基于量子阱红外探测器的探测-读出单片集成技术探索

Quantum well infrared photodetectors (QWIP) have the advantages of wavelength adjustable , good radiation hardness and highly uniform large area focal plane array imaging system. It has widely and important applications in medical treatment, military and many other fields, and has vast economic value.However, in conventional QWIP focal plane array (FPA), the FPA must be hybridized to a Si circuit via a very complex indium bump-bonding process. The thermal mismatch between Si material and GaAs material reduced the stability of the devices greatly. In this project, we proposed the detection – readout monolithic integration technology based on quantum well infrared photodetectors integrated with GaAs read-out circuit. This monolithic integrated device has many advantages：(1) the readout circuit material and the detector material are grown in the same substrate, no need to indium bumb bounding, reducing the difficulty of the process, enhance the stability of the device; (2) read out circuit and the detector using the same material, without thermal mismatch at the low temperature; (3) the low work temperature of QWIP is good to the high-speed of GaAs electronic devices.This will be a major step forward in the QWIP and truly realized the monolithically integrated optoelectronic integration. It has significant practical significance.

量子阱红外探测器具有波长可调节、抗辐射性能好、以及大面阵均匀性好等优点。 它在军事、医疗以及其它领域都具有广阔的应用和巨大的社会、经济效益。然而在传统的量子阱红外大面阵器件中，器件必须与Si读出电路相连，倒装互联工艺非常复杂，而且Si与GaAs材料的热失配也使得器件的稳定性大大降低。本项目提出使用GaAs读出电路、基于量子阱红外探测器的探测-读出单片集成技术，这种单片集成器件具有很多优点：①读出电路和探测器材料在同一衬底上依次生长，无须要铟柱互联，减少了工艺难度，增强了器件的稳定性；②读出电路和探测器使用同种材料，无需考虑低温热失配问题；③量子阱红外探测器的低温工作也有利于GaAs电子器件的高速工作。这将是量子阱红外探测器制备技术的一次重大进步，真正实现了单片集成的光电一体化，具有重的实用意义。

红外探测技术在很多方面都有巨大的应用需求和广阔的应用前景。在光电子高新技术领域引起广泛关注。探索新型、高性能红外探测器件也成为当前信息高新技术领域的一个重要前沿方向。目前高灵敏度红外成像器件一般都在3～5 mm和8～14mm这两个大气窗口工作。量子阱红外探测器基于III-V族材料的子带跃迁，在高均匀性、大面积、低成本、多色红外焦平面方面具有很大的优势，在医疗、资源以及其它领域都具有广阔的应用和巨大的社会、经济效益。然而在传统的量子阱红外焦平面器件中，器件必须与Si读出电路相连，倒装互连工艺非常复杂，而且Si与GaAs材料的热失配也使得器件的稳定性大大降低。本项目提出采用GaAs基器件对量子阱红外探测器光电信号进行读出，这样就可解决低温热失配的问题，可大大增加器件的稳定性和可靠性。具体进行如下探索：.1）为了对GaAs基读出电路进行有效设计分析，首先对GaAs基量子阱红外探测器的光电特性进行了系统研究；针对中波和长波，进行探测器的材料生长及制备工艺研究；开发具有自主知识产权的探测器性能综合测试系统，完成对双波段量子阱红外探测器的光电性能指标综合测评。.2）对GaAs基电学读出器件进行材料设计与工艺制备研究。因为GaAs基量子阱红外探测器是在低温条件下工作，因此重点对GaAs基电学读出器件的低温特性进行测试和研究。.3）完成GaAs基电学器件和量子阱红外探测器的集成测试，实现了对中波和长波量子阱红外探测器光电信号的读出与放大。.4）共发表论文2篇，申请和获得知识产权6项，培养研究生2名。