAsSb探测器可制成非致冷型红外探测器,容易实现仪器的小型化,大大降低成本,在某些场合成为能够取代HgCdTe的理想材料。文章分别对InAsSb探测器国内和国外的研究近况作一简要评述,从而显示出在中长波红外波段InAsSb材料广阔的应用前景。     

非制冷型中长波铟砷锑探测器

工作在中、长波红外波段(波长5~12μm)的红外探测器在红外制导、红外成像、环境监测及资源探测等方面有着重要而广阔的应用前景。目前中国军用和民用对这一波段的非制冷型、快速响应的光子型红外探测器有迫切需求。文中用熔体外延(ME)法在InAs(砷化铟)衬底上生长的InAs0.05Sb0.95(铟砷锑)厚膜单晶,制作了高灵敏度、非制冷型、中长波光导型探测器,探测器上安装了Ge(锗)浸没透镜。傅里叶变换红外(FTIR)吸收光谱显示InAsSb材料的本征吸收边出现在波长8μm以后。InAs0.05Sb0.95探测器的光谱响应波长范围为2~9μm。室温下,在波长6.5μm处的峰值探测率Dλp*达到5.4×109 cm·Hz1/2·W-1,在波长8.0μm和9.0μm处的探测率D*分别为9.3×108和1.3×108 cm·Hz1/2·W-1,显示了InAsSb探测器的优越性能及对红外探测和成像的应用前景。     

室温InAsSb长波红外探测器的研制

用熔体外延法(ME)生长出厚度达到100μm的InAsSb外延层,截止波长进入8～12μm波段。测量结果表明,InAsSb材料具有良好的单晶取向和结晶质量,位错密度达到104cm-2量级。室温下,霍尔测量得到的载流子浓度为1～3×1016cm-3,电子迁移率大于5×104cm2/Vs。用此材料制得了2～9μm波段的高灵敏度In-AsSb室温红外探测器。该探测器为浸没型光导元件,安装了镀有SiO或ZnS增透膜的单晶Si光学透镜。在黑体温度为500K、黑体调制频率为800 Hz和外加偏置电流为10 mA的测试条件下,测得293K下该探测器的最高黑体响应度达到168V/W,黑体探测率为2～6×108cm·Hz1/2·W-1,峰值探测率大于1×109cm·Hz1/2·W-1。     

势垒型InAs/InAsSb II类超晶格红外探测器研究进展（特邀）

红外探测技术在卫星侦察、军事制导、天文观测、医疗检测、现代通信等重要领域发挥着关键作用。II类超晶格（T2SLs）红外探测器作为继碲镉汞探测器之后的新一代红外探测材料,在稳定性、可制造性和成本等方面具有独特优势。势垒型InAs/InAsSb T2SLs红外探测器是最具潜力的T2SLs红外探测器之一,近年来其关键性能得到了稳步提高,但仍受吸收系数低、异质外延生长困难和暗电流大等因素的制约。文中综述了III-V族T2SLs的发展历程,分析了势垒型InAs/InAsSb T2SLs红外探测器的不同势垒结构、关键性能和发展趋势,指出了势垒型InAs/InAsSb T2SLs红外探测器需要解决的关键问题和未来发展方向。     

温度和材料参数对InAsxSb1-x俄歇复合寿命影响的数值分析

工作在中长波的红外探测器可被广泛应用在空间成像、军事和通信等领域,锑基InAsSb材料由于其特殊的性质是制作长波非致冷光子探测器的理想材料。俄歇复合寿命是影响探测器性能的重要因素之一,文章采用Matlab软件模拟研究了n型和p型InAsxSb1-x材料的俄歇复合寿命随温度、As组分及载流子浓度的变化。对确定的As组分,可通过优化工作温度及载流子浓度获得较长的俄歇复合寿命。当载流子浓度为3.2×1015 cm-3、温度为200K时,n型InAs0.35Sb0.65的俄歇复合寿命最大为2.91×10-9 s。     

