探測(cè)器綜述論文(HIT)

1、探測(cè)器綜述目錄碲鎘汞光電探測(cè)器(Hg1-xCdxTe)2PbS多晶膜光電導(dǎo)探測(cè)器3銻化銦光電探測(cè)器4硅光電池6硅光電二極管6PIN硅光電二極管7雪崩光電二極管（APD）8硅光電池、三極管、二極管、PIN、APD性能參數(shù)對(duì)比總結(jié)10異質(zhì)結(jié)探測(cè)器11象限探測(cè)器12光電位置探測(cè)器（PSD）14量子阱光電探測(cè)器15結(jié)語(yǔ)16參考文獻(xiàn)17碲鎘汞光電探測(cè)器(Hg1-xCdxTe)1. 工作原理其中， Hg1-xCdxTe是由CdTe和HgTe組成的固熔三元化合物半導(dǎo)體，x表示CdTe所占的克分子數(shù)。這種三元化合物的成分可以從純CdT。到純HgTe之間變化。選擇不同的x值就可以制備出一系列不同禁帶寬度、不同響

2、應(yīng)波段的碲鎘汞材料，這種材料具有一些可貴的性質(zhì):電子有效質(zhì)量小，本征載流子濃度低等。2. 性能參數(shù)以實(shí)際產(chǎn)品為例進(jìn)行分析：DMCT(x)-De系列碲鎘汞探測(cè)器液氮制冷型紅外探測(cè)器，波長(zhǎng)范圍：222m型號(hào)/參數(shù)DMCT12-De01DMCT14-De01DMCT16-De01DMCT22-De01DMCT12-HS光敏面尺寸(mm)1×1 1×11×11×11×1波長(zhǎng)范圍(m) 2-122-142-162-222-12峰值響應(yīng)度(V/W) 3x1031x103900150>4x104響應(yīng)時(shí)間(ns) <25D*(peak，1KHz)c

3、m Hz1/2W-1，Min3 x 10103 x 10102.5x 10105x 1093x 1010前置放大器ZPA-101ZPA-101ZPA-101ZPA-101集成信號(hào)輸出模式電壓電壓電壓電壓電壓輸出信號(hào)極性正（P）正（P）正（P）正（P）正（P）表1 DMCT(x)-De系列碲鎘汞探測(cè)器參數(shù)其中：DMCT(x)-De為液氮制冷型，x-12/ 14/ 16/ 22，四種截止波長(zhǎng)可選，適合一般測(cè)量，須選配前置放大器；DMCT12-HS為液氮制冷高速響應(yīng)型，集成前置放大器，響應(yīng)時(shí)間小于50ns；為高速響應(yīng)探測(cè)器，集成了50MHz帶寬的前置放大器，用于紅外時(shí)間分辨測(cè)量，可直接接示波器使用，

4、光敏面尺寸為1mm，另有0.5mm和0.1mm可選，尺寸越小，響應(yīng)速度越快，最快可達(dá)到3.5ns；HgCdTe探測(cè)器的時(shí)間常數(shù)在1010秒量級(jí)。x0.2的HG0.8Cd0.2Te材料，可以制成響應(yīng)波長(zhǎng)為 814微米大氣窗口的紅外探測(cè)器。它與工作在同樣波段的Ge：Hg探測(cè)器相比有如下優(yōu)點(diǎn)：工作溫度高（高于77K），使用方便，而Ge:Hg工作溫度為38K。本征吸收系數(shù)大，樣品尺寸小。易于制造多元器件。優(yōu)點(diǎn)：反向飽和電流小、噪聲低、探測(cè)率高、響應(yīng)時(shí)間短和響應(yīng)頻帶寬3. 使用條件碲鎘汞光電探測(cè)器在中波、長(zhǎng)波和極長(zhǎng)波紅外波段具有高靈敏度和波長(zhǎng)靈活性，并具有多色能力。碲鎘汞還能在短波紅外波段工作。限制性：

5、由于碲鎘汞材料和基底軟而脆的特性，使器件的加工比較困難。材料和可利用的大面積基底的質(zhì)量對(duì)長(zhǎng)波紅外和極長(zhǎng)波紅外的大型碲鎘汞焦平面列陣有影響。雖然中波和長(zhǎng)波紅外器件的這些問(wèn)題大部分解決了，但對(duì)于極長(zhǎng)波紅外和多色器件，特別是有多個(gè)p-n結(jié)暴露到表面時(shí)，仍是主要的問(wèn)題。改善方式：基底的凈化、源材料、生長(zhǎng)和工藝條件可以提高碲鎘汞器件的低溫性能。4. 應(yīng)用領(lǐng)域熱成象、CO2激光探測(cè)、制導(dǎo)、FTIR光譜學(xué)、夜視、激光預(yù)警接收、激光外差探測(cè)5. 發(fā)展趨勢(shì)由于HgCdTe紅外探測(cè)器的發(fā)明，使低溫目標(biāo)（需要長(zhǎng)波探測(cè)）的紅外探測(cè)成為可能。從原理上都可以取代前二類紅外探測(cè)器，因而這類探測(cè)器是西方先進(jìn)國(guó)家競(jìng)相發(fā)展，到目

6、前仍然重點(diǎn)發(fā)展的一類探測(cè)器，而且集中在第二代和第三代紅外探測(cè)器，這類探測(cè)器又分為4（6）×N線列焦平面和陣列焦平面，前者主要是技術(shù)相對(duì)后者更成熟，采用并掃技術(shù)可做到同等數(shù)量元數(shù)陣列焦平面更高性能，且價(jià)格要比陣列焦平面低，因而西方國(guó)家亦在發(fā)展之列，典型的4×288、4（6）×576、6×960等；陣列焦平面典型品種有128×128，256×256（或320×256），512×512（或640×480），1024×1024等。PbS多晶膜光電導(dǎo)探測(cè)器1. 工作原理 PbS 是一種直接躍遷的-族窄帶化

7、合物半導(dǎo)體材料，室溫下其禁帶寬度為0.41eV（對(duì)應(yīng)長(zhǎng)波限0=2.952m），具有較大的激子玻爾半徑(18nm)，常溫常壓下晶格常數(shù)為 5.935nm，屬于 NaCl 型面心立方結(jié)構(gòu)，晶格為Pb和S組成的面心立方子晶格相互套構(gòu)而成，其配位數(shù)為6。以 PbS 多晶薄膜制作成近紅外探測(cè)器，這類器件主要利用了 PbS 的本征光電導(dǎo)效應(yīng)。2. 性能參數(shù)PbS的常用響應(yīng)波段在 13微米、35微米、814微米三個(gè)大氣透過(guò)窗口。35微米波段的探測(cè)器分三種情況：在室溫下工作，但靈敏度大大下降，探測(cè)度一般只有17×10厘米·瓦·赫；熱電致冷溫度下工作(約-60)，探測(cè)度約為10厘米

