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量子阱和碲镉汞探测器的物理性质和焦平面列阵应用

1 导言

    1800年发现红外辐射以来,红外探测受到广泛的研究。红外光谱可以分成短波红外(1~3μm)、中波红外(3~5μm)、长波红外(8~12μm)以及极长波红外(>12μm)。红外焦平面列阵技术对商业和军事应用都很重要,并已应用弹道导弹防御。红外焦平面列阵的商业应用包括医学、火灾控制、监视和驾驶员视觉增强。军事应用包括夜视、步枪瞄准、监视、导弹制导、跟踪和拦截器。战术应用的大气层内拦截器和机载监视传感器,一般观察区别于热窗口、散射的阳光、地球表面的、具有高背景辐照度的热目标。这些应用需要精确测量和减去背景辐照度,以探测目标信号。而战略应用的大气层外拦截器和星载监视传感器,一般是探测低背景辐照度下的冷目标。在开始探测时,目标往往很远,不能分辨。对于战略应用,场景是空间背景,目标温度比较低,长波和极长波红外是适用的波段。对于战术应用,最主要的波段是由短波、中波和长波红外的大气透射窗口确定的。因此,需要工作在短波红外到极长波红外的高灵敏度、高均匀性、大规模、波长可变的红外焦平面列阵。对于红外传感器系统,最期望的是多色能力。稳定性、再生产性、生产率、成本、维护和工艺性也是非常重要的问题。

    目前制冷型红外传感器系统使用锑化铟、铂硅、碲镉汞、硅掺砷材料。对红外传感器应用来说,量子阱红外光电探测器是比较新的技术。在这些制冷型红外探测器系统中,可以制造高均匀性的铂硅焦平面列阵,但其量子阱效率很低,仅能工作在中波红外波段。锑化铟焦平面列阵成熟,具有高灵敏度,但也只能工作在中波红外波段。铂硅和锑化铟都没有波长可调能力和多色能力。硅掺砷工作波谱宽(0.8~30μm),不具备可调能力和多色能力,仅能在极低温(12K)工作。碲镉汞和量子阱红外光电探测器在中波、长波和极长波红外波段具有高灵敏度和波长灵活性,并具有多色能力。碲镉汞还能在短波红外波段工作,而量子阱红外光电探测器在短波红外波段必须向带隙体制发展。

   2 材料特性和器件加工

      碲镉汞和量子阱红外光电探测器都是半导体器件。高质量的材料是提高器件性能和列阵生产率所必需的。除了单个探测器的灵敏度高以外,焦平面列阵还需要空间均匀性。

2.1 材料特性

碲镉汞被认为是红外探测用的最主要材料。然而,对红外探测器来说,碲镉汞也是非常有挑战性的材料。HgTe 是半金属,其Hg-Te键非常弱,而且与CdTe溶合成合金时进一步失稳。汞蒸气压力高和Hg-Cd-Te相图形状,使可重复的均匀生长很困难。碲镉汞材料和基底的软且易碎的特性,使器件加工困难。材料和可利用的大面积基底的质量对长波红外和极长波红外的大型碲镉汞焦平面列阵有影响。

量子阱红外光电探测器利用子带间跃迁,而不是利用直接带间跃迁。使用带隙比较宽(GaAs时为1.43eV)的III-V族材料。GaAs/AlGaAs材料的优点是,键强度和材料稳定性优良,具有良好的搀杂物,热稳定性好。量子阱红外光电探测器不需要表面钝化,简化了处理,使其比较容易制作辐射加固的探测器。这种材料和基底的机械硬度,使器件加工和列阵制造比碲镉汞容易。这导致焦平面列阵的高成品率。

2.2 基底

基底的缺陷和晶格缺陷往往会扩展到外延层,因此基底的质量是非常重要的。

    CdZnTe是碲镉汞最常用的基底。CdZnTe具有与碲镉汞的冶金学兼容性和晶格匹配,能生长质量较高的碲镉汞外延层。但是,可以获得的CdZnTe基底,比较小、软、脆和贵。CdZnTe的典型位错浓度为104 /cm²~105 /cm²,可生长质量良好的中波和长波红外碲镉汞。但是,缺陷在波长较长时变得比较重要。这样的缺陷浓度在低背景、低温和极长波红外应用时可能引起一些问题。

    对于量子阱红外光电探测器,GaAs/AlGaAs以及应变InGaAs/AlGaAs材料,是最成熟的,覆盖了中波红外到极长波红外。使用几乎与所有铝浓度晶格匹配的GaAs基底,能以较低的成本获得大面积、高质量GaAs基底。