短波红外探测器的发展与应用（特邀）

短波红外波段作为“大气透过窗口”之一,探测器工作在该波段能获得目标更多的辐射能量。另外,短波红外对近室温目标的探测成像类似于可见光的反射式成像,一方面拥有中长波红外探测缺少的细节分辨能力,另一方面具有穿透烟雾进行成像等可见光探测不具备的能力。随着短波红外探测器在军事、民用领域的广泛应用,对短波红外探测器的性能、成本提出了更高的要求,InGaAs探测器由于高达约70%~90%的量子效率、室温下约8000 cm2/(V·s)的高迁移率,以及高灵敏度、高速响应、低成本的应用优势,是目前短波红外探测器的最佳选择。为了进一步扩展波长、提高分辨率、降低成本,发展了基于II类超晶格、胶体量子点、硅基材料等新材料和新工艺的短波红外探测器。文中对美国、法国、以色列、中国等国内外短波红外探测器的发展现状进行了归纳整理,对有关短波红外探测器的新材料和新工艺进行了报道,最后探讨分析了短波红外探测器的未来发展趋势。     

高性能锑化物超晶格中红外探测器研究进展（特邀）

中红外探测技术作为一种重要的被动探测手段，在各个领域都有着非常重要的作用。其中，以InAs/InAsSb超晶格材料为基础的无Ga型Sb化物II类超晶格探测器，由于去除了Ga原子的缺陷，具有更高的少子寿命，有利于提高探测器性能。此外，使用光子晶体结构，进行表面光学性能调控，可以提高器件的响应度，从而降低材料吸收区厚度，降低器件暗电流。暗电流的降低和响应度的提升，进一步优化了探测器的性能，进而提高器件工作温度，进一步降低探测系统的体积、重量和功耗。研究表明:使用光子晶体结构可以在不改变外延材料结构的前提下，提高器件量子效率，实现响应光谱的展宽，在实际应用中具有重要的意义。文中综述和讨论了InAs/InAsSb超晶格探测器和光子晶体结构探测器材料生长、结构设计的主要技术问题，详细介绍了两种提高中红外探测器性能的方案及国内外的研究进展。     

非制冷势垒型InAsSb基高速中波红外探测器

高速响应的中波红外探测器在自由空间光通信和频率梳光谱学等新兴领域的需求逐渐增加。中长波XB_nn势垒型红外光探测器对暗电流等散粒噪声具有显著抑制作用。本文在GaSb衬底上采用分子束外延技术生长了nBn和pBn两种结构的InAsSb/AlAsSb/AlSb中波红外光探测器材料,并通过微纳加工工艺制备了可用于射频响应特性测试的GSG结构探测器。XRD和AFM的测试结果表明,两种结构的外延片都具有较好的晶体质量。器件暗电流测试结果表明,相较于nBn器件,在室温和反向偏压400 mV的工作条件下,直径90 μm的pBn器件表现出更低的暗电流密度0.145 A/cm2,说明该器件在室温非制冷环境下表现出较低的噪声水平。不同台面直径的探测器的暗电流测试表明,pBn器件的表面电阻率低于对照的nBn器件的表面电阻率。另外,根据探测器的电容测试结果,可零偏压工作的pBn探测器具有完全耗尽的势垒层和部分耗尽的吸收区,nBn的吸收区也存在部分耗尽。探测器的射频响应特性表明,直径90 μm的pBn器件的响应速度在室温和3 V反向偏压下可达2.62 GHz,对照的nBn器件的响应速度仅为2.02 GHz,响应速度提升了29.7%,初步实现了在中红外波段下可快速探测的室温非制冷势垒型光电探测器。     

