红外光电探测器

上海大学2014～2015学年冬季学期研究生课程考试小论文课程名称：光电探测技术课程编号：10SAZ9001论文题目:红外光电探测器研究生姓名:高**学号:1*******论文评语:成绩:任课教师:张继军评阅日期:红外光电探测器InfraredPhotoelectricityDetector高**微电子与固体电子学专业，材料科学与工程学院，上海大学摘要：红外探测器可以将红外辐射信号转变为电信号，进而可以被人类所感知到。本文主要介绍红外探测器所利用的光电效应的基本原理，再介绍各种类型的红外探测器及其发展和应用，最后再介绍红外探测器的发展现状和未来展望。关键词：红外探测器；光电效应；碲镉汞；量子阱Abstract:Infraredphotoelectricitydetectorcantransferinfraredinformationtoelectronicinformation,thuscanbefeltbyhumanbeings.Thisarticlemainlytellthefundamentalprincipleofphotoelectriceffectwhichinfraredphotoelectricitydetectorutilized.Thenintroducealltypesofinfraredphotoelectricitydetectoranditsdevelopmentaswellasapplication.Atlast,introducethecurrentsituationofinfraredphotoelectricitydetectoranditsfutureexpectations.Keyword:Infraredphotoelectricitydetector;photoelectriceffect;HgTe;Quantumwell引言红外探测器是将入射的红外辐射信号转变成电信号输出的器件，现代红外探测器所利用的主要是红外热效应和光电效应[1]。红外辐射是波长介于可见光与微波之间的电磁波，人眼觉察不到。1800年：赫胥尔利用涂黑水银温度计发现了红外辐射，一般把这支温度计当作第一个红外探测器。1917年美国人克斯研制出第一支硫化铊光电导红外探测器。19世纪30年代末，德国人研制出硫化铅(PbS)光电导型红外探测器。硫化铅是第一个在战场中得到多种应用的实用红外探测器。二次世界大战后先后出现了PbTe、InSb、HgCdTe、Si掺杂、PtSi等探测器[2]。1959年英国劳森（Lawson）与其同事的研究带动了可变带隙合金Hg1－xCdxTe（HgCdTe）的发展，由此呈现出红外探测器蓬勃发展的局面。基本原理从第一代红外探测器至今已有40余年历史，按照其特点可分为三代[3]：第一代，（1970s-80s）主要是以单元、多元器件进行光机串/并扫描成像；第二代，（1990s-2000s）小规模凝视型焦平面阵列；第三代，以大面阵、高分辨力、多波段、智能灵巧型系统级芯片为主要特点，具有高性能数字信号处理功能，甚至具备单片多波段融合探测与识别能力。现代探测器技术进入第二、第三代，重要标志之一就是元数大大增加。另一方面是开发同时覆盖两个波段以上的双色和多光谱探测器。所有进展都离不开新技术特别是半导体技术的开发和进步[4]。半导体精密光刻技术使探测器技术由单元向多元线列探测器迅速发展，即后来称为第一代探测器。Si集成电路技术，即利用Si读出电路与光敏元大面阵耦合，诞生了所谓第二代的大规模红外焦平面阵列探测器。先进的薄层材料生长技术的出现，也即分子束外延、金属有机化学汽相淀积和液相外延等技术可重复、精密控制生长大面积高度均匀材料，使制备大规模红外焦平面阵列成为可能。也是量子阱探测器出现的前提。高性能探测器低温要求驱动微型制冷机的开发，制冷技术又促进了探测器的研制和应用[5]。这些技术在红外光电探测器的发展中都是具有里程碑意义的技术。