紅外探測(cè)器QWIP-RCLED技術(shù)研究

一、紅外探測(cè)器發(fā)展歷史

16世紀(jì)牛頓光學(xué)推測(cè)了紅外輻射的存在，但整個(gè)世紀(jì)都未得到證實(shí)，直到1 800年英國(guó)天文學(xué)家威廉·赫謝爾（1781年研制反射望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)天王星）完成了著名的太陽(yáng)光譜熱效應(yīng)實(shí)驗(yàn)。赫謝爾最初的目的是研究太陽(yáng)光中不同顏色對(duì)人眼的危險(xiǎn)熱效應(yīng)和各種顏色濾波片的效力問(wèn)題。因此他作出著名實(shí)驗(yàn)以表明用棱鏡產(chǎn)生的太陽(yáng)光譜各部分的熱效應(yīng)強(qiáng)弱。實(shí)驗(yàn)中赫謝爾的探測(cè)器是簡(jiǎn)單涂黑了的球狀物溫度計(jì)，由Glasgaw的天文學(xué)教授Alexander Wilson.M.D.制造，在光譜中測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)溫度升高為1～10℉之間，精度接近1/4℉，溫度計(jì)的響應(yīng)時(shí)間是5min。在光的波粒二象性未得到證明的情況下，該溫度計(jì)算是第1支紅外探測(cè)器。在19世紀(jì)以后，紅外熱探測(cè)器逐步得到較大發(fā)展（詳見(jiàn)表1）。

二、紅外探測(cè)器分類

紅外光與可見(jiàn)光有諸多相似特性，但其不能被人眼看見(jiàn)，需要用對(duì)紅外敏感的紅外探測(cè)器探測(cè)。現(xiàn)在按照探測(cè)原理的不同，紅外探測(cè)器主要分為2大類：紅外熱探測(cè)器（紅外熱效應(yīng)原理），紅外光子型探測(cè)器（光電效應(yīng)原理）。

紅外熱探測(cè)器接收到紅外輻射能量使熱敏元件溫度上升，根據(jù)熱敏元件材料對(duì)溫度敏感的特性建立其溫度與電參數(shù)的關(guān)系，即可將熱敏材料的溫度變化相應(yīng)轉(zhuǎn)化成易于檢測(cè)的電信號(hào)。常見(jiàn)的熱探測(cè)器有以下幾種：熱敏電阻，利用輻射熱效應(yīng)引起電阻變化（熱阻效應(yīng)）；溫差電偶，利用材料兩端溫差產(chǎn)生電壓（熱伏效應(yīng)）；氣動(dòng)探測(cè)器，利用氣體受熱膨脹原理（熱氣動(dòng)效應(yīng)）；熱釋電探測(cè)器，利用自發(fā)極化隨溫度升降而發(fā)生變化的原理（熱釋電效應(yīng)）；以及超導(dǎo)體在Tc溫度附近升高溫度電阻急劇變化等等。熱探測(cè)器是非選擇性探測(cè)器，熱敏元件的溫度變化與紅外輻射的波長(zhǎng)沒(méi)有關(guān)系，僅與吸收的熱輻射能量相關(guān)，所以熱探測(cè)器的光譜范圍較寬廣平坦，并且不需要制冷。熱探測(cè)器的缺點(diǎn)則是靈敏度低、響應(yīng)時(shí)間偏長(zhǎng)，最快的響應(yīng)時(shí)間也在毫秒量級(jí)探測(cè)率較低（108量級(jí)），因此不適用于高頻或高靈敏需求的應(yīng)用中。

紅外光子型探測(cè)器是利用紅外光的光電效應(yīng)設(shè)計(jì)制備的。光電效應(yīng)又可細(xì)分為：外光電效應(yīng)，光照下光電子逸出材料表面，即光電子發(fā)射效應(yīng)；內(nèi)光電效應(yīng)，光電子在材料內(nèi)部產(chǎn)生于遷移，即光電導(dǎo)效應(yīng)、光生伏特效應(yīng)、光電磁效應(yīng)，半導(dǎo)體材料則具有明顯的內(nèi)光電效應(yīng)。其特點(diǎn)是響應(yīng)快，吸收輻射產(chǎn)生信號(hào)需要的時(shí)間短，一般為納秒到皮秒量級(jí)；探測(cè)率為1010量級(jí)以上。