8、·瓦·赫;77K或更低溫度下工作，探測(cè)度可達(dá)10厘米·瓦·赫以上。PbS探測(cè)器的時(shí)間常數(shù)一般為50500微秒。與典型PIN結(jié)光電二極管相比，在紅外波段具有更高的探測(cè)能力和更好的線性響應(yīng)。3. 使用條件由于它們的禁帶寬度很窄，因此在室溫下，熱激發(fā)足以使導(dǎo)帶中有大量的自由載流子，這就大大降低了對(duì)輻射的靈敏度。響應(yīng)波長(zhǎng)越長(zhǎng)的光，電導(dǎo)體這種情況越顯著，其中13微米波段的探測(cè)器可以在室溫工作（靈敏度略有下降）。814微米波段的探測(cè)器必須在低溫下工作，因此光電導(dǎo)體要保持在真空杜瓦瓶中，冷卻方式有灌注液氮和用微型制冷器兩種。紅外探測(cè)有時(shí)要探測(cè)非常微弱的輻射信號(hào)，例如1

9、0 瓦；輸出的電信號(hào)也非常小，因此要有專門的前置放大器。4. 應(yīng)用領(lǐng)域NDIR光譜學(xué)、光學(xué)測(cè)溫、光譜學(xué)、濕氣分析。5. 發(fā)展趨勢(shì) 近年來(lái)國(guó)內(nèi)外很多研究機(jī)構(gòu)和個(gè)人從高質(zhì)量、高性能 PbS 薄膜這個(gè)需求著手，用許多新穎的制備方法制備出了性能優(yōu)良的 PbS 薄膜。2000 年古巴的E.M.Larramendi 等人用 CBD 法在玻璃基片上沉積了 PbS 薄膜，同時(shí)發(fā)現(xiàn)加入 Br-1離子到沉積溶液中會(huì)影響薄膜的表面形貌，進(jìn)一步影響 PbS 薄膜的光電性能，光敏性能在平均顆粒尺寸 0.9um 時(shí)達(dá)到最佳。2001 年日本的 Tsukasa Torimoto 等人利用電化學(xué)原子層外延的方法，在 Au(1

10、11)基片上制備 PbS 薄膜，測(cè)試表明 PbS薄膜為立方巖鹽型晶體結(jié)構(gòu)，具有原子量級(jí)的平整度，其（200）晶面平行于基片表面。2001 年埃及的 S.M. Salim 等人利用 CBD 法，在玻璃基片上得到 p 型電導(dǎo)的硫化鉛薄膜，并研究了薄膜的微結(jié)構(gòu)。2002 年立陶宛 J. Puio 的等人在室溫和常壓下利用連續(xù)離子層吸附反應(yīng)(SILAR)在 Si 基片上制備硫化鉛薄膜，對(duì)薄膜的晶型、晶粒尺寸、微結(jié)構(gòu)、粗糙度與原子組成進(jìn)行了詳細(xì)研究。2004 年印度的 Rakesh K. Joshi 等人利用 CBD 在玻璃、SiO2、Si 基片上制備 PbS 納米薄膜，發(fā)現(xiàn)隨晶粒尺寸的減小，薄膜的光學(xué)

11、帶隙增大。2007 年，我國(guó)空空導(dǎo)彈研究院光電器件研究所司俊杰等人用聯(lián)氨法制備的 PbS 薄膜，通過(guò)優(yōu)化沉淀、敏化過(guò)程，改善了 PbS 薄膜成分和形貌的均勻性，由改進(jìn)后的薄膜所制備的光導(dǎo) PbS 探測(cè)器，在大尺度（25mm）光敏元尺寸下，光電響應(yīng)的不均勻度由改進(jìn)前的±50%減小為±25%。此外，2010年李國(guó)偉采用化學(xué)浴沉積（CBD）技術(shù)在玻璃基片上生長(zhǎng) PbS 光敏薄膜，并對(duì)薄膜在空氣中采取不同溫度進(jìn)行敏化，通過(guò)比較 PbS 薄膜敏化前后的微結(jié)構(gòu)和光電導(dǎo)靈敏度找出了優(yōu)化的敏化溫度。同時(shí)通過(guò)分析敏化前后薄膜的成分，探討了薄膜敏化后光電性能大幅度提高的機(jī)理。在光敏面為3mm&

12、#215;3mm時(shí)，薄膜方阻R約為1M左右，光電導(dǎo)靈敏度 S 最大可達(dá) 100%，滿足紅外探測(cè)器對(duì)材料性能的要求。探測(cè)器對(duì)黑體的響應(yīng)度 R 可達(dá) 7.69×102V/W，比探測(cè)率 D*可達(dá)0.23×108cm·Hz1/2·W-1（500K，400，10）。并且在劇烈的環(huán)境溫度沖擊下，探測(cè)器也能正常工作。銻化銦光電探測(cè)器1. 工作原理 用窄帶半導(dǎo)體 InSb 可以制備光導(dǎo)型(PC)紅外探測(cè)器也可以制備光伏型(PV)紅外探測(cè)器。光導(dǎo)型探測(cè)器是一種最基本的光子型探測(cè)器。窄帶半導(dǎo)體吸收能量大于禁帶寬度的光子，使價(jià)帶的電子躍遷到導(dǎo)帶，在導(dǎo)帶中產(chǎn)生非平衡電子，在價(jià)帶

13、中留下非平衡空穴，于是就改變了樣品的電導(dǎo)率。電導(dǎo)率的改變與入射光子通量有關(guān)。光伏型探測(cè)器是當(dāng)前非常重要的另一種光子型探測(cè)器。如果通過(guò)適當(dāng)?shù)膿诫s，使得半導(dǎo)體材料的不同區(qū)域分別具有 N 型 P 型的導(dǎo)電類型，在兩者的交接面處就形成了 PN 結(jié)。激光輻射能量被器件吸收后，產(chǎn)生非平衡電子和空穴，它們或直接在 PN 結(jié)中產(chǎn)生，或在 P 區(qū)、N 區(qū)產(chǎn)生而擴(kuò)散到 PN 結(jié)中，并在 PN 結(jié)的空間電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，從而改變空間電場(chǎng)分布，產(chǎn)生光伏效應(yīng)，對(duì)外電路貢獻(xiàn)光電流。這就是光伏型探測(cè)器。光導(dǎo)型探測(cè)器宜于做成單元或線列，由于信號(hào)讀出問(wèn)題，不宜做成二維陣列。光伏型探測(cè)器電壓輸出在 PN 結(jié)兩端，在芯片的上下兩方，因而

14、宜于做成大規(guī)模焦平面陣列探測(cè)器。2. 性能參數(shù)以實(shí)際產(chǎn)品為例：型號(hào)/參數(shù)DInSb5-De01DInSb5-De02DInSb5-De04DInSb5-De07DInSb5-HS光敏面尺寸(mm)12471×1（方）波長(zhǎng)范圍(m)1-5.51-5.51-5.51-5.51-5.5峰值響應(yīng)度(A/W)3333-峰值響應(yīng)度(V/W)-2x 104響應(yīng)時(shí)間(ns)-<25D*(peak，1KHz)cmHz1/2W-11 x 10111 x 10111 x 10111 x 10111 x 1011NEP(peak，1KHz)pW/Hz1/20.81.636-暗電流(A)73011035