    GaAsCdZnTe的热膨胀系数与硅读出电路不匹配。探测器列阵和读出电路的热膨胀不同,在焦平面列阵制冷时引起应变和应力。GaAs的化学键强,机械性能稳定,故能承受较大的应变和应力。

2.3 材料和生长

到目前为止,大多数量子阱红外光电探测器材料用分子束外延生长。在III-V族电子工业和单片微波集成电路应用中,GaAs分子束外延是非常成熟的、得到证明的技术。大块的高质量的GaAs基底、成熟的GaAs生长和处理工艺,和容易以高产出率和重现性获得高度均匀的、大型量子阱红外光电探测器焦平面列阵。GaAs分子束外延技术能精确控制层厚度、化学浓度和掺杂分布。为产生中波红外的探测波长,一般使用InGaAs/AlGaAs,以增加阱深度。分子束外延生长的高应变InGaAs/AlGaAs材料,显示了材料生长质量非常高。

2.4 器件加工

碲镉汞材料和基底软而脆的特性,使器件的加工比GaAs材料困难。虽然中波和长波红外器件的这些问题大部分解决了,但对于极长波红外和多色器件,特别是有多个p-n结暴露到表面时,仍是主要的问题。

量子阱红外光电探测器的器件加工和列阵制备,使用比较成熟和可重复的标准III-V族加工技术。GaAs基底易于加工和除去,不需要表面钝化。初期对光栅空间均匀性的担心已被证明是没有依据的。已经演示了具有出色响应和光谱均匀性的大型量子阱红外光电探测器焦平面列阵。

3 器件基本物理性质

 量子阱红外光电探测器与碲镉汞的基本差别是,量子阱红外光电探测器使用导带(n型)或价带(p型)内的子带间跃迁。典型的量子阱红外光电探测器由30~50GaAs/AlGaAs量子阱循环组成。将GaAs作为阱区,AlGaAs作为势垒区,当阱的宽度小时,可以形成有限的量子阱结构。用GaAsInGaAs作为阱区,量子阱红外光电探测器的探测波长可以从4变化到20μm。利用势垒和阱结构的不同组合,可以获得不同的探测波长、探测带宽和多色组合。

4 器件性能

4.1 量子效率和转换效率

量子效率由探测器结构吸收红外光的吸收量决定。采用简单的二维正方形光栅,光谱量子效率是准高斯型的,峰值量子效率为10~25%,光谱带宽为1~1.5μm

 通过改变量子阱和耦合结构,可以将带宽从大约0.5μm调节到>4μm,使用了具有一维、二维、环形、棋盘形和随机光栅的不同设计。然而量子阱红外光电探测器量子效率基本上不限于目前的值。模拟表明,通过控制光栅金属电导率和像素几何尺寸,对于非偏振光,焦平面列阵大小的像素应能获得大于50%的量子效率。量子效率基本上限于50%以下的断言,不一定准确。

 量子阱红外光电探测器是光电导体。量子阱红外光电探测器的光电流由量子效率与光电导增益g的乘积决定。量子效率是入射光子中被吸收(和从阱中溢出)而产生迁移光电子的部分。光电导增益则是每生成一个光电子时流过接点的电子数。

       实验证明,通过稍微增加掺杂浓度,三阱简化量子阱红外光电探测器具有高性能和29%的转换效率。通过优化器件结构、阱数量、掺杂浓度、新光栅方案,预计可进一步改进量子阱红外光电探测器的转换效率和暗噪声。

      4.2 暗电流和R0A

      评估器件性能的两个重要品质因数是,(碲镉汞光电二极管的)R0A乘积和(量子阱红外光电探测器的)暗电流。它们反映了材料和器件设计的质量。

      量子阱红外光电探测器是光电导体。暗电流一般用于测量器件的质量和性能。在量子阱红外光电探测器中暗电流的主要影响是:(1)引起产生复合噪声,因而减小信噪比;(2)填充读出电容器的电荷阱。

     4.3 D*

    D*是比较具有相同噪声带宽的红外探测器的重要品质因数。D*反映了在一定温度下单位噪声带宽和探测器面积的信噪比。

    在特定情况下有意义地确定量子阱红外光电探测器和碲镉汞哪个好的唯一方法是,在特定的阱容量和背景通量下评估积分信噪比,即使用系统电平比较。

    4.4 背景限光电探测温度

    随着背景通量的降低,暗电流也必须减小,以保持背景限光电探测。通过制冷,量子阱红外光电探测器的性能一般可以可靠、均匀地提高,以致在较低的温度(约40K)下往往比碲镉汞工作得好。即使在较高的背景下,量子阱红外光电探测器和碲镉汞的背景限光电探测温度之差,也不像曾经提出的那样大。