三、國(guó)內(nèi)外紅外探測(cè)器應(yīng)用市場(chǎng)及技術(shù)現(xiàn)狀

目前紅外探測(cè)器主要應(yīng)用于軍事上的夜視、狙擊、偵察、報(bào)警、前視、制導(dǎo)、火控、跟蹤、觀瞄、光電對(duì)抗等現(xiàn)代武器裝備上，以及工業(yè)（航空）檢測(cè)、醫(yī)療檢測(cè)、警用、安防等民用領(lǐng)域。

國(guó)際上能成功進(jìn)行制冷型紅外焦平面探測(cè)器研發(fā)和生產(chǎn)的機(jī)構(gòu)和公司主要來(lái)自北美和歐洲發(fā)達(dá)國(guó)家。但由于制冷型紅外產(chǎn)品的敏感性及軍事保密的原因，美國(guó)、以色列等國(guó)都在禁止、或者限制出口該類產(chǎn)品。目前，只有法國(guó)、瑞典2國(guó)采取較為寬松的出口政策。國(guó)產(chǎn)設(shè)備所裝配的QWIP制冷型紅外熱像儀芯片大多全部來(lái)自于國(guó)外公司。

四、紅外QWIP-LED探測(cè)器

1.紅外QWIP-LED技術(shù)介紹

紅外焦平面技術(shù)特別是其核心的紅外探測(cè)器技術(shù)一直是國(guó)際上關(guān)注的焦點(diǎn)。近年來(lái)，由于半導(dǎo)體材料和工藝的快速發(fā)展，紅外探測(cè)器技術(shù)也取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。在不斷提高已有各種探測(cè)器性能的同時(shí)，涌現(xiàn)了各種新材料、新器件，這其中包括被人們廣泛關(guān)注的長(zhǎng)波紅外探測(cè)領(lǐng)域的量子阱紅外探測(cè)器（QWIP）[1]，詳見(jiàn)圖1所示。

量子阱紅外探測(cè)器（QWIP）通過(guò)控制勢(shì)阱和勢(shì)壘的寬度，可以調(diào)節(jié)量子阱基態(tài)和激發(fā)態(tài)之間的能級(jí)間隔，從而控制吸收的光波波長(zhǎng)適應(yīng)于某個(gè)波段，QWIP的工作波段通常在中紅外和遠(yuǎn)紅外波段。在紅外輻射下，電子從基態(tài)被激發(fā)到高激發(fā)態(tài)，由于高激發(fā)態(tài)的上電子遷移率和基態(tài)不同，會(huì)產(chǎn)生探測(cè)器光電導(dǎo)的差異。量子阱探測(cè)器的躍遷模式可以分為：束縛態(tài)到束縛態(tài)躍遷電子吸收光輻射能量后從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，通過(guò)隧穿作用進(jìn)入導(dǎo)帶，在外加電場(chǎng)作用下形成光電流；束縛態(tài)到連續(xù)態(tài)躍遷，減小量子阱寬度，使第一激發(fā)態(tài)處在高于勢(shì)壘進(jìn)入連續(xù)態(tài)，導(dǎo)帶中電子吸收光輻射能量直接進(jìn)入到導(dǎo)帶，有效的降低了偏置電壓，從而降低暗電流；束縛態(tài)到準(zhǔn)束縛態(tài)躍遷，設(shè)計(jì)量子阱使第一激發(fā)態(tài)為接近勢(shì)壘高度的準(zhǔn)束縛態(tài)，進(jìn)一步降低器件的暗電流；束縛態(tài)到微帶躍遷，量子阱中激發(fā)態(tài)與超晶格的微帶重合，光激發(fā)載流子就在微帶中輸運(yùn)。

對(duì)于QWIP，由于其工作溫度較低，器件成本過(guò)高，很大程度上制約了該器件的應(yīng)用場(chǎng)景；另一方面，由于焦平面陣列需要與硅讀出電路互聯(lián)，不可避免地會(huì)產(chǎn)生熱失配、制冷功耗等一系列問(wèn)題。