15、0-前置放大器選配選配選配選配集成信號(hào)輸出模式電流電流電流電流電壓表2 D系列銻化銦探測(cè)器參數(shù)3. 使用條件銻化銦焦平面列陣成熟，具有高靈敏度，但也只能工作在中波紅外波段。銻化銦沒(méi)有波長(zhǎng)可調(diào)能力和多色能力。光導(dǎo)型探測(cè)器宜于做成單元或線列，由于信號(hào)讀出問(wèn)題，不宜做成二維陣列。光伏型探測(cè)器電壓輸出在 PN 結(jié)兩端，在芯片的上下兩方，因而宜于做成大規(guī)模焦平面陣列探測(cè)器。對(duì)PC型銻化銦光電探測(cè)器而言，在強(qiáng)光輻照下，不僅要考慮其光敏特性，還要考慮其熱敏特性，包括正溫度系數(shù)熱敏特性和負(fù)溫度系數(shù)熱敏特性；對(duì)PV型銻化銦光電探測(cè)器而言，不僅要考慮光生電動(dòng)勢(shì)的貢獻(xiàn)，還要考慮熱生電動(dòng)勢(shì)的貢獻(xiàn)，尤其是波段外激光輻照

16、下，熱生電動(dòng)勢(shì)是主要響應(yīng)機(jī)制之一。4. 應(yīng)用領(lǐng)域熱成象、搜尋熱目標(biāo)、輻射計(jì)、光譜鑒定、FTIR5. 發(fā)展趨勢(shì)InSb工作波段在中波是目前使用最廣泛，研究最成熟，軍用中用于尋的頭的常取128×128元凝視型陣列，因?yàn)橛休^好的性能/價(jià)格比，美、英、德和以色列等國(guó)研制的新型空-空導(dǎo)彈都使用了這一規(guī)格。要求精密、高速圖像或在高價(jià)值場(chǎng)合使用時(shí)常取256×256，640×480或512×512InSb探測(cè)器，美國(guó)Lockheed Martim公司生產(chǎn)的“狙擊手”吊艙，Raytheon公司研制的ATFLIR吊艙，Northrop Grumman公司與以色列拉發(fā)爾公司合

17、作研制的LITENING吊艙以及美國(guó)前視紅外系統(tǒng)公司研制的AN/AAQ-22 SAFIRE熱像儀等世界最先進(jìn)的前視，導(dǎo)航和瞄準(zhǔn)設(shè)備都使用了640×480元或類似規(guī)模的InSb陣列。2000×2000InSb與可見(jiàn)光組合成低幀頻、雙色相機(jī)已有報(bào)導(dǎo)用于戰(zhàn)場(chǎng)和環(huán)境監(jiān)視。進(jìn)入二十世紀(jì)九十年代，人們開始研究具有新型結(jié)構(gòu)的 InSb 探測(cè)器，例如超晶格量子阱結(jié)構(gòu)探測(cè)器、非制冷 InSb 探測(cè)器、高速響應(yīng)的銻化銦 Schottky 探測(cè)器，等等。InSb 紅外焦平面陣列物理模型和器件制備技術(shù)進(jìn)一步規(guī)范。當(dāng)前，1280×1024 元和 2048×2048 元的大規(guī)模 I

18、nSb 紅外焦平面陣列已相繼問(wèn)世。目前，人們努力進(jìn)一步探索光電效應(yīng)、光熱效應(yīng)等的新現(xiàn)象及其在 InSb 紅外焦平面陣列和新型光電探測(cè)器件上的創(chuàng)新應(yīng)用。進(jìn)一步的研究將主要集中在 InSb 的晶格振動(dòng)、載流子激發(fā)、輸運(yùn)和復(fù)合、雜質(zhì)缺陷、超晶格與量子阱以及器件物理等方面的新現(xiàn)象、新效應(yīng)和規(guī)律。硅光電池1. 工作原理晶體硅光電池有單晶硅與多晶硅兩大類，用P型（或n型）硅襯底，通過(guò)磷（或硼）擴(kuò)散形成Pn結(jié)而制作成的，生產(chǎn)技術(shù)成熟，是光伏市場(chǎng)上的主導(dǎo)產(chǎn)品。2. 性能參數(shù)光電池是固體光電器件中具有最大光敏面積的器件，它除用做探測(cè)器件外，還可作太陽(yáng)能變換器。其優(yōu)點(diǎn)：不消耗常規(guī)能源、光譜響應(yīng)范圍寬、線性響應(yīng)好、

19、無(wú)轉(zhuǎn)動(dòng)部件、壽命長(zhǎng)、維護(hù)簡(jiǎn)單、使用方便、功率大小可任意組合、無(wú)噪音、無(wú)污染、性能穩(wěn)定等。3. 使用條件硅光電池作為測(cè)量元件使用時(shí)， 應(yīng)作為電流源的形式來(lái)使用。4. 應(yīng)用領(lǐng)域近紅外探測(cè)器、光電讀出、光電耦合、激光增加準(zhǔn)直、電影還音等設(shè)備的光感受器。5. 發(fā)展趨勢(shì)采用埋層電極、表面鈍化、強(qiáng)化陷 光、密柵工藝、優(yōu)化背電極及接觸電極等技術(shù)，提高材料中的載流子收集效率，優(yōu)化抗反射膜、 凹凸表面、高反射背電極等方式，光電轉(zhuǎn)換效率有較大提高。單晶硅光電池面積有限，目前比較大的為10至20cm的圓片，年產(chǎn)能力46MW/a。目前主要課題是繼續(xù)擴(kuò)大產(chǎn)業(yè)規(guī)模，開發(fā)帶狀硅光電池技術(shù)，提高材料利用率。國(guó)際公認(rèn)最高效率在

20、AM1.5條件下為24%，空間用高質(zhì)量的效率在AM0條件約為13.5-18%，地面用大量生產(chǎn)的在AM1條件下多在11-18%之間。以定向凝固法生長(zhǎng)的鑄造多晶硅錠代替單晶硅，可降低成本，但效率較低。優(yōu)化正背電極的銀漿和鋁漿絲網(wǎng)印刷，切磨拋工藝，千方百計(jì)進(jìn)一步降成本，提高效率，大晶粒多晶硅光電池的轉(zhuǎn)換效率最高達(dá)18.6%。硅光電二極管1. 工作原理硅光電二極管的兩種典型結(jié)構(gòu)，上圖是采用N型單晶硅和擴(kuò)散工藝，稱為pn結(jié)構(gòu)。它的型號(hào)是2CU型。而下圖是采用P型單晶和磷擴(kuò)散工藝，稱np結(jié)構(gòu)。它的型號(hào)為2DU型。圖1 硅光電二極管兩種結(jié)構(gòu)2. 性能參數(shù)硅光電二極管體積小、響應(yīng)快、可靠性高，而且在可見(jiàn)光與近

21、紅外波段內(nèi)有較高的量子效率，困而在各種工業(yè)控制中獲得應(yīng)用。Si光電二極管光譜響應(yīng)范圍：0.41.1m，峰值響應(yīng)波長(zhǎng)約為0.9 m，電流響應(yīng)率通常在0.405A/W。頻率特性優(yōu)于光電導(dǎo)探測(cè)器，適宜于快速變化的光信號(hào)探測(cè)。3. 使用條件光電二極管在較小負(fù)載電阻下，入射光功率與光電流之間呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系。光電二極管的頻率特性響應(yīng)主要由三個(gè)因素決定：(a)光生載流子在耗盡層附近的擴(kuò)散時(shí)間；(b)光生載流子在耗盡層內(nèi)的漂移時(shí)間；(c)與負(fù)載電阻RL并聯(lián)的結(jié)電容Ci所決定的電路時(shí)間常數(shù)。4. 應(yīng)用領(lǐng)域醫(yī)療儀器、SpO2、血液分析、高速光通信、激光測(cè)距儀。PIN硅光電二極管1. 工作原理 由于PN結(jié)耗盡層

