面向高工作溫度應(yīng)用的帶間級(jí)聯(lián)紅外光電器件

目前紅外光電焦平面探測(cè)器工作在低溫、甚至深低溫條件下，需要給探測(cè)器配備金屬杜瓦營(yíng)造真空環(huán)境并用制冷機(jī)給杜瓦組件提供制冷，紅外焦平面制冷組件的重量和功耗主要來(lái)自于杜瓦和制冷機(jī)，并且與工作溫度密切關(guān)聯(lián)。提高器件工作溫度對(duì)于降低紅外系統(tǒng)的體積、重量和成本是十分重要的。高溫工作探測(cè)器是第三代紅外焦平面發(fā)展的重要方向之一，對(duì)于提高光電系統(tǒng)的適用性和可靠性具有廣泛而深遠(yuǎn)的意義，可以極大地推動(dòng)紅外技術(shù)在微型無(wú)人機(jī)、車載平臺(tái)、便攜式手持裝備等小型化設(shè)備上的應(yīng)用。

高工作溫度下紅外探測(cè)器暗電流主要來(lái)自于產(chǎn)生-復(fù)合暗電流和擴(kuò)散電流。帶間級(jí)聯(lián)探測(cè)器結(jié)合了勢(shì)壘結(jié)構(gòu)與多級(jí)吸收區(qū)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，通過(guò)多量子阱弛豫和隧穿實(shí)現(xiàn)光生載流子單方向輸運(yùn)，可以有效降低來(lái)自PN結(jié)耗盡區(qū)的產(chǎn)生-復(fù)合暗電流；利用多級(jí)短吸收區(qū)結(jié)構(gòu)，在擴(kuò)散長(zhǎng)度很短的情況下仍然可以有效地收集光生載流子，從而可以提高探測(cè)器在高工作溫度下的探測(cè)性能。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所（以下簡(jiǎn)稱“上海技物所”）紅外成像材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室周易研究員和陳建新研究員課題組在《紅外與毫米波學(xué)報(bào)》期刊上發(fā)表了以“面向高工作溫度應(yīng)用的帶間級(jí)聯(lián)紅外光電器件”為主題的綜述文章。周易研究員長(zhǎng)期從事超晶格紅外探測(cè)核心元器件的研制工作，陳建新研究員主要從事InAs/GaSb II類超晶格紅外探測(cè)器及新型紅外光電器件的研究工作。

帶間級(jí)聯(lián)探測(cè)器能帶結(jié)構(gòu)示意圖

帶間級(jí)聯(lián)紅外探測(cè)器是一種基于銻化物超晶格材料的多吸收區(qū)級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)，采用銻化物InAs/Ga（As）Sb超晶格作為吸收區(qū)，以InAs/Al（As）Sb多量子阱構(gòu)成聲子共振散射馳豫區(qū)，以Ga（As）Sb/Al（As）Sb多量子阱構(gòu)成隧穿區(qū)。

這項(xiàng)研究重點(diǎn)總結(jié)分析了目前上海技物所在高工作溫度帶間級(jí)聯(lián)探測(cè)器、高帶寬中紅外帶間級(jí)聯(lián)探測(cè)器以及高轉(zhuǎn)換效率中紅外帶間級(jí)聯(lián)發(fā)光器件的研究進(jìn)展。在帶間級(jí)聯(lián)探測(cè)器方面，上海技物所在高工作溫度下，制備了320×256規(guī)模的中波帶間級(jí)聯(lián)探測(cè)器焦平面陣列，135K工作溫度下NETD為34.3mK，145K工作溫度下可以獲得較為清晰的紅外熱成像。制備了浸沒(méi)透鏡后10級(jí)器件的響應(yīng)率，在浸沒(méi)透鏡和減反膜的作用下，響應(yīng)率提高了7.5倍左右，室溫下5μm處的探測(cè)率達(dá)到了4.7×109 cm·Hz1/2/W。對(duì)帶間級(jí)聯(lián)探測(cè)器的頻率響應(yīng)特性進(jìn)行了研究，40μm尺寸器件在-5V偏壓下3dB帶寬可以達(dá)到5.06GHz。對(duì)中紅外帶間級(jí)聯(lián)發(fā)光器件進(jìn)行了研究，5級(jí)帶間級(jí)聯(lián)發(fā)光器件300K工作溫度和350mA注入電流下電光轉(zhuǎn)化效率為0.06%，發(fā)光功率密度達(dá)到0.73W/cm2。

帶間級(jí)聯(lián)LED能帶結(jié)構(gòu)示意圖

該項(xiàng)目獲得國(guó)家自然科學(xué)基金（61904183、61974152、62104237、62004205）、中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)會(huì)員資助（Y202057）、上海市科技啟明星計(jì)劃（20QA1410500）、上海市揚(yáng)帆計(jì)劃（21YF1455000）的支持。該研究的第一作者為上海技物所柴旭良，主要從事帶間級(jí)聯(lián)光電子器件領(lǐng)域的研究。

審核編輯 ：李倩