光导型InAsSb红外探测器的研制

针对室温（293 K）条件下使用要求,采用InAsSb单晶材料加浸没透镜制作成2～9μm波段高灵敏度光导型InAsSb红外探测器。实测光谱响应值出现在1.656 5～8.989μm。在光谱响应波段范围内,最大响应度值为对比组C2、C3组。初步实现了室温（293 K）使用要求,响应光谱2～9μm波段光导型InAsSb红外探测器设计目的。     

优质InAsSb/GaAs材料的MBE生长

研究了InAsSb/GaAs材料生长过程中,各种参数对材料质量的影响。优化了生长参数,获得了优质的InAsSb/GaAs材料。采用x射线双晶衍射、红外透射、霍耳测量等手段研究了材料的性能,并制作了光导红外探测器,探测率D可达3×10~9cmHz~(1/2)。W~(-1)。     

Minority carrier lifetime in p-HgCdTe

High operating temperature (HOT) detector concepts using midwave infrared (MWIR) (x∼0.3) p-type HgCdTe operating at temperatures within the thermoelectric cooler range are of significant interest at the present time. However, it is apparent that much work remains to be done in the areas of material, diode passivation, and diode formation technologies before the “holy grail” of photon detection at room temperature for all infrared wavelengths is achieved. Over the years, at DRS, we have developed a technology base for both n- and p-type HgCdTe materials parameters that are relevant to photodiode design and fabrication. This paper will discuss data that we have taken recently on minority carrier lifetime in MWIR and long wave infrared (LWIR) HgCdTe, particularly p type, and how it compares to current theories of Auger 7, radiative, and Shockley-Read recombination in this material. Extrinsic group IB (Cu, Au) and group V (arsenic) p-type dopants were used, together with group III (In) for n-type. The impact of the data on future HOT detector work is discussed.     

中/长波切换工作模式的双色量子阱红外焦平面研制

报道了中/长波切换工作模式的双色量子阱红外焦平面研制。通过特殊设计的器件和读出电路结构,获得了可对中波波段和长波波段选择的切换架构。突破了双色量子阱材料、器件以及读出电路等关键技术,研制出384288规模、25 m中心距双色量子阱红外焦平面探测器。在70 K条件下器件性能优良,噪声等效温差为28 mK(中波)和30 mK(长波),响应峰值波长分别为5.1 m(中波)和8.5 m(长波)。室温目标红外成像演示了探测器的双色探测功能。     

Design and development of multicolor MWIR/LWIR and LWIR/VLWIR detector arrays

Multicolor infrared (IR) focal planes are required for high-performance sensor applications. These sensors will require multicolor focal plane arrays (FPAs) that will cover various wavelengths of interest in mid wavelength infrared/long wavelength infrared (MWIR/LWIR) and long wavelength infrared/very long wavelength infrared (LWIR/VLWIR) bands. There has been significant progress in HgCdTe detector technology for multicolor MWIR/LWIR and LWIR/VLWIR FPAs.^1–3 Two-color IR FPAs eliminate the complexity of multiple single-color IR FPAs and provide a significant reduction of weight and power in simpler, reliable, and affordable systems. The complexity of a multicolor IR detector MWIR/LWIR makes the device optimization by trial and error not only impractical but also merely impossible. Too many different geometrical and physical variables need to be considered at the same time. Additionally, material characteristics are only relatively controllable and depend on the process repeatability. In this context, the ability of performing “simulation experiments” where only one or a few parameters are carefully controlled is paramount for a quantum improvement of a new generation of multicolor detectors for various applications.     

红外双波段谐衍射光学系统设计

为提高红外系统探测能力,满足探测器在红外中长波双波段同时成像的要求,提出一种基于谐衍射的光学系统设计.根据谐衍射透镜的特点,通过合理选择谐衍射波长和衍射级次,采用折射式共光路构型成功完成了中/长波双波段光学系统的设计.系统在3.7～4.8μm和7.7～9.5μm两个波段成像,F数为2,视场角10°.优化结果表明,成像质...     