22、只有幾微米，大部分入射光被中性區(qū)吸收， 因而光電轉(zhuǎn)換效率低，響應(yīng)速度慢。為改善器件的特性，在PN結(jié)中間設(shè)置一層本征半導(dǎo)體(稱為I)，這種結(jié)構(gòu)便是常用的PIN光電二極管。2. 性能參數(shù)以產(chǎn)品為例： FPD510 PIN光電探測(cè)器系列FPD510FPD510-FFPD510-FV光學(xué)輸入光纖*自由空間自由空間電源電壓8-20V8-20V8-20V電流消耗50mA50mA50mA最大入射功率10mW10mW10mW操作溫度10-4010-4010-40光譜范圍*850-1650nm850-1650nm400-1000nm探測(cè)器直徑-0.3mm0.4mm頻率范圍0-250MHz0-250MHz0-25

23、0MHz3dB帶寬0-200MHz0-200MHz0-200MHz上升時(shí)間2ns2ns2ns增益*4x104V/W4x104V/W4x104V/W暗態(tài)噪聲-120dBm-120dBm-120dBmNEP(計(jì)算值)3pW/Hz3.2pW/Hz6pW/Hz輸出連接SMASMASMA輸出阻抗50W50W50W器件尺寸60x50x27mm60x50x27mm60x50x27mm輸出耦合DCDCDC表3 FPD510 PIN光電探測(cè)器參數(shù)快速響應(yīng)，低暗電流，高響應(yīng)度，高可靠性。3. 使用條件較低的偏置可獲得寬帶性，PIN型光電探測(cè)器的頻率響應(yīng)主要受到載流子在耗盡區(qū)的渡越時(shí)間和RC響應(yīng)時(shí)間的限制。在器件表

24、面面積一定的情況下，增大耗盡區(qū)寬度可以增大器件的RC頻率，但同時(shí)增大了載流子的渡越時(shí)間。4. 應(yīng)用領(lǐng)域光纖通信、傳感、測(cè)距；可見(jiàn)光至近紅外領(lǐng)域的光探測(cè)；快速光脈沖檢測(cè)；各種工業(yè)控制系統(tǒng)。5. 發(fā)展趨勢(shì)高速叉指式Ge PIN光電探測(cè)器：工作在1.3m彼長(zhǎng)，用于高速和長(zhǎng)拖曳光傳輸?shù)墓怆娞綔y(cè)器是光傳輸系統(tǒng)廣泛研究的主題。至今，許多這個(gè)工作都集中在班-族化合物半導(dǎo)體的長(zhǎng)波長(zhǎng)光電探測(cè)器。Ge被認(rèn)為是代替材料，因?yàn)樗羞m合于1.3m波長(zhǎng)的帶隙，間接帶隙0.67eV，直接帶隙0.81eV。Ge有達(dá)到高速性能的潛力，因?yàn)樗陔娦挪ㄩL(zhǎng)有高的電子遷移率和高的光吸收系數(shù)。此外，Ge有希望應(yīng)用于例如微波和毫米波光子系

25、統(tǒng)，這種需要高的光電流和高的線性度的系統(tǒng)。近來(lái)Ge在Si襯底上外延層的沉積工藝技術(shù)使Ge更有吸引力，因?yàn)樗菀着cSi集成電路技術(shù)兼容。已有報(bào)道用在si襯底外延生長(zhǎng)的Ge制作金屬-半導(dǎo)體-金屬(MSM)光電探測(cè)器。為了得到高的響應(yīng)度，使用叉指式的平面結(jié)構(gòu)。平面結(jié)構(gòu)的MSM光電探測(cè)器已廣泛應(yīng)用，因?yàn)樗容^容易制作和具有低的電容。然而，MSM探測(cè)器與PIN探測(cè)器比較，量子效率低，暗電流大。雪崩光電二極管（APD）1. 工作原理 雪崩光電二極管是具有內(nèi)增益的一種光伏器件。它利用光生載流子在強(qiáng)電場(chǎng)內(nèi)的定向運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生雪崩效應(yīng)，以獲得光電流的增益。在雪崩過(guò)程中，光生載流子在強(qiáng)電場(chǎng)的作用下高速定向運(yùn)動(dòng)，具有很高

26、動(dòng)能的光生電子或空穴與晶格原子碰撞，使晶格原子電離產(chǎn)生二次電子空穴對(duì)；二次電子和空穴對(duì)在電場(chǎng)的作用下獲得足夠的動(dòng)能，又使晶格原子電離產(chǎn)生新的電子空穴對(duì)，此過(guò)程像“雪崩”似地繼續(xù)下去。電離產(chǎn)生的載流子數(shù)遠(yuǎn)大于光激發(fā)產(chǎn)生的光生載流子數(shù)，這時(shí)雪崩光電二極管的輸出電流迅速增加。2. 性能參數(shù)以產(chǎn)品為例：APD系列高靈敏度雪崩光電探測(cè)器APD210APD310光學(xué)輸入自由空間*自由空間*電源電壓12-15V*12-15V*電流消耗200mA200mA最大入射功率10mW10mW操作溫度10到4010到40光譜范圍400-1000nm850-1650nm探測(cè)器直徑0.5mm0.03mm頻率范圍1-1600

27、MHz1-1800MHz3dB帶寬1-1000MHz1-1000MHz上升時(shí)間500ps500ps最大增益2.5x105V/W 1GHz，800nm2.5x104V/W 1GHz，1500nm暗態(tài)噪聲-80dBm-80dBmNEP(計(jì)算值)0.4pW/Hz2pW/Hz輸出連接BNCBNC輸出阻抗50W50W器件尺寸50x50x45mm50x50x45mm輸出耦合ACAC表4 APD系列高靈敏度雪崩光電探測(cè)器參數(shù)APD體積小、重量輕、工作電壓低、增益高、響應(yīng)速度快、動(dòng)態(tài)范圍大、抗外部電磁干擾性好、噪聲小。APD具有一個(gè)內(nèi)部的增益機(jī)制，可以快速響應(yīng)，在紫外到近紅外區(qū)域靈敏度極高。3. 使用條件暗電

