无分立像元光学读出的量子阱红外焦平面器件研究

本项目将研究的是一种无分立像元的、光学读出的、红外太赫兹波段适用的量子阱红外焦平面成像器件，其重要特征是通过硅光电探测和纳尺度复合量子结构的巧妙结合可以把芯片上的红外图像直接转换成近红外或可见光图像。具体是：一方面通过多量子阱结构的子带跃迁实现红外或太赫兹波段的探测，另一方面，通过量子阱结构的带间跃迁发光实现与硅探测器阵列的衔接，进而由硅探测器实现对红外物体的成像。通过该器件的研究可以将传统的红外焦平面技术体制改变到基于成熟的硅探测器阵列的探测体制上。为此诸多制约红外焦平面技术发展的瓶颈问题将得到有效解决，如焦平面规模问题，读出电路问题等。因此这一研究将有效推动我国红外焦平面技术的跨代式发展。

给出了一种无分立像元复合结构的量子阱红外探测器。具体来说是通过ＭＢＥ方法生长双重量子阱结构，其中一个量子阱结构作为红外探测部分，利用量子阱结构的子带跃迁实现红外或太赫兹波段的探测；另一方面，可以通过另外一个量子阱结构的带间跃迁发光实现红外探测与近红外发光的结合同时完成与硅探测器阵列的有效衔接，进而由硅探测器实现对红外物体的成像。这样一个工作模式实际上包含了一种光子频率上转换过程，但是不同于传统的多光子过程，这也使得这个过程的量子效率相对较高。它是通过一个热红外的低能光子与电能的巧妙结合形成一个近红外或可见的高能量光子，从而使得红外光子的上转换过程在红外探测领域的应用成为可能。 . 在材料研究的基础上，进行了大面阵1cm×1cm 焦平面器件的研制。根据器件的工作原理，充分利用量子阱材料生长的灵活性，设计并制备了基于n型GaAs/AlGaAs量子阱红外探测器的具有红外上转换功能的QWIP－LED器件材料，其中，设计的器件工作波长位于长波红外大气窗口8.7µm左右，经上转换后器件的近红外发光波长约为0.8µm左右的Si 探测器可探测波段。通过改善光刻胶以及光刻条件等实现了光刻机极限条件下的光栅光刻；通过反应离子干法刻蚀的方法基本解决了光栅制备中的均匀性和稳定性等问题；通过聚焦离子束刻蚀的办法解决了大面阵器件中局部缺陷点的定位消除等问题。在解决以上关键问题的基础上，实现了大面阵QWIP－LED红外成像器件，实现了对室温物体的热成像，并且初步测定器件的最小可分辨温差优于0.3K。