量子點(diǎn)紅外光電探測(cè)器“熱”起來(lái)了

1、量子點(diǎn)紅外光電探測(cè)器“熱”起來(lái)了圖1.InAs量子點(diǎn)的原子力學(xué)顯微照片（左圖）和利用MOCVD自組裝生長(zhǎng)的單個(gè)量子點(diǎn)放大圖（中圖）。掃描電子顯微鏡對(duì)QDIP有源區(qū)域的橫截面進(jìn)行成像，顯示量子點(diǎn)受應(yīng)力影響垂直排列（右圖）。圖2.工作溫度為130K時(shí)，QDIPFPA對(duì)人體組織的熱成像圖片（上圖），以及工作溫度為200K時(shí)，QDIPFPA對(duì)電烙鐵的成像圖片（下圖）。目前大多數(shù)紅外焦平面陣列（FPA）都以量子阱紅外光電探測(cè)器（QWIP）或碲鎘汞（MCT）光電探測(cè)器為基礎(chǔ)，而這兩類(lèi)探測(cè)圖1. InAs量子點(diǎn)的原子力學(xué)顯微照片（左圖）和利用MOCVD自組裝生長(zhǎng)的單個(gè)量子點(diǎn)放大圖（中圖）。掃描電子顯微鏡對(duì)Q

2、DIP有源區(qū)域的橫截面進(jìn)行成像，顯示量子點(diǎn)受應(yīng)力影響垂直排列（右圖）。圖2. 工作溫度為130K時(shí)，QDIP FPA對(duì)人體組織的熱成像圖片（上圖），以及工作溫度為200K時(shí)，QDIP FPA對(duì)電烙鐵的成像圖片（下圖）。 目前大多數(shù)紅外焦平面陣列（FPA）都以量子阱紅外光電探測(cè)器（QWIP）或碲鎘汞（MCT）光電探測(cè)器為基礎(chǔ)，而這兩類(lèi)探測(cè)器都存有重大的不足。 QWIP對(duì)垂直入射光的探測(cè)效率很低，因?yàn)榇怪狈较蛏瞎庾拥能S遷被禁止，盡管利用光柵可以彌補(bǔ)這一缺點(diǎn)，但光柵的制作無(wú)疑會(huì)增加系統(tǒng)的成本。另外，QWIP在高溫工作時(shí)暗電流較高，所以通常采用冷卻方式使其在低溫下工作，這便大大增加了成像系統(tǒng)的成本、體

3、積和功耗。 MCT光電探測(cè)器則因?yàn)镸CT固有的不穩(wěn)定性，很難實(shí)現(xiàn)高度均勻的探測(cè)器陣列，而且以MCT為基礎(chǔ)的FPA還具有成本高和效率低的缺點(diǎn)。 最近，量子點(diǎn)紅外光電探測(cè)器（QDIP）在工作溫度和量子效率方面取得的重大進(jìn)步，將有望引領(lǐng)新一輪成像技術(shù)熱潮，并將在醫(yī)學(xué)與生物學(xué)成像、環(huán)境與化學(xué)監(jiān)測(cè)、夜視與太空紅外成像等領(lǐng)域開(kāi)辟新的應(yīng)用天地。目前，通過(guò)采用納米技術(shù)形成量子點(diǎn)，研究人員已經(jīng)在開(kāi)發(fā)室溫或接近室溫工作的高性能成像器方面邁出了一大步。 量子點(diǎn)又稱(chēng)“人造原子”， 目前量子點(diǎn)作為提高電子與光電子器件性能的一種手段，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用。量子點(diǎn)的尺寸很小，通常只有10nm，因此其具有獨(dú)特的三維光學(xué)限制特性。將

4、量子點(diǎn)應(yīng)用在紅外光電探測(cè)器上，可以使探測(cè)器在更高的溫度下工作。 開(kāi)發(fā)高溫工作的紅外光電探測(cè)器，可以降低紅外成像系統(tǒng)的成本，減小重量，提高效率，這將極大地拓展紅外光電探測(cè)器的應(yīng)用范圍。研究人員已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了首個(gè)以QDIP為基礎(chǔ)的焦平面陣列。 室溫工作的QDIP 最近，研究人員在開(kāi)發(fā)高性能QDIP方面取得了重大突破。新開(kāi)發(fā)的在室溫下工作的QDIP，探測(cè)峰值波長(zhǎng)在中紅外波段（35m），這一波段具有重要的應(yīng)用價(jià)值，因?yàn)榈厍虼髿鈱訉?duì)中紅外波段的吸收很小。 該款QDIP 由砷化銦（InAs）量子點(diǎn)和銦砷化鎵（InGaAs）量子阱組成的混合結(jié)構(gòu)，同時(shí)利用鋁銦砷化物（AlInAs）形成勢(shì)壘。整個(gè)器件通過(guò)低壓金屬

5、有機(jī)化學(xué)氣相沉積（MOCVD）工藝生長(zhǎng)在一個(gè)磷化銦（InP）襯底上。InAs量子點(diǎn)按Stranski-Krastanow模式自組裝生長(zhǎng)。量子點(diǎn)的結(jié)構(gòu)特性（包括大小和密度）均通過(guò)原子力學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡顯示出來(lái)（見(jiàn)圖1）。 研究人員測(cè)量了不同溫度下該探測(cè)器的光譜響應(yīng)曲線，偏置電壓固定在垂直入射狀態(tài)，并且排除外界干擾。室溫工作時(shí)，光譜響應(yīng)的峰值波長(zhǎng)為4.1。當(dāng)溫度為77200K時(shí)，峰值響應(yīng)度隨溫度增加而增加；當(dāng)溫度高于200K時(shí)，峰值響應(yīng)度開(kāi)始下降；當(dāng)溫度為150K、偏置電壓為-5V時(shí)，峰值響應(yīng)度為822mA/W。當(dāng)溫度為120K、150K以及室溫情況下，探測(cè)器的靈敏度分別為81011cmH

6、z1/2/W、41010cmHz1/2/W和6107cmHz1/2/W。此外，溫度為150K時(shí)，探測(cè)器的量子效率為35。這一測(cè)量結(jié)果已經(jīng)發(fā)表在2007年3月的應(yīng)用物理快報(bào)上。目前研究人員進(jìn)一步改善了探測(cè)器的性能，通過(guò)對(duì)量子點(diǎn)的生長(zhǎng)進(jìn)行優(yōu)化可以使探測(cè)器的量子效率達(dá)到48，從而對(duì)紅外光的吸收更強(qiáng)。 以QDIP技術(shù)為基礎(chǔ)，研究人員已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一個(gè)320256的FPA，其陣列間距為30，像素大小為2525。該FPA能在200K的高溫下成像，這是目前QDIP FPA的最高工作溫度。該FPA的峰值探測(cè)波長(zhǎng)為4，響應(yīng)度為34mA/W，轉(zhuǎn)換效率為1.1，當(dāng)溫度為120K時(shí)，噪聲等效溫差（NEDT）為344mK（見(jiàn)圖2）。作者：Manijeh Razeghi 參考文獻(xiàn) 1. H. Lim, S. Tsao, W. Zhang, and M. Razeghi, Appl.Phys. Lett. 90, 131112