為了規(guī)避這些技術(shù)缺陷，1995年，加拿大國(guó)家研究院首先提出了一種新型的紅外-近紅外上轉(zhuǎn)換器件結(jié)構(gòu)，即 QWIP-LED[2]。通過(guò)將QWIP與LED進(jìn)行物理集成，可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)波紅外向近紅外甚至可見(jiàn)光波段的上轉(zhuǎn)換，進(jìn)而可以采用可見(jiàn)光或近紅外的CCD相機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)紅外物體的成像。因?yàn)樵诳梢?jiàn)光和近紅外波段，硅電荷耦合器件（Si CCD）已經(jīng)發(fā)展為一種性能優(yōu)異、并已成熟的可見(jiàn)及近紅外光成像器件。對(duì)于紫外及更短波段光的探測(cè)成像，通常采取在Si CCD上涂覆合適的發(fā)光材料加以實(shí)現(xiàn)。利用QWIPLED進(jìn)行實(shí)物成像的原理圖和光路示意圖分別如圖2和圖3所示。由光路示意圖可知，將QWIP-LED集成器件的QWIP光敏面置于紅外光學(xué)系統(tǒng)的焦平面處，通過(guò)合理設(shè)計(jì)器件結(jié)構(gòu)，使光生電子在渡越器件和LED發(fā)光層輻射發(fā)光過(guò)程中沒(méi)有顯著的橫向擴(kuò)散，在LED發(fā)光面近紅外發(fā)光將呈現(xiàn)QWIP光敏面的紅外圖樣，采用硅成像陣列對(duì)LED發(fā)光面成像，間接對(duì)紅外波進(jìn)行成像。

值得指出的是，這種上轉(zhuǎn)換成像方法有許多優(yōu)點(diǎn)：首先，可采用常規(guī)器件制備方法制作光學(xué)上轉(zhuǎn)換器件單元，利用大尺寸（毫米量級(jí)）光學(xué)上轉(zhuǎn)換器件單元自然的載流子密度分布與Si CCD結(jié)合可直接形成上轉(zhuǎn)換成像器件，從而避免將大面積成像儀分成許多個(gè)像素并且每個(gè)都制作電極（接線柱金屬焊接）的復(fù)雜工藝流程和昂貴成本；其次，這種上轉(zhuǎn)換成像器件不需要任何特殊的混合讀出電路，成像通過(guò)充分利用高效、成熟的Si CCD實(shí)現(xiàn)；再次，由于探測(cè)器的探測(cè)波長(zhǎng)可通過(guò)調(diào)節(jié)子帶間隔來(lái)控制，相應(yīng)地，紅外成像的波段也較容易調(diào)節(jié)；最后，這種由III-V族成熟材料體系組成的系統(tǒng)又很容易通過(guò)分子束外延生長(zhǎng)，可避免混合焊接及任何熱失配。因此，這種半導(dǎo)體上轉(zhuǎn)換成像方法具有簡(jiǎn)單、成本低、響應(yīng)波長(zhǎng)可調(diào)等特點(diǎn)，在探測(cè)成像方面具有很大的應(yīng)用潛力。

2.紅外QWIP-LED成像原理

QWIP-LED器件在原理上區(qū)別于傳統(tǒng)的非線性光子頻率上轉(zhuǎn)換過(guò)程，在傳統(tǒng)的非線性效應(yīng)中人們利用的是材料的非線性吸收導(dǎo)致的雙光子或多光子過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)光子頻率由低頻向高頻上轉(zhuǎn)換的，這樣的紅外上轉(zhuǎn)換過(guò)程通常需要低頻紅外光的強(qiáng)度很強(qiáng)。而這種新型器件所涉及的上轉(zhuǎn)換過(guò)程是低能光子通過(guò)與電能的結(jié)合而形成的近紅外或可見(jiàn)的高能量光子，其能帶結(jié)構(gòu)和工作原理如圖4所示。長(zhǎng)波紅外探測(cè)器和發(fā)光二極管集成在一起，器件在正向偏壓下工作，當(dāng)有紅外光照射時(shí)，QWIP部分電阻下降，同時(shí)LED上壓降增大，因此，LED的近紅外發(fā)光增強(qiáng)。這樣，QWIP探測(cè)到的紅外光就通過(guò)上轉(zhuǎn)換變成了LED的近紅外發(fā)光，進(jìn)而可以由Si CCD探測(cè)器探測(cè)。

