碲镉汞短波红外焦平面探测器在红外天文观测中具有重要作用。采用光子转移曲线(Photon Transfer Curve, PTC)来表征探测器性能参数是一种重要的测试方法。根据PTC测量探测器的增益是表征探测器其他性能的前提。采用碲镉汞液相外延薄膜...碲镉汞短波红外焦平面探测器在红外天文观测中具有重要作用。采用光子转移曲线(Photon Transfer Curve, PTC)来表征探测器性能参数是一种重要的测试方法。根据PTC测量探测器的增益是表征探测器其他性能的前提。采用碲镉汞液相外延薄膜材料和n-on-p芯片结构制备了640×512规格的红外探测器,探测器截止波长为2.0μm。用PTC方法测量红外焦平面探测器的增益,发现在焦平面上不同区域的增益是不均匀的,增益的非均匀性达到了20.2%。增益的非均匀性反映了探测器芯片内部性能的差异,尤其是不同光敏元噪声的差异。芯片加工过程可能是引起增益不均匀的原因之一。通过改进芯片工艺,特别是改进芯片的机械化学减薄工艺,降低抛光损伤,提高了探测器芯片表面不同区域的增益均匀性。改进工艺后,增益的非均匀性从20.2%降低到0.3%,获得了增益均匀的探测器芯片,增益的平均值为0.159 DN/e-,并测量得到探测器的暗电流为2.2 e-/s,读出噪声为67 e-。展开更多
为提高势垒型中波InAs/InAsSb二类超晶格红外探测器器件性能,研究并设计了nBn势垒型InAs/InAsSb器件结构。针对InAs/InAsSb红外探测器器件结构特征,分析了暗电流的主导机制和能带特性,采用基于泊松方程、连续性方程和热方程的数值计算方...为提高势垒型中波InAs/InAsSb二类超晶格红外探测器器件性能,研究并设计了nBn势垒型InAs/InAsSb器件结构。针对InAs/InAsSb红外探测器器件结构特征,分析了暗电流的主导机制和能带特性,采用基于泊松方程、连续性方程和热方程的数值计算方法,通过精确调控吸收层掺杂、势垒层掺杂、势垒层厚度、温度和组分等,构建出高能量势垒以有效阻挡多数载流子,允许少数载流子迁移,实现价带偏移(Valence Band Offset,VBO)接近于零的要求,从而有效降低暗电流。研究结果表明,在1×10^(15)~1×10^(17)cm^(-3)范围内降低势垒层掺杂浓度,VBO和暗电流开启电压绝对值均会减小,当AlAs1-xSbx势垒中Sb组分为0.91时,VBO接近于零。对于吸收层,随着掺杂浓度的提高,暗电流呈现减小趋势,但趋势较不明显。在-0.5V偏压,140 K工作条件下,吸收层和势垒层掺杂浓度分别为1×10^(13)cm^(-3),1×10^(15)cm^(-3),吸收层与势垒层厚度分别为3μm,80 nm,得到器件结构参数优化后的暗电流低至4.5×10^(-7)A/cm^(2),证明InAs/InAsSb中波红外探测器具有高温工作的应用前景,可广泛应用于导弹预警、红外制导、航空航天等领域。展开更多
随着碲镉汞(HgCdTe)红外探测器的不断发展,碲镉汞波长已经逐渐从中波向长波/甚长波方向发展,表面效应很大程度上决定了碲镉汞红外焦平面探测器的性能,因此对表面钝化提出了更高的要求。文中通过研究磁控溅射生长的钝化层进行三温段退火...随着碲镉汞(HgCdTe)红外探测器的不断发展,碲镉汞波长已经逐渐从中波向长波/甚长波方向发展,表面效应很大程度上决定了碲镉汞红外焦平面探测器的性能,因此对表面钝化提出了更高的要求。文中通过研究磁控溅射生长的钝化层进行三温段退火改善长波器件性能,实验结果表明低温段(120~170℃)退火显著改善膜层的致密性,二次离子质谱(Secondary ion mass spectroscopy)表明高温段(320℃/2.5 h)退火高组分层厚度达到0.22μm,改善器件的表面漏电流;第三段低温(200~270℃)稳定载流子浓度在1.0×10^(16)~3.0×10^(16) cm^(-3)范围内。三温段退火工艺提高了钝化膜层的致密性、增大了碲镉汞界面的高组分过渡层厚度的同时稳定了碲镉汞材料的电学参数,为长波碲镉汞红外器件的发展奠定了基础。展开更多
