基于带间级联结构的室温近室温工作红外探测器机理研究

Infrared detector with artificial microstructure working at room temperature or near room temperature has been the research hotspot in the world. The current mainstream of photoelectric infrared detector relies on carrier drift and diffusion movements, needing to work in the refrigeration temperature. We propose a new superlattice infrared detector based on the interband cascade structure. The new structure solve the low quantum efficiency problem restricted by material minority carriers lifetime and diffusion length through multiple absorbors photoelectric coupling mode; The structure also effectively reduce the drift diffusion current through the barrier structure; The multiple quantum well relaxation area in the structure collect photocurrent and form a cascade transport on the resonant tunneling effect, different from the ordinary photoelectric detector, improve the working temperature. The device will be demonstrated after the optimization of interband cascade detector barrier structure, tunneling structure and cascade structure, reveals the photoelectric coupling mechanism and the transport mechanism of the new photoelectric detection mode for high temperature, laying the foundation in the applications of superlattice infrared detection technology based on interband cascade structure at room temperature or near room temperature.

通过人工微结构实现室温和近室温工作的红外探测器一直是国际上研究的热点。目前主流的光电红外探测器依赖光生载流子的漂移扩散运动，需要在制冷温度下工作。本项目提出一种基于新型带间级联结构的超晶格红外探测器，通过多吸收区级联的光电耦合模式，解决红外探测器量子效率在较高工作温度下受到材料少子寿命和扩散长度制约的问题；通过结构中的势垒效应阻挡电子穿越，有效降低漂移扩散电流；采取多量子阱弛豫区收集光电流并利用共振隧穿效应形成级联输运，抑制普通光电探测器中较为明显的温度效应，提高工作温度。项目将在优化带间级联探测器中势垒结构、隧穿结构和级联结构的基础上进行单元器件的验证，揭示这种适合高温工作的全新光电探测模式的耦合机理和输运机理，最终实现室温或近室温工作的红外光电探测器，为基于带间级联结构的超晶格红外探测技术在室温或近室温下的应用打下基础。

本项目的思路是利用人工微结构实现室温和近室温工作的红外探测器。目前主流的光电红外探测器依赖光生载流子的漂移扩散运动，需要在制冷温度下工作。本项目提出的是一种基于新型带间级联结构的超晶格红外探测器，通过多吸收区级联的光电耦合模式，解决红外探测器量子效率在较高工作温度下受到材料少子寿命和扩散长度制约的问题；通过结构中的势垒效应阻挡电子穿越，有效降低漂移扩散电流；采取多量子阱弛豫区收集光电流并利用共振隧穿效应形成级联输运，抑制普通光电探测器中较为明显的温度效应，提高工作温度。项目将在优化带间级联探测器中势垒结构、隧穿结构和级联结构的基础上进行单元器件的验证，揭示这种适合高温工作的全新光电探测模式的耦合机理和输运机理，最终实现室温或近室温工作的红外光电探测器，为基于带间级联结构的超晶格红外探测技术在室温或近室温下的应用打下基础。本项目研究中，通过对比PIN、单级、两级级联结构器件，从机理和实验上验证了带间级联结构的输运模式，优化后的探测器结构经过分子束外延生长和器件工艺制备，获得了中波带间级联中波单元器件，在327K下获得清晰响应光谱，截止波长超过4微米，室温下峰值探测率为1.32×109cm.Hz1/2/W，背景限工作温度达到150K，实现了带间级联红外焦平面的原型器件制备，120K下有清晰成像。