紅外光電探測器 下載本文

上海大學2014~2015學年冬季學期研究生課程考試

小論文

課程名稱: 光電探測技術 課程編號: 10SAZ9001

論文題目: 紅外光電探測器

研究生姓名: 高** 學 號: 1*******

論文評語:

成 績: 任課教師: 張繼軍

評閱日期:

紅外光電探測器

Infrared Photoelectricity Detector

高**

微電子與固體電子學專業,材料科學與工程學院,上海大學

摘要:紅外探測器可以將紅外輻射信號轉變為電信號,進而可以被人類所感知到。

本文主要介紹紅外探測器所利用的光電效應的基本原理,再介紹各種類型的紅外探測器及其發展和應用,最后再介紹紅外探測器的發展現狀和未來展望。

關鍵詞:紅外探測器;光電效應;碲鎘汞;量子阱

Abstract: Infrared photoelectricity detector can transfer infrared information to

electronic information, thus can be felt by human beings. This article mainly tell the fundamental principle of photoelectric effect which infrared photoelectricity detector utilized. Then introduce all types of infrared photoelectricity detector and its development as well as application. At last, introduce the current situation of infrared photoelectricity detector and its future expectations.

Keyword: Infrared photoelectricity detector; photoelectric effect; HgTe; Quantum

well

引言

紅外探測器是將入射的紅外輻射信號轉變成電信號輸出的器件,現代紅外探測器所利用的主要是紅外熱效應和光電效應[1]。紅外輻射是波長介于可見光與微波之間的電磁波,人眼覺察不到。

1800年:赫胥爾利用涂黑水銀溫度計發現了紅外輻射,一般把這支溫度計當作第一個紅外探測器。1917 年美國人克斯研制出第一支硫化鉈光電導紅外探測器。19世紀 30 年代末,德國人研制出硫化鉛(PbS)光電導型紅外探測器。硫化鉛是第一個在戰場中得到多種應用的實用紅外探測器。二次世界大戰后先后出現了 PbTe、InSb、HgCdTe、Si 摻雜、PtSi 等探測器[2]。1959年英國勞森(Lawson)

與其同事的研究帶動了可變帶隙合金Hg1-xCdxTe(HgCdTe)的發展,由此呈現出紅外探測器蓬勃發展的局面。

基本原理

從第一代紅外探測器至今已有40余年歷史,按照其特點可分為三代[3]: 第一代,(1970s-80s)主要是以單元、多元器件進行光機串/并掃描成像; 第二代,(1990s-2000s)小規模凝視型焦平面陣列;

第三代,以大面陣、高分辨力、多波段、智能靈巧型系統級芯片為主要特點,具有高性能數字信號處理功能,甚至具備單片多波段融合探測與識別能力。

現代探測器技術進入第二、第三代,重要標志之一就是元數大大增加。另一方面是開發同時覆蓋兩個波段以上的雙色和多光譜探測器。所有進展都離不開新技術特別是半導體技術的開發和進步[4]。

半導體精密光刻技術使探測器技術由單元向多元線列探測器迅速發展,即后來稱為第一代探測器。Si集成電路技術,即利用Si讀出電路與光敏元大面陣耦合,誕生了所謂第二代的大規模紅外焦平面陣列探測器。先進的薄層材料生長技術的出現,也即分子束外延、金屬有機化學汽相淀積和液相外延等技術可重復、精密控制生長大面積高度均勻材料,使制備大規模紅外焦平面陣列成為可能。也是量子阱探測器出現的前提。高性能探測器低溫要求驅動微型制冷機的開發,制冷技術又促進了探測器的研制和應用[5]。這些技術在紅外光電探測器的發展中都是具有里程碑意義的技術。

早期研制的紅外探測器存在波長單一、量子效率低、工作溫度低等問題,大大地限制了紅外探測器的應用[6]。

碲鎘汞紅外探測器自發現以來一直是紅外探測器技術的首選,在紅外探測器發展歷程中占有重要的地位。碲鎘汞紅外探測器自發現以來一直是紅外探測器技術的首選[7],在紅外探測器發展歷程中占有重要的地位。