早期研制的红外探测器存在波长单一、量子效率低、工作温度低等问题，大大地限制了红外探测器的应用[6]。碲镉汞红外探测器自发现以来一直是红外探测器技术的首选，在红外探测器发展历程中占有重要的地位。碲镉汞红外探测器自发现以来一直是红外探测器技术的首选[7]，在红外探测器发展历程中占有重要的地位。红外探测器按工作机理分类可以分为热探测器和光电探测器。热探测器的机理是入射辐射的热效应引起探测器某一特性的变化，而光电探测器的机理是入射光子流与探测材料相互作用产生的光电效应。热探测器的换能过程包括：热阻效应、热伏效应、热气动效应和热释电效应等。光电探测器的换能过程包括：光生伏特效应、光电导效应、光电磁效应和光发射效应等。红外辐射光子在半导体材料中激发非平衡载流子(电子或空穴)，引起电学性能变化。因为载流子不逸出体外，所以称内光电效应。量子光电效应灵敏度高，响应速度比热探测器快得多，是选择性探测器。为了达到最佳性能，一般都需要在低温下工作。光电探测器可以分为四类：第一类光导型，也称光敏电阻；第二类光伏型，主要是P-N结的光生伏特效应；第三类是光发射Schottky势垒探测器，是金属和半导体接触类型的探测器；第四类是量子阱探测器，将两种半导体材料A和B用人工方法薄层生长形成超晶格，在其界面，能带有突变[8]。光电探测器可分为单晶型和多晶型薄膜两类。多晶薄膜型光电导探测器种类较少，主要的有响应于1～3μm波段的PbS、响应于3～5μm波段的PbSe和PbTe。单晶型的光电导探测器可再分为本征型和掺杂型[9]。本征型的探测器早期以锑化铟（InSb）为主，能探测7μm以下的红外辐射。后来发展了响应波长随材料组分变化的碲镉汞（HgCdTe）和碲锡铅（PbSnTe）三元化合物探测器[10]。掺杂型红外探测器，主要是锗、硅和锗硅合金掺入不同杂质而制成的多种掺杂探测器。如锗掺金（Gu:An）、锗掺汞（Ge:Hg）、锗掺锌（Ge:Zn）、锗掺铜（Ge:Cu）、锗掺镉（Ge:Cd）、硅掺镓（Si:Ga）、硅掺铝（Si:Al）、硅掺锑（Si:Sb）和锗硅掺锌（Ge-Si:Zn）等[11]。掺杂探测器在历史上起过重要作用，今后在远红外波段仍有重要应用。硅掺杂探测器的性能与锗掺杂探测器差不多，但使用得较少。第三代红外探测器：①高性能、高分辨力具有多波段探测的制冷焦平面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测，大面阵，高性能，低成本[12]。图1：现代红外探测器样品三.红外探测器内容1.碲镉汞探测器碲镉汞是半金属化合物碲化汞(HgTe)和宽禁带半导体碲化镉(CdTe)混合而成的赝二元化合物材料,是制造红外焦平面(IRFPA)器件极为优良的材料。有如下优点[13]:(1)禁带宽度可调,覆盖整个红外波段;(2)作为直接带隙材料,具有较大的光吸收系数,可获得较高的量子效率;(3)电子、空穴迁移率高;(4)本征复合机制对应的少子寿命长,热产生率低,有利于提高器件的工作温度;(5)介电常数适中,能获得较小的PN结电容.碲镉汞红外探测器属于直接带隙半导体材料，吸收外来光子产生的电子跃迁为带间跃迁，即电子从价带跃迁到导带，这种跃迁方式的优点是材料光吸收大，量子效率高，高达70%～80%，器件光响应大、响应率高。传统的碲锌镉衬底无法实现大面积，在过去的十几年中，以新型的硅、锗衬底材料替换碲锌镉衬底，制备大规格碲镉汞薄膜材料技术成为研究热点，并取得显著的成果[14]。图2：碲镉汞的能带图硅衬底碲镉汞薄膜材料技术研究方面，美国主要研究中波红外和长波红外两种材料系统，重点发展分子束外延（MBE）生长技术[15]。已利用MBE技术在76mm和101mm直径硅衬底上生出中波红外碲镉汞薄膜材料。在锗衬底碲镉汞薄膜材料方面，法国的技术比较先进，已经在76mm和101mm直径的锗衬底上分子束外延生长出了碲镉汞薄膜材料。图3：法国的双色球碲镉汞红外探测器材料多色（多波段）碲镉汞材料为分子束外延生长的掺杂型多层异质外延薄膜材料，目前已有HgCdTe双色材料及其红外探测器[16]。