28、流與光敏面大小有關(guān)，因此減小面積可以降低暗電流，從而提高探測(cè)器靈敏度。若外界環(huán)境溫度增加，則噪聲將會(huì)大幅度增加。理論證明，當(dāng)只有一種載流子引起碰撞電離時(shí)，雪崩光電二極管的噪聲比較低，它的增益帶寬積才比較大。所以要設(shè)法將雪崩管中的耗盡層分為吸收漂移區(qū)和高場(chǎng)倍增區(qū)，讓入射光盡量在漂移區(qū)中被吸收而產(chǎn)生初始光生電子空穴對(duì)，然后只讓其中一種類型的載流子進(jìn)入高場(chǎng)強(qiáng)區(qū)域產(chǎn)生倍增。在設(shè)計(jì)雪崩光敏二極管時(shí)，要保證載流子在整個(gè)光敏區(qū)的均勻倍增，這就需要選擇無(wú)缺陷的材料，必須保持更高的工藝和保證結(jié)面的平整。4. 應(yīng)用領(lǐng)域安檢設(shè)備、激光測(cè)距、運(yùn)動(dòng)控制、分析儀器、生物醫(yī)療、光通信、軍事、航空航天。5. 發(fā)展趨勢(shì) SAC

29、M-APD 具有內(nèi)部增益大、靈敏度高、低噪聲和高增益帶寬積等優(yōu)點(diǎn)，在光通信系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。對(duì)于傳統(tǒng)的InP/InGaAs APD，由于增益層InP 材料的k值在0.40.5范圍內(nèi)，在滿足一定靈敏度要求條件下，增益帶寬積(GBP)通常只能達(dá)到100 GHz 左右。相比之下，InAlAs / InGaAsAPD 增益層InAlAs材料的k值在0.20.3的范圍內(nèi);Si/Ge APD增益層Si的k 值 0.1，說(shuō)明Si最有希望作為光通信用APD 的增益層候選材料。Si基探測(cè)器一直受到重視。研究表明，與傳統(tǒng)的InP/InGaAs APD 相比，Si/Ge APD 具有GBP 高(200GHz)

30、擊穿電壓低(27 V)擊穿電壓溫度系數(shù)低( 0.014 V /)過(guò)剩噪聲因子低、整個(gè)生產(chǎn)工藝與標(biāo)準(zhǔn)CMOS 制程完全兼容和易于與TIA 等后續(xù)電路實(shí)現(xiàn)單片集成等一系列優(yōu)點(diǎn)，是光通信領(lǐng)域近年來(lái)研發(fā)的熱點(diǎn)。早在2001年開始，西方發(fā)達(dá)國(guó)家開始將碲鎘汞APD探測(cè)器陣列應(yīng)用到激光雷達(dá)上，以下列出近15年來(lái)，官方公布過(guò)的研究計(jì)劃。表5 西方發(fā)達(dá)國(guó)家碲鎘汞APD探測(cè)器陣列研究計(jì)劃及用途硅光電池、三極管、二極管、PIN、APD性能參數(shù)對(duì)比總結(jié)在動(dòng)態(tài)特性（即頻率響應(yīng)與時(shí)間響應(yīng)）方面：以光電倍增管和光電二極管（尤其是PIN管與雪崩管）為最好。在光電特性（即線性）方面：以光電倍增管、光電二極管和光電池為最好。在靈

31、敏度方面，以光電倍增管、雪崩光電二極管、光敏電阻和光電三極管為最好。輸出電流大的器件有大面積光電池、光敏電阻、雪崩光電二極管和光電三極管。外加偏置電壓最低的是光電二極管、光電三極管，光電池不需外加偏置。在暗電流方面，光電倍增管和光電二極管最小，光電池不加偏置時(shí)無(wú)暗電流，加反向偏置后暗電流也比光電倍增管和光電二極管大。長(zhǎng)期工作的穩(wěn)定性方面：以光電二極管、光電池為最好，其次是光電倍增管與光電三極管。異質(zhì)結(jié)探測(cè)器1. 工作原理以緩變雙異質(zhì)結(jié)GaInAs/InP PIN PD為例：GaInAs/InP異質(zhì)結(jié)構(gòu)由氣體源分子束外延(GSMBE)在Si-InP襯底上生長(zhǎng)。PIN外延結(jié)構(gòu)由GaInAs腐蝕終止

32、層及隨后n-InP，緩變帶隙層(GBL)， 190nm厚無(wú)意摻雜GaInAs有源層，另一GBL， p-InP層， p+-GaInAs接觸層。GBL由4周期超晶格組成。器件剖面結(jié)構(gòu)如下圖所示。雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)減少了擴(kuò)散電流，緩變帶隙超晶格減少了GaInAs/InP PIN PD的載流子俘獲效應(yīng)，復(fù)合波導(dǎo)設(shè)計(jì)減少了分布電容，使PD的高性能達(dá)到最佳化。圖2 GaInAs/InP PIN PD器件結(jié)構(gòu)2. 性能參數(shù)以In0.53Ga0.47As異質(zhì)結(jié)光伏型紅外探測(cè)器為例：在異質(zhì)結(jié)構(gòu)的探測(cè)器里面，只有隧穿噪聲和產(chǎn)生-復(fù)合噪聲對(duì)探測(cè)度起主要作用。異質(zhì)結(jié)的結(jié)構(gòu)也會(huì)影響探測(cè)度的大小。例如N-p結(jié)構(gòu)的異質(zhì)結(jié)的探測(cè)器的

33、性能比P-n結(jié)構(gòu)的探測(cè)器性能好。即N-p異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的探測(cè)度明顯高于P-n異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的探測(cè)度，這是因?yàn)镹-p異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的量子效率高，這源于p型In0.53Ga0.47As材料中的光吸收大于n型In0.53Ga0.47As材料的光吸收。因?yàn)閜型In0.53Ga0.47As材料中的少子-電子擴(kuò)散長(zhǎng)度大，壽命大，即復(fù)合幾率比較小，所以光吸收大，量子效率大。N-p異質(zhì)結(jié)構(gòu)中p型材料的表面復(fù)合速度是影響紅外探測(cè)器性能的一個(gè)重要的材料參數(shù)，如果p型材料的表面復(fù)合速度過(guò)高，會(huì)降低R0A，并且量子效率和探測(cè)度也會(huì)明顯下降。對(duì)p型材料的表面進(jìn)行鈍化處理，以有效的減小表面復(fù)合。N-p異質(zhì)結(jié)構(gòu)的In0.53Ga0.4

34、7A光伏型紅外探測(cè)器的性能被產(chǎn)生-復(fù)合、隧穿噪聲所限制，并且只有在產(chǎn)生-復(fù)合限制的范圍內(nèi)可以得到高的探測(cè)度，因此與產(chǎn)生-復(fù)合噪聲相關(guān)的材料參數(shù)，如載流子濃度、表面復(fù)合速度都是決定器件性能的重要參數(shù)。因?yàn)楣馕罩饕拗圃谡瓗Р牧现?，窄帶材料參?shù)對(duì)得到優(yōu)良的器件起決定性的作用。另外，因?yàn)閜型材料In0.53Ga0.47A無(wú)限厚時(shí)，探測(cè)度達(dá)到飽和。3. 使用條件以Ge/Si異質(zhì)結(jié)光電探測(cè)器為例：降低Ge外延層、特別是Ge緩沖層的位錯(cuò)密度可以有效的降低器件的暗電流;在高偏壓下，受電場(chǎng)影響Ge材料的能帶發(fā)生彎曲使得位錯(cuò)的電離能降低，暗電流增大，并隨著Ge吸收層厚度的減小，影響顯著增大。采用Ge/Si異質(zhì)

