量子点红外光电探测器技术的发展
（学术前沿专题）
专业：测试计量技术及仪器
班级：硕研22班
学生学号： S0908*******
学生姓名：李刚
量子点红外光电探测器
目前大多数红外焦平面阵列（FPA）都以量子阱红外光电探测器（QWIP）或碲镉汞（MCT）光电探测器为基础，而这两类探测器都存有重大的不足。

QWIP对垂直入射光的探测效率很低，因为垂直方向上光子的跃迁被禁止。

尽管利用光栅可以弥补这一缺点，但光栅的制作无疑会增加系统的成本。

另外，QWIP在高温工作时暗电流较高，所以通常采用冷却方式使其在低温下工作，这便大大增加了成像系统的成本、体积和功耗。

MCT光电探测器则因为MCT固有的不稳定性，很难实现高度均匀的探测器阵列，而且以MCT为基础的FPA还具有成本高和效率低的缺点。

近年来，量子点红外光电探测器（QDIP）在工作温度和量子效率方面取得的重大进步，将有望引领新一轮成像技术热潮，并将在医学与生物学成像、环境与化学监测、夜视与太空红外成像等领域开辟新的应用天地。

目前，通过采用纳米技术形成量子点，研究人员已经在开发室温或接近室温工作的高性能成像器方面迈出了一大步。

量子点又称“人造原子”，目前量子点作为提高电子与光电子器件性能的一种手段，已经被广泛应用。

量子点的尺寸很小，通常只有10nm，因此其具有独特的三维光学限制特性。

将量子点应用在红外光电探测器上，可以使探测器在更高的温度下工作。

开发高温工作的红外光电探测器，可以降低红外成像系统的成本，减小重量，提高效率，这将极大地拓展红外光电探测器的应用范围。

研究人员已经开发出了首个以QDIP为基础的焦平面阵列。

研究人员在开发高性能QDIP方面取得了重大突破。

新开发的在室温下工作的QDIP，探测峰值波长在中红外波段（3～5μm），这一波段具有重要的应用价值，因为地球大气层对中红外波段的吸收很小。

该款QDIP由砷化铟（InAs）量子点和铟砷化镓（InGaAs）量子阱组成的混合结构，同时利用铝铟砷化物（AlInAs）形成势垒。

整个器件通过低压金属有机化学气相沉积（MOCVD）工艺生长在一个磷化铟（InP）衬底上。

InAs量子点按Stranski-Krastanow模式自组装生长。

研究人员测量了不同温度下该探测器的光谱响应曲线，偏置电压固定在垂直入射状态，并且排除外界干扰。

室温工作时，光谱响应的峰值波长为 4.1μm。

当温度为77～200K 时，峰值响应度随温度增加而增加；当温度高于200K时，峰值响应度开始下降；当温度为150K、偏置电压为-5V时，峰值响应度为822mA/W。

温度为150K时，探测器的量子效率为35％。

目前研究人员进一步改善了探测器的性能，通过对量子点的生长进行优化可以使探测器的量子效率达到48％，从而对红外光的吸收更强。

以QDIP技术为基础，研究人员已经开发出一个320×256的FPA，其阵列间距为30μm，像素大小为25μm×25μm。

该FPA能在200K的高温下成像，这是目前QDIP FPA的最高工作温度。

该FPA的峰值探测波长为4μm，响应度为34mA/W，转换效率为1.1％，当温度为120K时，噪声等效温差（NEDT）为344mK。

美国伦斯勒理工学院的研究人员通过在传统量子点红外探测器元件上增加金纳米薄膜和小孔结构的方式，可将现有量子点红外探测器的灵敏度提高两倍。

红外探测器的灵敏程度从根本上取决于在去除干扰后所能接收到的光线的多寡。

目前大多数红外探测器都以碲镉汞
技术(MCT)为基础。

该元件对红外辐射极为敏感，可获得较强信号，但同时也面临着无法长时间使用的缺憾（信号强度会逐步降低）。

在这项新研究中，研究人员使用了一个厚度为50纳米、具有延展性的金薄膜，在其上设置了大量直径1.6微米、深1微米的小孔，并在孔内填充了具有独特光学性能的半导体材料以形成量子点。

纳米尺度上的金薄膜可将光线“挤进”小孔并聚焦到嵌入的量子点上。

这种结构强化了探测器捕获光线的能力，同时也提高了量子点的光电转换效率。

实验结果表明，在不增加重量和干扰的情况下，通过该设备所获得的信号强度比传统量子点红外探测器增强了两倍。

下一步，他们计划通过扩大表面小孔直径和改良量子点透镜方法对设备加以改进。

研究人员预计，该设备在灵敏度上至少还有20倍的提升空间。

负责此项研究的伦斯勒理工学院物理学教授林善瑜（音译）称，这一实验为新型量子点红外光电探测器的发展树立了一个新路标。

这是近10年来首次在不增加干扰信号的情况下成功使红外探测器的灵敏度得到提升，极有可能推动红外探测技术进入新的发展阶段。

QDIP技术发展很快，面临着主要技术问题如何变成成熟的商业化技术。

当前QDIP技术要考虑两个方向：
第一种市场是低成本、大批量和中等性能(较低速度和合理的信噪比)热像仪，它们是民用如救火、工业监控、安全监视等需要的，而且也是军用如单兵热像仪、瞄准具、无人值守监视系统等需要的。

这个市场目前主要由微测辐射热计占领，因为它们在室温下具有极好的成像质量，但是帧速较低。

为了满足这种应用的需求，QDIP工作温度能增加到200～250K范围内，就能用低成本热电制冷器代替贵重的斯特林机
械制冷器，因此就能大幅度减小成像系统的尺寸和成本。

低成本和快速光探测器相结合，这对于热探测器在低成本市场可能是一个直接竞争者。

目前，QDIP的最近进展，可使背景限温度高达200K，因此有望成为低成本研究方向；
第二种应用是低产量和高性能红外热像仪，这是车载、机载和远程监视系统所需要的。

参考文献
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2.S.Tsao,H.Lim,W.Zhang,andM.Razeghi,Appl.Phys.Lett.90,2011 09,(2008).
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