量子點紅外探測器

量子點紅外探測器（QDIP）在紅外探測領域具有十分廣闊的套用前景,同時由於QDIP的有效載流子壽命長、暗電流低、工作溫度高、對垂直入射光回響等優勢,近年來高性能QDIP已經成為研究的熱點。

基本介紹

• 中文名：量子點紅外探測器
• 類別：儀器
• 類型：紅外探測器
• 對象：量子點

量子點材料生長

量子點結構的生長技術是QDIP研究的基礎。低維半導體結構的發展很大程度上依賴於材料先進生長技術（分子束外延技術、金屬有機化合物化學氣相沉積技術等）和精細加工工藝（聚焦電子、離子束和X射線光刻技術等）的進步。上個世紀90年代，人們開發了無損傷的低維半導體材料的製備方法，就是利用不同材料的晶格失配而產生的應力，通過Stranski-Krastanow(S-K)生長模式來獲得無缺陷、無位錯和尺寸均勻的量子點，即所謂的自組織生長量子點的方法。這為製備滿足器件要求的量子結構帶來了希望。隨著科學技術的發展，人們又提出了很多新的製備方法。其中包括：（a）在部分掩膜襯底上原位生長量子點（由於掩膜受光刻精度的限制，所以降低了人們對此工藝的興趣）；（b）採用偏向襯底或高指數面襯底，一定晶向的襯底提供的橫向周期性將會影響吸附原子的生長動力學過程從而導致不同的應力弛豫機制；高指數面的表面再構可使量子點的空間分布有序化。這兩種方法的難點是器件後期工藝要求特殊控制。（c）應力緩衝層法，先在襯底上生長適當厚度的應力緩衝層後，再生長量子點。由於應力緩衝層的引入改變了應力場的分布，使量子點形成於富In區或凸起點的上方。從外延生長的角度來分，共有三種生長模式：層狀生長，即FM模式；島狀生長，即VM模式；層狀加島狀生長，即S-K模式。不同的生長模式主要由表面能、界面能和晶格失配度的大小確定的。（1）若失配度較小且外延層表面能和界面能之和小於襯底的表面能，則外延生長為層狀的FM模式；（2）若失配度較大且外延層的表面能與界面能之和大於襯底的表面能，則外延生長為島狀的VW模式；（3）當外延層的表面能與界面能之和，在開始時小於襯底的表面能，則外延層初始為2D層狀生長（浸潤層），隨著浸潤層厚度的增加，體系的應變能也在增加，當浸潤層厚度達到一臨界值時，則由平面生長轉變為島狀生長，即形成量子點。這時，應變發生弛豫，應變能減小，表面能增加，總能量減小，這就是S-K生長模式。所以說量子點的形成是應變能弛豫的一種方式，用這種方法可以獲得無位錯、尺寸較均勻的量子點，即所謂的自組織量子點。

QDIP 的主要結構

簡單InAs(InGaAs)/GaAs 結構

InAs(InGaAs)/GaAs 結構是QDIP 研究初期常見的一種結構，它的特點是結構簡單，生長操作容易，理論基礎豐富，經常用於QDIP 理論的實驗論證。缺點是受帶隙的影響，探測率很難得到繼續提高。目前，這一結構的

QDIP 的探測率不超過1010 cmHz1/2W-1，探測波長一般在4~13 μm 範圍內。

引入AlGaAs 電流阻擋層結構

引入AlGaAs 暗電流阻擋層結構是InAs(InGaAs)/GaAs 結構的改進型，它的理論基礎是AlGaAs 阻擋層對暗電流的阻擋效果大於對光電流的阻擋效果。如果設計得當，AlGaAs 阻擋層確實可以起到減小暗電流同時對光電流也影響不大的效果，但是由於暗電流和光電流具有相同的電子躍遷通道，所以一般情況下是很難使兩種效果同時達到的。

引入InGaAs 應力緩解層結構

引入InGaAs 應力緩解層結構主要研究單位是南加州大學。引入InGaAs 應力緩解層有兩個好處，一方面，引入InGaAs 應力緩解層可以有效減小量子點和隔離層的內部應力，減少了缺陷，提高了晶體質量，從而可以增加光電回響；另一方面，在量子點上面覆蓋一層InGaAs 等於是在量子點的一側插入一個量子阱，該量子阱不但可以降低量子點內激發態的能量，從而降InAs 低暗電流，而且還可以為電子提供量子阱內的電子能級，電子可以從量子點內的能級先躍遷到量子阱內，然後隧穿出隔離層形成光電流。

Dots-in-a-well (DWELL) 結構

DWELL 結構的主要研究單位為美國新墨西哥大學。DWELL 結構紅外探測器是目前研究的比較有前景的一類。DWELL 結構兩個優點：一是通過引入量子阱可以降低量子點內電子的能級，從而降低暗電流，二是通過改變數子阱的寬度和量子點在量子阱內的不對稱性可以方便地調節回響波長。本文在這些研究基礎上進一步研究了該結構的器件性能和理論模擬方法。

InAs/InGaP 結構

InAs/InGaP 結構的主要研究單位為美國西北大學。InAs/InGaP 結構QDIP 目前具有QDIP 中的最高探測率，而且也實現了FPA的紅外成像。由於InAs 和InGaP 具有較大的導帶差，所以電子從量子點內的束縛態躍遷到隔離層的連續態需要很大的能量，所以該類型探測器具有近紅外和中紅外的探測波長，同時熱激發電子導致的暗電流也很小，這造成了該探測器具有高的近、中紅外探測率。

QDIP 的測試

光致發光譜或光螢光（PL）是研究QDIP的基礎手段之一。在說明PL測試之前，先需要說明傅立葉光譜儀的測試原理。麥可遜干涉儀是現代傅立葉變換光譜儀的核心部件，它是一種振幅分割的雙光束干涉系統，如圖2.4所示，具有以下特點：兩光束的光程差易於改變；光路中使用分光板，入射光的一半經固定鏡，另一半經運動鏡反射；環狀干涉條紋一直延伸到無窮遠處；等厚干涉條紋則是由於兩個鏡子間的光學聯繫引起的，在調節儀器時必須注意到這兩種干涉條紋。根據麥可遜干涉儀運動鏡的移動（即光程差），我們就可獲得干涉圖，然後經傅立葉變換，就得到了我們所看到的光譜分布。同時，我們還可以看到得到的光譜分還只與光的調製部分有關，與不發生調製的部分無關。半導體量子點的發光主要是指輻射複合光發射，它是除熱平衡的黑體輻射以外的第部分光輻射，是光吸收過程的逆效應。光吸收（或稱光激發）導致的光發射常稱為光致發光或光螢光（PL），其測量原理是：當激發光源發出hv > Eg 的光照射到被測樣品表面時，由於激發光在材料中的吸收係數很大（通常大於104 cm-1），通過本徵吸收，在材料表面約1 μm以內的區域裡激發產生大量的電子－空穴對，使樣品處於非平衡態。這些非平衡載流子一邊向體內擴散，一邊發生複合。通過擴散，發光區將擴

展到深入體內約一個少子擴散長度的距離。電子－空穴對通過不同的複合機構進行複合，其中的輻射複合就發出疊加在熱平衡輻射上的光發射，稱為螢光。螢光在逸出表面之前會受到樣品本身的自吸收。螢光逸出表面之後，會聚進入單色儀分光，此後經探測器接收轉變成電信號並進行放大和記錄，從而得到發光強度按光子能量分布的曲線，即光致發光譜。