35、結(jié)制備的光電探測(cè)器對(duì)光信號(hào)的響應(yīng)度增大，響應(yīng)截止波長(zhǎng)向長(zhǎng)波長(zhǎng)延伸。在SACM-APD型Ge/Si異質(zhì)結(jié)探測(cè)器中，頻率特性在大增益的情況下還受到雪崩建立時(shí)間的影響。對(duì)于SACM-APD型Ge/Si異質(zhì)結(jié)探測(cè)器，在較高的光輻射或高外加偏壓的情況下，受到雪崩倍增產(chǎn)生的載流子形成的空間電荷效應(yīng)影響，雪崩增益下降，而器件的響應(yīng)頻率帶寬增大，在某一偏壓下，探測(cè)器有最大增益帶寬積。4. 應(yīng)用領(lǐng)域光纖通信5. 發(fā)展趨勢(shì)2007年，MIT的Yin等報(bào)道了 Si基Ge波導(dǎo)型PIN光電探測(cè)器，其量子效率在可探測(cè)區(qū)域內(nèi)均高達(dá)90%，在1550 nm處的響應(yīng)度為1.08 A/W，帶寬為7.2 GHz。隨后，Vivien

36、也報(bào)道了在SOI襯底上制備的Ge波導(dǎo)型光電探測(cè)器，外加偏壓為-6 V時(shí)帶寬高達(dá)42 GHz。Intel公司也報(bào)道了 Ge波導(dǎo)性PIN光電探測(cè)器，偏壓為-2 V時(shí)帶寬為31.2 GHz。波導(dǎo)型光電探測(cè)器將光的傳播方向與光生載流子的運(yùn)動(dòng)方向分開，不僅提高了響應(yīng)度和帶寬，并且容易與波導(dǎo)、調(diào)制解調(diào)器等更好的集成在一起。2008年，Inter公司的Kang等報(bào)道了分離吸收層、電荷層合積累層雪崩(SACM-APD)結(jié)構(gòu)的Si基Ge光電探測(cè)器，其帶寬增益積可達(dá)到340 GHz，顯著高于III-V族材料的探測(cè)器。2012年蘭州大學(xué)的魏瑩也分別設(shè)計(jì)了PIN型Ge/Si異質(zhì)結(jié)光電探測(cè)器和SACM-APD型Ge/S

37、i異質(zhì)結(jié)光電探測(cè)器系統(tǒng)，并從二者的工作機(jī)理和對(duì)探測(cè)器探測(cè)性能兩方面著手提出了優(yōu)化計(jì)算模型，配以工藝技術(shù)分析了其未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。在較大程度上避免當(dāng)前器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的盲目性，增強(qiáng)制造過(guò)程中技術(shù)措施的針對(duì)性，對(duì)材料、結(jié)構(gòu)、工藝和特性之間的相互制約關(guān)系取得更加深入的認(rèn)識(shí)，并為解決器件實(shí)際使用過(guò)程中的相關(guān)問(wèn)題提供新的思路。 2014年，中科院理化所賀軍輝團(tuán)隊(duì)和清華大學(xué)孫家林團(tuán)隊(duì)合作，在實(shí)現(xiàn)超寬帶光探測(cè)方面取得重要進(jìn)展，制作了還原氧化石墨烯硅納米線陣列異質(zhì)結(jié)光探測(cè)器，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)探測(cè)器就可以完成從可見(jiàn)光到太赫茲波的超寬帶光探測(cè)，達(dá)到了以往多個(gè)探測(cè)器同時(shí)工作才能達(dá)到的探測(cè)帶寬。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，該探測(cè)器對(duì)人體紅外輻射具有

38、靈敏的響應(yīng)，可用于人體紅外傳感如夜視領(lǐng)域。相關(guān)成果發(fā)布在微尺度上。象限探測(cè)器1. 工作原理四象限光電探測(cè)器實(shí)際由四個(gè)光電探測(cè)器構(gòu)成，每個(gè)探測(cè)器一個(gè)象限，目標(biāo)光信號(hào)經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)后在四象限光電探測(cè)器上成像。一般將四象限光電探測(cè)器置于光學(xué)系統(tǒng)焦平面上或稍離開焦平面。當(dāng)目標(biāo)成像不在光軸上時(shí)，四個(gè)象限上探測(cè)器輸出的光電信號(hào)幅度不相同，比較四個(gè)光電信號(hào)的幅度大小就可以知道目標(biāo)成像在哪個(gè)象限上（也就知道了目標(biāo)的方位），若在四象限光電探測(cè)器前面加上光學(xué)調(diào)制盤，則還可以求出像點(diǎn)偏離四象限光電探測(cè)器中心的距離或角來(lái)。四象限光電探測(cè)器、常用于激光制導(dǎo)或激光準(zhǔn)直中。目前在光電探測(cè)系統(tǒng)中廣為使用的多元非成像光電探測(cè)器多為

39、四象限光電探測(cè)器件。它包括各種規(guī)格的硅光電池以及類型各異的四象限光電二極管，如四象限PIN光電二極管、四象限雪崩光電二極管等。2. 性能參數(shù)高響應(yīng)（動(dòng)態(tài)范圍），可靠性好，寬溫度范圍。類型信噪比工作電壓受溫度影響信號(hào)電路應(yīng)用四象限雪崩光電二極管較高150V-300V高復(fù)雜海爾發(fā)導(dǎo)彈四象限PIN光電二極管較低10-15V（0.85m）60-80V（1.06m）低簡(jiǎn)單可靠寶石路炸彈表6 APD和PIN四象限探測(cè)器在制導(dǎo)應(yīng)用中的對(duì)比3. 使用條件 影響四象限光電檢測(cè)系統(tǒng)工作精度的因素主要包括外圍大氣環(huán)境、目標(biāo)光斑大小和光斑能量分布以及系統(tǒng)本身采用的算法、器件響應(yīng)差異和噪聲所帶來(lái)的四象限不均勻性。4.

40、應(yīng)用領(lǐng)域光電信號(hào)檢測(cè)、光電定向、光電準(zhǔn)直、光電對(duì)中、光電自動(dòng)跟蹤、光電制導(dǎo)、太陽(yáng)能跟蹤、原點(diǎn)定位、位置測(cè)量等。5. 發(fā)展趨勢(shì) 美國(guó)海爾法導(dǎo)彈探測(cè)器采用的是硅雪崩四象限光電二極管探測(cè)器。雪崩四象限硅光電二極管由于本身能產(chǎn)生雪崩增益，使得整個(gè)探測(cè)系統(tǒng)的信噪比提高，探測(cè)距離更遠(yuǎn)。通常雪崩光電二極管系統(tǒng)的信噪比比PIN 光電二極管探測(cè)系統(tǒng)的信噪比高一個(gè)量級(jí)。而雪崩象限探測(cè)系統(tǒng)的缺點(diǎn)是:目前條件下的雪崩探測(cè)器光敏面不能做得太大(一般直徑為12mm)，從而影響導(dǎo)彈的跟蹤視場(chǎng)。且雪崩硅光電二極管本身還具有工作電壓偏高(通常為150350V)，環(huán)境溫度對(duì)其性能影響較大的缺點(diǎn)。激光導(dǎo)引頭用四象限PIN光電二極管