上轉(zhuǎn)換成像的概念原則上適用于所有波長(zhǎng)長(zhǎng)于Si CCD探測(cè)范圍的紅外輻射。基于光子頻率上轉(zhuǎn)換，20世紀(jì)90年代中期以來(lái)，加拿大國(guó)家研究院成功地將GaAs/AlGaAs QWIP與發(fā)光二極管（LED）串聯(lián)集成起來(lái)實(shí)現(xiàn)了中紅外光（約9μm）向近紅外光（0.8～0.9μm）的上轉(zhuǎn)換成像；同時(shí)他們還進(jìn)行了近紅外（約1.5μm）向更短波長(zhǎng)的上轉(zhuǎn)換成像研究[3]。在國(guó)內(nèi)，中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所也開(kāi)展了中紅外QWIP與LED集成的研究，分別實(shí)現(xiàn)了p型和n型摻雜量子阱探測(cè)器2種集成器件[4]；上海交通大學(xué)在光子頻率上轉(zhuǎn)換器件方面也做了大量工作，特別是器件結(jié)構(gòu)的模擬和優(yōu)化方面，包括砷化鎵（GaAs）基紅外探測(cè)及頻率上轉(zhuǎn)換器件研究、基于同質(zhì)結(jié)界面功函數(shù)內(nèi)光發(fā)射探測(cè)器（HIWIP）的遠(yuǎn)紅外/THz上轉(zhuǎn)換成像器件研究等[5]。在這種紅外上轉(zhuǎn)換成像體系中，要想獲得較好的成像效果，整個(gè)光學(xué)上轉(zhuǎn)換器件的有源結(jié)構(gòu)要求很薄，并且到達(dá)發(fā)光二極管表面的探測(cè)器光生載流子在垂直電場(chǎng)方向的運(yùn)動(dòng)距離以及發(fā)光二極管激活層中載流子的徑向擴(kuò)散長(zhǎng)度必須很短。根據(jù)衍射極限，上轉(zhuǎn)換器件的有源結(jié)構(gòu)厚度，載流子在垂直電場(chǎng)方向上的運(yùn)動(dòng)距離，以及LED激活層中載流子的擴(kuò)散長(zhǎng)度小于所探測(cè)的紅外波長(zhǎng)即可。由分子束外延生長(zhǎng)的光學(xué)上轉(zhuǎn)換器件結(jié)構(gòu)厚度小于4～5μm，總的有源結(jié)構(gòu)更薄，而且對(duì)于長(zhǎng)波長(zhǎng)的紅外光，這些要求很容易滿足。

3.當(dāng)前QWIP-LED存在的一些問(wèn)題

盡管已經(jīng)報(bào)道了不同波長(zhǎng)的上轉(zhuǎn)換成像器件，但在目前所實(shí)現(xiàn)的QWIP-LED集成器件中，都存在內(nèi)量子轉(zhuǎn)換效率低、LED發(fā)光效率低、發(fā)光方向性差等問(wèn)題，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和參數(shù)優(yōu)化方面仍有較大空間。針對(duì)LED發(fā)光引出效率低，導(dǎo)致QWIP-LED成像積分時(shí)間長(zhǎng)、引入額外光子散彈噪聲的技術(shù)難題。