紅外探測器按工作機理分類可以分為熱探測器和光電探測器。熱探測器的機理是入射輻射的熱效應引起探測器某一特性的變化,而光電探測器的機理是入射光子流與探測材料相互作用產生的光電效應。熱探測器的換能過程包括:熱阻效應、熱伏效應、熱氣動效應和熱釋電效應等。 光電探測器的換能過程包括:光生伏特

效應、光電導效應、光電磁效應和光發射效應等。

紅外輻射光子在半導體材料中激發非平衡載流子(電子或空穴),引起電學性能變化。因為載流子不逸出體外,所以稱內光電效應。量子光電效應靈敏度高,響應速度比熱探測器快得多,是選擇性探測器。為了達到最佳性能,一般都需要在低溫下工作。

光電探測器可以分為四類:第一類光導型,也稱光敏電阻;第二類光伏型,主要是P-N結的光生伏特效應;第三類是光發射Schottky勢壘探測器,是金屬和半導體接觸類型的探測器;第四類是量子阱探測器,將兩種半導體材料A和B用人工方法薄層生長形成超晶格,在其界面,能帶有突變[8]。

光電探測器可分為單晶型和多晶型薄膜兩類。多晶薄膜型光電導探測器種類較少,主要的有響應于1~3μm波段的PbS、響應于3~5μm波段的PbSe和PbTe。

單晶型的光電導探測器可再分為本征型和摻雜型[9]。

本征型的探測器早期以銻化銦(InSb)為主,能探測7μm以下的紅外輻射。后來發展了響應波長隨材料組分變化的碲鎘汞(HgCdTe)和碲錫鉛(PbSnTe)三元化合物探測器[10]。

摻雜型紅外探測器,主要是鍺、硅和鍺硅合金摻入不同雜質而制成的多種摻雜探測器。如鍺摻金(Gu:An)、鍺摻汞(Ge:Hg)、鍺摻鋅(Ge:Zn)、鍺摻銅(Ge:Cu)、鍺摻鎘(Ge:Cd)、硅摻鎵(Si:Ga)、硅摻鋁(Si:Al)、硅摻銻(Si:Sb)和鍺硅摻鋅(Ge-Si:Zn)等[11]。摻雜探測器在歷史上起過重要作用,今后在遠紅外波段仍有重要應用。硅摻雜探測器的性能與鍺摻雜探測器差不多,但使用得較少。

第三代紅外探測器:①高性能、高分辨力具有多波段探測的制冷焦平面 ②中等性能或高性能的非制冷焦平面 ③成本非常低的非制冷的焦平面 多色探測,大面陣,高性能,低成本[12]。

圖1:現代紅外探測器樣品

三. 紅外探測器內容 1. 碲鎘汞探測器

碲鎘汞是半金屬化合物碲化汞(HgTe)和寬禁帶半導體碲化鎘(CdTe)混合而成的贗二元化合物材料, 是制造紅外焦平面(IRFPA)器件極為優良的材料。

有如下優點[13]:

(1) 禁帶寬度可調, 覆蓋整個紅外波段;

(2) 作為直接帶隙材料, 具有較大的光吸收系數,可獲得較高的量子效率; (3) 電子、空穴遷移率高;

(4) 本征復合機制對應的少子壽命長, 熱產生率低,有利于提高器件的工作溫度;

(5) 介電常數適中, 能獲得較小的 PN 結電容.

碲鎘汞紅外探測器屬于直接帶隙半導體材料,吸收外來光子產生的電子躍遷為帶間躍遷,即電子從價帶躍遷到導帶,這種躍遷方式的優點是材料光吸收大,量子效率高,高達 70%~80%,器件光響應大、響應率高。

傳統的碲鋅鎘襯底無法實現大面積,在過去的十幾年中,以新型的硅、鍺襯底材料替換碲鋅鎘襯底, 制備大規格碲鎘汞薄膜材料技術成為研究熱點,并取得顯著的成果[14]。

圖2:碲鎘汞的能帶圖

硅襯底碲鎘汞薄膜材料技術研究方面, 美國主要研究中波紅外和長波紅外兩種材料系統,重點發展分子束外延(MBE)生長技術[15]。已利用 MBE 技術在 76 mm 和 101 mm 直徑硅襯底上生出中波紅外碲鎘汞薄膜材料。





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