美国雷声公司研制出长波/长波双色n-p-n结构异质结材料，其中的2个n型吸收层共用一个p型层，控制2个n型层中碲镉汞的合金成分可精确控制双波段的截止波长。采用这种材料可以制造像素间距40μm的128×128规格的双色焦平面阵列。2.量子阱探测器与传统探测器的探测机理不同，量子阱焦平面探测器是靠量子阱结构中光子和电子之间的量子力学相互作用来完成探测的。这种探测器使用带隙比较宽（GaAs为1.43eV）的Ⅲ-Ⅴ族材料，主要有光导型量子阱材料（GaAs/AlGaAs）和光伏型量子阱材料（InAs/InGaSb、InAs/InAsSb）两种类型[17]。与碲镉汞相比，量子阱红外探测器材料的优点是可提供更好的粘合强度、化学稳定性、掺杂能力以及热稳定性，GaAs/GaAlAs材料体系的材料生长技术比较成熟。所以近年来重点发展了长波量子阱材料和多色量子阱材料技术。3.Ⅱ类超晶格红外探测器Ⅱ类超晶格红外探测器的出现正好克服了碲镉汞和量子阱红外探测器存在的问题，同时具备两者的优势[18]，即具有超越碲镉汞的性能和量子阱红外探测器的产业化优势，成为被国际上看好的第三代红外探测器的最佳选择之一。Ⅱ类超晶格红外探测器是一种低维材料体系，采用类似量子阱红外探测器材料的生长方法进行超晶格材料生长，不同之处在于超晶格的势阱和势垒层都非常薄，约为几个单分子层厚度势阱中的电子通过势垒隧穿形成微带，外来入射光子产生的跃迁在微带之间完成，通过调节组分、厚度以及界面的应变可调节微带的位置，从而达到调节类似材料“禁带宽度”的效果。4.InSb红外探测器InSb红外探测器用于中波3～5μm，具有量子效率高、可靠性好、均匀性好的优势，目前最大的探测器规格已达到2k×2k[19]。存在的主要问题是波长不可调，器件工作温度低，在77K工作。5.InGaAs近红外探测器工作波段为0.9～1.7μm，作为波长扩展，长波方向可达到2.6μm，短波方向延伸到可见光，其探测器规格也达到1k×1k。其量子效率高，器件性能好，室温下探测率达到1014cmHz1/2W－1。存在的问题是与InSb探测器类似，覆盖的工作波段仅限于近红外波段，不能跨越到中波和长波，只能作为大面阵单色器件，目前已获得了大量、广泛的应用[20]。6.非制冷红外探测器非制冷红外探测器材料能够工作在室温状态，并具有稳定性好、成本低、功耗小、能大幅降低系统尺寸等优点，制造的焦平面阵列的像素尺寸已达到25μm以下，且具有高灵敏度和高分辨率能力，是未来小型低成本热像仪的主流材料。目前，国外研究的非制冷红外探测器材料主要有热释电材料和微测辐射热计材料。氧化物晶体钽酸锂（LiTaO3）、铌酸锶钡（SBN）和陶瓷材料钛酸铅（PbTiO3）、锆钛酸铅镧（PLZT）以及铁电材料钛酸锶钡（BST）等热释电材料因具有化学稳定、容易加工等优点已被用于制作红外探测器，并在激光探测、红外报警和夜视仪等方面得到应用。应用及现状1.军事装备中的应用制导武器、侦察、搜索、预警、探测、跟踪、全天候前视和夜视、武器瞄准2.民用市场中的应用工业、农业、医学、交通电力在线检测、铁路车辆轴温探测、矿产资源勘探、地下矿井测温和测气、气象预报、地貌或环境监测、农作物或环保监测3.实际市场中的应用为了适应未来战争的需要，红外探测技术在军事中的应用正朝着高灵敏、宽谱段、高分辨率、低功耗、小型化和智能化的方向发展。红外焦平面探测器技术体现了当前红外探测技术的发展水平，其趋势是体积更小、功效更强和更加集成化。碲镉汞(MCT)焦平面阵列无论在长波、中波还是短波等多个红外波段都得到了全面的发展。其中，中波凝视红外成像制导发展较快，美国响尾蛇AIM-9X空空弹就采用了128×128元中波碲镉汞焦平面阵做成的红外凝视成像系统[17]。采用MCT的焦平面阵列大部分是128×128到640×512像素的格式，但有一些中波MCT阵列可以达到2048×2048像素。德国AIM公司最新生产的HiPIR-640