4.解決當(dāng)前QWIP-LED存在問(wèn)題的設(shè)想

諧振腔的原理早在近100年前就已經(jīng)被了解，其主要物理內(nèi)涵是諧振腔結(jié)構(gòu)能使入射光在腔體中多次反射并經(jīng)過(guò)吸收區(qū)域，從而被充分吸收。目前這種諧振腔結(jié)構(gòu)已經(jīng)在其他許多類型的光電探測(cè)器上得以實(shí)現(xiàn)[6-7]。如果采用GaAs/（Al，Ga）As材料體系制備n型QWIP，GaAs[（Al，Ga）As]作為L(zhǎng)ED的限制層，GaAs[（In0.1Ga0.9）As]作為發(fā)光層，在QWIP和LED間插入n型（Alx，Ga1-x）As/（Aly，Ga1-y）As分布布拉格（DBR）反射鏡，提高LED發(fā)光引出效率。結(jié)合半經(jīng)典自洽發(fā)射-俘獲輸運(yùn)模型和經(jīng)典漂移-擴(kuò)散模型，系統(tǒng)研究QWIP-RCLED中電子輸運(yùn)行為，優(yōu)化集成器件的內(nèi)量子效率。優(yōu)化設(shè)計(jì)QWIP耦合器以及RCLED共振腔的品質(zhì)因子，大幅度提高LED發(fā)光引出效率和發(fā)光的方向性，提高QWIP-RCLED的紅外光子-近紅外光子的轉(zhuǎn)換效率以及 QWIP-RCLED與硅成像陣列間的耦合效率（如圖5所示），最終實(shí)現(xiàn)有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的QWIP-RCLED上轉(zhuǎn)換成像器件。

將DBR層引入QWIP-LED集成結(jié)構(gòu)，是紅外成像中一種較新的思路，具有工藝簡(jiǎn)單、成本低和功耗小等優(yōu)點(diǎn)。引入DBR和RC，將進(jìn)一步提高器件的內(nèi)外量子效率和出光方向性等關(guān)鍵性能參數(shù)。

5.需重點(diǎn)考慮及解決的技術(shù)難題

需重點(diǎn)考慮及解決的技術(shù)難題主要包括2方面：①如何提高QWIP的響應(yīng)率是關(guān)鍵技術(shù)之一，具體涉及到器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料生長(zhǎng)和工藝制備和等，特別是在工藝過(guò)程中，通過(guò)側(cè)壁鈍化步驟，阻止形成側(cè)壁漏電流通道；②如何提高集成器件的內(nèi)外量子效率和出射光的方向性，具體涉及到如何設(shè)計(jì)及制備高質(zhì)量的DBR層，特別是材料參數(shù)。

6.QWIP-RCLED的意義及應(yīng)用前景

在8～14μm遠(yuǎn)紅外大氣窗口，基于量子阱紅外探測(cè)器（QWIP）的焦平面陣列（FPA）在制備成本、均勻性、穩(wěn)定性和技術(shù)成熟度方面，都具有一定優(yōu)勢(shì)。將QWIP與發(fā)光二極管（LED）進(jìn)行集成，利用可見(jiàn)光或近紅外硅CCD相機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)紅外物體的成像，可大大降低QWIP的應(yīng)用成本，同時(shí)避免了熱失配、封裝互聯(lián)、制冷功耗等問(wèn)題。前期實(shí)現(xiàn)的QWIPLED器件，均存在LED發(fā)光引出效率低，導(dǎo)致成像積分時(shí)間長(zhǎng)等技術(shù)問(wèn)題。在QWIP和LED間插入n型（Alx，Ga1-x）As/（Aly，Ga1-y）As分布布拉格（DBR）反射鏡，提高LED發(fā)光引出效率，優(yōu)化集成器件的內(nèi)量子效率、QWIP耦合器以及RCLED共振腔品質(zhì)因子，大幅提高LED發(fā)光的引出效率、方向性和QWIP-RCLED的遠(yuǎn)紅外光子-近紅外光子轉(zhuǎn)換效率。技術(shù)問(wèn)題的解決使其在行業(yè)內(nèi)將得到廣泛應(yīng)用。

四、結(jié)語(yǔ)

本文中提出的共振腔增強(qiáng)LED能大幅度提高器件能量轉(zhuǎn)換效率和探測(cè)靈敏度，使所研制器件有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。在中紅外，引入共振腔后，RCLED發(fā)光效率能夠提高近20倍，即使計(jì)及環(huán)形電極遮擋以及側(cè)面漏電流損耗，RCLED光引出效率的提高也是非?？捎^的。DBR已成功應(yīng)用于垂直腔面發(fā)射激光器，另外RCLED對(duì)腔面反射率要求要低一些，實(shí)現(xiàn)RCLED在原理和工藝上都是切實(shí)可行的。

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