甚长波红外量子级联探测器基础研究

The very long wave infrared (VLWIR, λ＞14μm) is a strategic band for the development of space-based infrared technology. Nowadays,III-V QWIPs are main candidate for this range. Although the specific advantages of the QWIPs are easy wavelength tuning,high thermal stability, high uniformity and yield etc.,the relatively large dark current,lower operation temperature and quantum efficiency are slightly deficient.Therefore, a more efficient operation mode is needed to patch up or solve these problem. Quantum cascade detectors (QCDs) are photovoltaic devices: they have a built in asymmetric conduction band potential formed by energy band engineering design, which allows for biasless operation.They have clear advantages on the absence of dark current,low background noise,and high operation temperature and frequency response etc.In this project,we focus on the VLWIR quantum cascade photodectors involving energy band engineering and electronic transport theory,material science and preparation technology,devices physics and processing.We will try our best to solve the key issues such as photovoltic response mechanism and the tailoring of energy band, suppression of dark current and promotion of detectivity, vertical coupling and enhancing absorpation etc.We anticipate to develop VLWIR quantum cascade photodetectors above 14μm with high level and contribute to the exploration of focal plane arrays.

甚长波红外（λ＞14μm）是天基红外技术发展的战略性波段。Ⅲ-Ⅴ族QWIPs是最重要的候选者。然而,其在众多方面表现出明显优势的情况下，也在相对较大的暗电流、较低的工作温度和量子效率等方面表现出了不足。这需要一种全新的工作模式才可能弥补或解决。量子级联探测器是一种依靠能带工程设计形成自身导带势能的不对称性，从而自发地驱动激发态电子定向流动而无需偏置电压的光伏型红外光子探测器件。其在抑制暗电流、降低背景噪声、提高响应速度和工作温度等方面具有天然优势。本项目以甚长波红外量子级联探测器能带工程与电子输运理论、材料科学及制备技术、工艺与器件物理为主要研究内容，着重解决甚长波红外量子级联探测器光伏响应机制与能带剪裁、暗电流机制及探测率提升、垂直光吸收耦合及增强机制等关键科学问题。预期研制出峰值探测波长＞14μm的系列高性能甚长波红外量子级联探测器，并在焦平面阵列等科学技术探索中做出贡献。

甚长波红外（VLWIR，λ＞14μm）是天基红外技术发展的战略性波段。Ⅲ-Ⅴ族量子阱红外光探测器（QWIPs）是VLWIR探测器最重要的候选者。然而,其在众多方面表现出明显优势的情况下，也在相对较大的暗电流、较低的工作温度和较低的量子效率等方面表现出了不足。这需要一种全新的工作模式才可能弥补或解决。量子级联探测器（QCD）是一种依靠能带工程设计形成自身导带势能的不对称性，从而自发地驱动激发态电子定向流动而无需偏置电压的新的光伏型红外光子探测器件。其在抑制暗电流、降低背景噪声、提高响应速度和工作温度等方面具有与生俱来的优势。本项目以VLWIR QCD能带工程与电子输运理论、VLWIR QCD材料科学及制备技术、VLWIR QCD器件工艺与器件物理为主要研究内容，着重解决了VLWIR QCD光伏响应机制与能带剪裁、VLWIR QCD暗电流机制及探测率提升、VLWIR QCD垂直光吸收耦合及增强机制等关键科学技术问题。研制出了峰值探测波长14-20μm之间的一系列高性能VLWIR QCD，实现了最高背景限制探测率（D*BLIP）1×1011 cmHz1/2W-1，最高液氮温度（77K）时Johnson 噪声限制探测率6.67×108 cmHz1/2W-1，最高液氮温度（77K）时光电流响应率13.3mA/W ，10K时暗电流密度为1.1×10-11A/cm2。通过集成超表面结构实现了红外光垂直吸收和偏振的调控，为后续的甚长波红外焦平面阵列探测器制备奠定了基础。本项目在国际重要学术期刊发表学术论文14篇、发表国际学术会议论文2篇，申请国家发明专利4项。项目开展期间培养博士后1名，博士研究生4名，硕士研究生1名。