41、探測(cè)系統(tǒng)具有電子線路簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定可靠的特點(diǎn)。PIN光電二極管探測(cè)系統(tǒng)中PIN 光電二極管的工作電壓Vp不需要太高(導(dǎo)引系統(tǒng)采用0.85m 激光時(shí)，Vp使用1015 V 即可正常工作，導(dǎo)引系統(tǒng)采用1.06m激光時(shí)，Vp使用6080V)，且環(huán)境溫度對(duì)其性能影響較小。 我國(guó)在2005年就研制出了一種四象限激光探測(cè)器組件，并投入了生產(chǎn)中采用的光電探測(cè)器為6 mm 的Si-PIN 光電二極管芯片，組件集成在一體積為23×25帶玻璃光窗的金屬管殼內(nèi)。通過(guò)調(diào)節(jié)增益控制端的電壓可以使光電探測(cè)器組件的響應(yīng)度在102 104 V/W之間變化，從而可使組件動(dòng)態(tài)范圍在萬(wàn)倍以上。 2014年，周培松等人基于

42、四象限探測(cè)器設(shè)計(jì)了一款激光跟蹤儀目標(biāo)脫靶量測(cè)量系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)測(cè)量速度快，每秒測(cè)量次數(shù)可達(dá)600次以上；測(cè)量精度高，在±500m量程范圍內(nèi)精度可達(dá)5m。該目標(biāo)脫靶量測(cè)量系統(tǒng)可以廣泛應(yīng)用于微位小移測(cè)量的相關(guān)領(lǐng)域。圖3 脫靶量測(cè)量系統(tǒng)框圖光電位置探測(cè)器（PSD）1. 工作原理 是根據(jù)橫向光電效應(yīng)(電壓和電流信號(hào)隨著光斑位置變化而變換的現(xiàn)象)的半導(dǎo)體敏感元件，將照射在光敏面上的光斑強(qiáng)度和位移量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)位置探測(cè)。2. 性能參數(shù)以實(shí)際產(chǎn)品為例：SW806T -PSD型高靈敏寬量程射線探測(cè)器1、探頭尺寸：65×310mm2、探測(cè)器尺寸：50x50mm，Nal閃爍晶體3

43、、測(cè)量范圍：0.1uSv/h200uSv/h4、能量閾： 35Kev5、能量范圍：48Kev3.0Mev6、靈敏度： 600CPS / uSv/h7、溫度范圍：-20+508、相對(duì)濕度：959、工作電源：9-36V此款射線探測(cè)器不僅具有高靈敏度，可以測(cè)量建筑材料是否含有放射物質(zhì)，而且還具有良好的線性特性。其中主要優(yōu)點(diǎn)是有潛力制作大面積器件而沒(méi)有內(nèi)部中斷或分界面，以便它們對(duì)光輸人信息提供連續(xù)的傳感。不同類型的PSD性能對(duì)比：PSD類型電極特點(diǎn)性能電極型/Wallmark型電極設(shè)計(jì)為點(diǎn)狀，使用時(shí)不加偏置。靈敏度、響應(yīng)度和線性度等性能都很差。單面四橫向直條電極電極單面條形布置，使用時(shí)要加偏壓。各種性

44、能提高，電極間互相影響，非線性度較大。雙面分流直條形電極電極放在PN結(jié)的兩面。電極間相互影響小，線性度顯著提高，暗電流較大，不便于加反向偏壓。枕型電極光敏面周邊帶弧度形電阻條的枕型結(jié)構(gòu)。保持了四邊形結(jié)構(gòu)的性能優(yōu)點(diǎn)，又有良好的線性度，但面積較小。直角形電極光敏面周邊帶直線形邊界，并帶了電阻邊框。性能優(yōu)異。3. 使用條件 位置分辨率是指最小可探測(cè)的光斑移動(dòng)距離，它主要受器件尺寸、信噪比等因素影響。一般規(guī)律是尺寸越大的器件其分辨率越低，提高信噪比可以提高位置分辨率。暗電流由體漏電流和表面漏電流兩部分組成，表面漏電流取決于材料質(zhì)量、器件制作過(guò)程所采取的表面鈍化工藝。暗電流存在于所有工作在反偏狀態(tài)下的結(jié)

45、型器件中，因此在PSD中也存在。由于存在暗電流，在設(shè)計(jì)信號(hào)放大器時(shí)必須選擇具有適當(dāng)偏置電流的運(yùn)算放大器。4. 應(yīng)用領(lǐng)域 各類輻射檢測(cè)系統(tǒng)PSD；在位置坐標(biāo)的精確測(cè)量上，如:兵器制導(dǎo)和跟蹤、工業(yè)自動(dòng)控制、或位置變化等技術(shù)領(lǐng)域。5. 發(fā)展趨勢(shì) 2001年，澳大利亞西部大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院的J.Henry等人，用新的氫化非晶硅(a一si:H)肖特基勢(shì)壘結(jié)構(gòu)制作的薄膜位敏探測(cè)器PsD與常規(guī)的晶體硅器件位敏探測(cè)器進(jìn)行了比較研究。測(cè)得a-Si:H結(jié)構(gòu)的器件輸出線性相關(guān)系數(shù)為r=0.983-0.997，晶硅器件如Pt/C-Si和Au-In/C-si器件的r近似為1。另外a-Si:H結(jié)構(gòu)器件的空間分辨小于5

46、0林m，而晶硅(C一Si)結(jié)構(gòu)器件的空間分辨小于1opm。量子阱光電探測(cè)器1. 工作原理與傳統(tǒng)探測(cè)器的探測(cè)機(jī)理不同， 量子阱焦平面探測(cè)器是靠量子阱結(jié)構(gòu)中光子和電子之間的量子力學(xué)相互作用來(lái)完成探測(cè)的。這種探測(cè)器使用帶隙比較寬（GaAs 為1.43 eV）的-族材料，主要有光導(dǎo)型量子阱材料（GaAs/AlGaAs） 和光伏型量子阱材料（InAs/InGaSb、InAs/InAsSb）兩種類型。2. 性能參數(shù)其中GaAs/GaAlAs 材料體系發(fā)展得最為成熟，覆蓋了從中波紅外到超長(zhǎng)波紅外區(qū)域。采用這個(gè)材料體系制作量子阱紅外探測(cè)器時(shí)，以GaAs 作為量子阱材料，GaAlAs 作為量子勢(shì)壘材料，通過(guò)選擇

47、合適的量子阱厚度和勢(shì)壘材料組分，可使量子阱紅外探測(cè)器的響應(yīng)波長(zhǎng)滿足814 m 長(zhǎng)波紅外波段的要求。具有量子效率高、暗電流低等優(yōu)點(diǎn)。3. 使用條件雖然量子阱紅外光電探測(cè)器是光電導(dǎo)體，但它具有高阻抗和低功耗，容易與低溫讀出電路匹配。量子阱紅外光電探測(cè)器的主要優(yōu)點(diǎn)是均勻、與成熟的III-V族材料技術(shù)相關(guān)的可重現(xiàn)性能、低背景應(yīng)用時(shí)隨工作溫度降低性能持續(xù)提高、與可被其他III-V族器件共同使用的柔性設(shè)備相關(guān)的長(zhǎng)期成本低。由于在低溫和極長(zhǎng)波紅外波段的材料質(zhì)量高，因此量子阱紅外光電探測(cè)器有可能滿足許多低背景、低溫應(yīng)用的系統(tǒng)要求。就列陣尺寸、均勻性和成本來(lái)說(shuō)，對(duì)于一些長(zhǎng)波紅外和極長(zhǎng)波紅外焦平面列陣應(yīng)用，量子阱