Demonstration and Performance Assessment of Large Format InP–InGaAsP Quantum-Well Infrared Photodetector Focal Plane Array

There have been various studies showing that InP-InGaAs quantum-well infrared photodetectors (QWIPs) are potential alternatives to AlGaAs-GaAs QWIPs in the long wavelength infrared (LWIR) band, especially for applications requiring high responsivity. Being on InP substrate, this material system also offers lattice matched mid-wavelength infrared (MWIR)/LWIR dual band QWIP stack when it is used with the AlInAs-InGaAs system. It is desirable to extend the cut-off wavelength of InP based LWIR QWIPs to , which can be accomplished by replacing the QW material with InGaAsP. In this paper, we report the first InP-InGaAsP QWIP focal plane array (FPA). The 640 512 FPA displayed remarkably low noise equivalent temperature difference (NETD) with very short integration times (46 mK at 66 K with and f/1.5 optics). The results show that these QWIPs can be operated with high responsivity (1 A/W) while offering bias adjustable gain in a wide range where the detectivity is almost constant at a reasonably high level.     

中波红外与长波红外推扫成像性能分析

基于长线阵中波红外和长波红外探测器的推扫成像技术,是实现高空间分辨率和高温度分辨率卫星对地观测的技术途径之一。随着长线阵红外探测器的发展,该技术受到高度关注,并已在一些领域得到应用。介绍了中波红外和长波红外谱段成像特点以及基于长线阵中波红外和长波红外探测器的卫星推扫成像技术发展现状。重点根据中波红外和长波红外谱段的波长、温度为300 K 目标的辐射强度以及光学系统和探测器参数,分析了它们的成像性能,包括调制传递函数(MTF)、地面像元分辨率(GSD)和噪声等效温差(NETD)。对于常温目标,在积分时间足够长的情况下,保持相同的MTF,中波红外比长波红外推扫成像可实现更高的空间分辨率和温度分辨率。结合分析结果,对充分发挥这两个谱段的成像性能提出了建议。     

Accurate measurement of composition, carrier concentration, and photoconductive lifetime in Hg1−xCdxTe grown by molecular beam epitaxy

Variable magnetic field Hall and transient photoconductance lifetime measurements were performed on a series of undoped, In-doped, and As-doped HgCdTe samples grown by molecular beam epitaxy and metalorganic chemical vapor deposition. Temperature variation and, in the case of Hall, magnetic-field variation are needed to give a more complete picture of the mechanisms that control lifetimes in HgCdTe samples. Recent predictions of recombination lifetimes from full band structure calculations were compared to experimental lifetimes at various doping levels at long-wave infrared (LWIR) and mid-wave infrared (MWIR) compositions. For n-type material, lifetimes from low doping levels fall well below the predictions, implying that Shockley-Read-Hall (SRH) recombination is still dominant. MWIR samples have a lifetime that increases somewhat with carrier concentration, suggesting that In doping passivates the SRH defects for that composition. Lifetimes in p-type MWIR material appear to be well-explained by recent theoretical calculations. In p-type material, trapping states may be introduced during the incorporation and activation of As, since some samples with unusually long lifetimes had a distinctly different type of temperature dependence.     

金掺杂碲镉汞红外探测材料及器件技术

采用金掺杂替代作为深能级缺陷中心的汞空位,可明显提高P型碲镉汞材料少子寿命,进而降低以金掺杂P型材料为吸收层n-on-p型碲镉汞器件的暗电流,明显提升了n-on-p型碲镉汞器件性能,是目前高灵敏度、高分辨率等高性能n-on-p型长波/甚长波以及高工作温度中波碲镉汞器件研制的一种技术路线选择。本文在分析评述金掺杂碲镉汞材料现有研究技术要点的基础上,结合昆明物理研究所目前的研究成果,总结了碲镉汞金掺杂相关工艺技术,重点分析了金掺杂对碲镉汞器件性能的影响。