    4.5 均匀性

    焦平面列阵的评估表明,与列阵不均匀性相关的固定图形噪声是限制列阵性能的主要因素之一。不均匀性(和可操作性)直接影响噪声等效温差或噪声等效辐照度,对于涉及精确温度测量、背景消除、阈值检测、或者跟踪和识别多个不能分辨的目标的应用来说是特别重要的。不均匀性还增加自动目标识别系统的虚警率。失效像素是不均匀性的极端形式,可能导致在跟踪期间丢失不能分辨的目标。

    碲镉汞的不均匀性和可用性一直存在问题。主要问题之一是与材料特性和器件质量有关的暗电流和光谱响应的不均匀性,特别是在长波红外和极长波红外。

4.6 噪声等效温差和噪声等效辐照度

 77K,长波红外量子阱红外光电探测器的峰值D* 大约为1010 cm√Hz1/2 W-1 。这足以以视频帧速形成具有15mK噪声等效温差的极好热像。碲镉汞较高的D* ,在某些情况下可以产生比量子阱红外光电探测器低的噪声等效温差,但许多碲镉汞焦平面列阵的性能受不均匀性的限制,以致不能实现较低的噪声等效温差。进一步减小噪声等效温差,需要进一步改善均匀性。对于低背景应用,一般用噪声等效辐照度作为品质因数。噪声等效辐照度(NEI)与噪声等效温差(NETD)的关系非常简单:NETD=NEI+(dPb/dT)-1 

5 低背景应用

在低背景条件下,暗电流不均匀性限制的固定图形噪声,限制了列阵的性能。基底的净化、源材料、生长和工艺条件可以提高碲镉汞器件的低温性能。因此,实现这些改进后,量子阱红外光电探测器在低温、低背景条件下一般获得更均匀的可预测性能。

6 极长波红外

 极长波红外传感器在战略导弹防御和空间应用中是非常重要的。12~18μm焦平面列阵对探测处于弹道中段的弹道导弹这样的冷目标非常有用。在极长波红外,探测器的带隙必须比长波红外时更窄,工作温度必须降得更低,以抑制热激励的暗电流。这些要求加重了与现有碲镉汞材料相关的问题。

 量子阱红外光电探测器比较容易延伸到极长波红外。这是因为其在材料性能、生长和工艺方面的变动很小。在极长波红外,量子阱红外光电探测器的子带间空隙比长波红外小。由于低量子阱势垒,热离子发射的暗电流在低温时占优势。在15μm时比较碲镉汞和量子阱红外光电探测器列阵,量子阱红外光电探测器具有较高的可用性和均匀性。这可能是由于GaAs技术的材料质量高。

7 多色探测器

 随着红外技术的不断发展,先进红外系统对多色探测器的需求将增加。对于军事应用,为了更好地估计目标温度、分辨和识别目标,需要多色探测器。

 量子阱红外光电探测器和碲镉汞探测器都具有中波红外到极长波红外波段的波长灵活性,以及在这些波段的多色能力。所以多色器件面临的主要问题都是,器件结构更复杂、生长的多层材料更厚、器件制造更困难,特别是在列阵尺寸更大、像素尺寸更小时。对于多色列阵,量子阱红外光电探测器窄带谱是优点,可使光谱串饶小,而不需要在短波段全吸收(因此需要厚层),且不用制冷滤光片。

8 成本

    或许量子阱红外光电探测器的最明显的长远优点就是,材料生长和加工设备可被其他更大量的III-V族器件,如激光器、发光二极管、毫米波电路等分享。

 

9 结论

    虽然量子阱红外光电探测器是光电导体,但它具有高阻抗和低功耗,容易与低温读出电路匹配。量子阱红外光电探测器的主要优点是均匀、与成熟的III-V族材料技术相关的可重现性能、低背景应用时随工作温度降低性能持续提高、与可被其他III-V族器件共同使用的柔性设备相关的长期成本低。由于在低温和极长波红外波段的材料质量高,因此量子阱红外光电探测器有可能满足许多低背景、低温应用的系统要求。

    就列阵尺寸、均匀性和成本来说,对于一些长波红外和极长波红外焦平面列阵应用,量子阱红外光电探测器有优势。特别是,量子阱红外光电探测器在低温工作时有希望用于极长波红外。

 

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