48、紅外光電探測(cè)器有優(yōu)勢(shì)。特別是，量子阱紅外光電探測(cè)器在低溫工作時(shí)有希望用于極長(zhǎng)波紅外。4. 應(yīng)用領(lǐng)域 1)軍事方面，QWIP可用來(lái)精確制導(dǎo)、戰(zhàn)場(chǎng)監(jiān)、軍事目標(biāo)的偵察、搜索和自動(dòng)跟蹤、探測(cè)地雷等，對(duì)避免人員傷亡，提高戰(zhàn)斗力發(fā)揮巨大作用。2)工業(yè)方面，用于生系統(tǒng)和設(shè)備的故障檢測(cè)。如電力系統(tǒng)，高壓輸電線路發(fā)生故障，檢測(cè)十分困難，在直升飛機(jī)上，用量子阱紅外探測(cè)器陣列制成的紅外相機(jī)，可迅速、準(zhǔn)確地查出故障位置和嚴(yán)重程度。同時(shí)還可用于產(chǎn)品的無(wú)損探傷及質(zhì)量鑒定。如金屬、非金屬材料及其加工部件的無(wú)損探傷及質(zhì)量鑒定，金屬焊接部件的質(zhì)量鑒定。無(wú)需解剖、取樣，便可迅速查出材料或部件內(nèi)部的缺陷位置、大小和嚴(yán)重程度。3)消

49、防方面，視覺(jué)受限是火災(zāi)中的主要問(wèn)題，不論是森林大火，還是建筑物起火，濃厚的煙霧阻擋了消防人員的視線，這時(shí)可通過(guò)紅外相機(jī)，找到起火點(diǎn)，了解建筑物內(nèi)的情況，及時(shí)采取措施，減小財(cái)產(chǎn)損失，保障生命安全。4)醫(yī)療方面，人身體上有病變組織的溫度和正常組織的會(huì)有所不同，利用它們之間的微小差別，通過(guò)QWIP可探測(cè)到病變的部位、發(fā)展情況和嚴(yán)重程度，輔助醫(yī)務(wù)人員采取正確的治療手段，病人得到早日康復(fù)。5. 發(fā)展趨勢(shì)和解決的問(wèn)題量子阱紅外焦平面探測(cè)器在384×288，640×512規(guī)模以上的大面陣和雙色焦平面方面有應(yīng)用價(jià)值，目前主要應(yīng)用在工業(yè)及醫(yī)療。在允許進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間積分的軍事領(lǐng)域也有應(yīng)用，如德國(guó)的

50、坦克駕駛員觀察用熱像儀，使用的是640×512元長(zhǎng)波量子阱紅外焦平面探測(cè)器，光譜響應(yīng)范圍8-9µm。量子阱紅外焦平面探測(cè)器未來(lái)最有潛力的發(fā)展方向是空間軍事應(yīng)用，如多色（4色），超長(zhǎng)波（1416µm）大面陣。早在2002年，IEEE會(huì)員J.Jiang等人，用Si作襯底研制了InGaAs-InP量子阱紅外光電探測(cè)器。使用低溫成核層技術(shù)和厚緩沖層材料生長(zhǎng)技術(shù)在Si上生長(zhǎng)InP。使用現(xiàn)場(chǎng)熱循環(huán)退火技術(shù)減少InP在Si上的線錯(cuò)密度。使用這個(gè)方法，使探測(cè)器的暗電流減小兩個(gè)數(shù)量級(jí)，在77K和7-9m波長(zhǎng)范圍得到探測(cè)靈敏度高達(dá)2.3×109cmHz1/2/W. 與碲鎘汞

51、相比，量子阱紅外探測(cè)器材料的優(yōu)點(diǎn)是可提供更好的粘合強(qiáng)度、化學(xué)穩(wěn)定性、摻雜能力以及熱穩(wěn)定性，加上GaAs/GaAlAs 材料體系的材料生長(zhǎng)技術(shù)比較成熟，所以近年來(lái)量子阱紅外探測(cè)器材料得到了迅速發(fā)展，重點(diǎn)發(fā)展長(zhǎng)波量子阱材料和多色量子阱材料技術(shù)，其中以美國(guó)噴氣實(shí)驗(yàn)室的產(chǎn)品為世界最高水平。如美國(guó)噴氣實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)的長(zhǎng)波多量子阱周期結(jié)構(gòu)包括4.5×10-6 mm 的GaAs（n=4×1017 cm-3）阱和5×10-5mm的Al0.3Ga0.7As阻擋層，多量子阱結(jié)構(gòu)夾在0.5 m的GaAs 頂部和底部（摻雜濃度n=5×1017 cm-3）接觸層間。由這種量子阱材料制

52、成的探測(cè)器在偏置電壓為-3V 時(shí)，響應(yīng)峰值位于8.5 m，峰值響應(yīng)率為300 mA/W，光譜寬度/=10%，截止波長(zhǎng)為8.9m。美國(guó)噴氣實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)的三色量子阱結(jié)構(gòu)由3個(gè)多量子阱區(qū)組成，中間由GaAs接觸層隔開。每個(gè)多量子阱結(jié)構(gòu)大約有30 個(gè)周期，每個(gè)周期包括一層厚度為5×10-5mm的AlxGa1-xAs勢(shì)壘層和一層GaAs 勢(shì)阱層。勢(shì)壘層中鋁組分的x值和勢(shì)阱中的幾何深度根據(jù)所需的光譜響應(yīng)選擇。此外，噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室以InGaAs/GaAs/AlGaAs 材料體系為基礎(chǔ)研制出640×512 四色焦平面器件，其性能為：300 K背景溫度下f 數(shù)為2，工作溫度45K，各探測(cè)器的探

53、測(cè)率均大于1011 cm·Hz1/2W-1， 可操作像元數(shù)為99.9%，可在4-5.5m、8.5-10m、10-12m和13-15.5m 波長(zhǎng)波段響應(yīng)。目前，美國(guó)量子阱紅外光電探測(cè)器技術(shù)公司也在加緊發(fā)展GaAlAs/GaAs 四色焦平面陣列，陣列規(guī)模達(dá)到1024×1024元，波長(zhǎng)覆蓋可見(jiàn)光和長(zhǎng)波紅外，其中有二色為中波紅外區(qū)。結(jié)語(yǔ) 光電探測(cè)器正朝著超高速、高靈敏度、寬帶寬以及單片集成的方向發(fā)展，它可廣泛地應(yīng)用于光通信、信號(hào)處理、傳感系統(tǒng)和測(cè)量系統(tǒng)。參考文獻(xiàn)1 李修乾，激光輻照碲鎘汞光電探測(cè)器實(shí)驗(yàn)研究，國(guó)防科技大學(xué)畢業(yè)論文，2002年2 Wijewarnasuriya Priy

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