文摘尽管长波红外成像技术在陆地遥感、天文学等应用中至关重要,但其面临着来自压倒性热背景辐射的根本性挑战。这种背景光子通量常常将传统探测器推向其背景限制性能(Background-Limited Performance,BLIP)的极限。此时主要的限制因素并非探测器固有的噪声,而是背景本身的散粒噪声。本文论证了一个关键的分类,以区分两种表面相似但本质迥异的探测架构——差分探测器和微分探测器。根据探测器的应用和实现途径可知,传统差分探测器的背景光电流为可探测的信号差异设置了一个由背景决定的阈值,而微分探测器则是一种在物理感知层面直接对目标物理量的差异进行测量的器件:只有微弱的差值信号被积分,导致极大量的累加采样,因此可将信噪比提升至前所未有的水平。特别介绍了基于量子阱红外光电探测器(Quantum Well Infrared Photodetector,QWIP)的微分探测技术路径。QWIP以其极低的暗电流、精准的电学可控性和内禀的光谱选择性,为实现高性能长波红外微分探测器提供了理想的物理基础,并已在实验中取得显著进展。最后利用费雪信息理论和克拉默--拉奥约束为微分探测器提供了严格的理论支撑。
文摘为提高势垒型中波InAs/InAsSb二类超晶格红外探测器器件性能,研究并设计了nBn势垒型InAs/InAsSb器件结构。针对InAs/InAsSb红外探测器器件结构特征,分析了暗电流的主导机制和能带特性,采用基于泊松方程、连续性方程和热方程的数值计算方法,通过精确调控吸收层掺杂、势垒层掺杂、势垒层厚度、温度和组分等,构建出高能量势垒以有效阻挡多数载流子,允许少数载流子迁移,实现价带偏移(Valence Band Offset,VBO)接近于零的要求,从而有效降低暗电流。研究结果表明,在1×10^(15)~1×10^(17)cm^(-3)范围内降低势垒层掺杂浓度,VBO和暗电流开启电压绝对值均会减小,当AlAs1-xSbx势垒中Sb组分为0.91时,VBO接近于零。对于吸收层,随着掺杂浓度的提高,暗电流呈现减小趋势,但趋势较不明显。在-0.5V偏压,140 K工作条件下,吸收层和势垒层掺杂浓度分别为1×10^(13)cm^(-3),1×10^(15)cm^(-3),吸收层与势垒层厚度分别为3μm,80 nm,得到器件结构参数优化后的暗电流低至4.5×10^(-7)A/cm^(2),证明InAs/InAsSb中波红外探测器具有高温工作的应用前景,可广泛应用于导弹预警、红外制导、航空航天等领域。
文摘随着碲镉汞(HgCdTe)红外探测器的不断发展,碲镉汞波长已经逐渐从中波向长波/甚长波方向发展,表面效应很大程度上决定了碲镉汞红外焦平面探测器的性能,因此对表面钝化提出了更高的要求。文中通过研究磁控溅射生长的钝化层进行三温段退火改善长波器件性能,实验结果表明低温段(120~170℃)退火显著改善膜层的致密性,二次离子质谱(Secondary ion mass spectroscopy)表明高温段(320℃/2.5 h)退火高组分层厚度达到0.22μm,改善器件的表面漏电流;第三段低温(200~270℃)稳定载流子浓度在1.0×10^(16)~3.0×10^(16) cm^(-3)范围内。三温段退火工艺提高了钝化膜层的致密性、增大了碲镉汞界面的高组分过渡层厚度的同时稳定了碲镉汞材料的电学参数,为长波碲镉汞红外器件的发展奠定了基础。
