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一款多色叠层量子阱红外探测器的读出电路设计

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激光与红外 2024年第5期54卷 746-749页

作者：张露漩于艳李敬国中电科光电科技有限公司北京100015

一款完整的红外焦平面探测器主要包含探测器件、读出电路、封装结构和制冷组件。目前根据不同应用场景,探测波段范围不断变宽、探测灵敏度需求提高、成像速度要求加快,对探测器设计提出了更严格、更复杂的指标要求。其中,读出电路将探... 详细信息

一款完整的红外焦平面探测器主要包含探测器件、读出电路、封装结构和制冷组件。目前根据不同应用场景,探测波段范围不断变宽、探测灵敏度需求提高、成像速度要求加快,对探测器设计提出了更严格、更复杂的指标要求。其中,读出电路将探测光信号转换为电信号传输至系统,是探测器组件的关键核心模块。本文设计了一款对应多色叠层量子阱型器件的红外焦平面探测器读出电路,能够实现同时间、同空间对四波段信号进行探测,并且同时读出,四波段信号的探测积分与读出之间没有互相干扰。探测器规格640×512,像元间距50μm(四波段),各波段信号可实现分时积分、分别可调,采用边积分边读出工作模式,读出帧频可达到四波段探测时≥50 Hz,电路噪声≤0.5 mV,动态范围≥70 dB,电功耗≤600 mW,是一款超大规模低噪声高帧频的高性能读出电路。

关键词：多色量子阱红外探测器读出电路

非均匀GaAs/AlGaAs量子阱红外探测器材料表征和器件性能研究

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红外与毫米波学报 2024年第1期43卷 7-14页

作者：苏家平周孝好唐舟范柳燕夏顺吉陈平平陈泽中上海理工大学材料与化学学院上海200093 中国科学院上海技术物理研究所红外物理国家重点实验室上海200083

本文利用分子束外延(MBE)技术成功生长了GaAs/AlGaAs非均匀量子阱红外探测器材料,并对相关微结构作了细致表征。分析比较了非均匀量子阱结构和常规量子阱红外探测器性能差异,并对比研究了不同势阱宽度下非均匀量子阱红外探测器的性能变... 详细信息

本文利用分子束外延(MBE)技术成功生长了GaAs/AlGaAs非均匀量子阱红外探测器材料,并对相关微结构作了细致表征。分析比较了非均匀量子阱结构和常规量子阱红外探测器性能差异,并对比研究了不同势阱宽度下非均匀量子阱红外探测器的性能变化。通过高分辨透射电子显微镜(HRTEM)结合能谱仪(EDS)对非均匀量子阱红外探测器材料微结构进行了分析,并利用二次离子质谱仪(SIMS)对非均匀势阱掺杂进行了表征。结果表明,该量子阱外延材料晶体质量很好,量子阱结构和掺杂浓度也与设计值符合较好。对于非均匀量子阱红外探测器,通过改变每个阱的掺杂浓度和势垒宽度,可以改变量子阱电场分布,而与传统的均匀量子阱红外探测器相比,其暗电流显著下降(约一个数量级)。在不同阱宽下,非均匀量子阱的跃迁模式发生改变,束缚态到准束缚态跃迁模式下(B-QB)的器件具有较高的黑体响应率以及较低的暗电流。

关键词：非均匀量子阱高分辨电镜二次离子质谱暗电流

采用Ga(In,As)P异变缓冲层的GaP/Si衬底上InAs量子阱

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红外与毫米波学报 2022年第1期41卷 253-261页

作者：黄卫国顾溢金宇航刘博文龚谦黄华王庶民马英杰张永刚中国科学院上海微系统与信息技术研究所太赫兹技术重点实验室上海200050 中国科学院上海技术物理研究所传感技术联合国家重点实验室上海200083 中国科学院上海技术物理研究所红外成像材料与器件重点实验室上海200083 中国科学院大学北京100049 查尔姆斯理工大学微技术与纳米科学系哥德堡SE-41296

本工作在GaP/Si衬底上基于In_(0.83)Al_(0.17)As异变缓冲层实现了InAs/In_(0.83)Al_(0.17)As量子阱的生长。研究了Ga_(x)In_(1-x)P和GaAs_(y)P_(1-y)递变缓冲层对量子阱结构材料性能的影响。采用Ga_(x)In_(1-x)P组分渐变缓冲层的样品X射线衍射倒易空间衍射峰展宽更小,表明样品中的失配位错更少。两个样品均在室温下实现了中红外波段的光致发光,而采用Ga_(x)In_(1-x)P组分渐变缓冲层的样品在不同温度下都具有更高的光致发光强度。这些结果表明在GaP/Si复合衬底上采用阳离子混合的渐变缓冲层对生长中红外InAs量子阱结构具有相对更优的效果。

关键词：量子阱 GaP/Si 异变缓冲层中红外

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40 K双波段长波探测器冷箱封装技术研究

红外与激光工程 2024年第3期53卷 41-51页

作者：王小坤陈俊林罗少博曾智江李雪中国科学院上海技术物理研究所传感技术联合国家重点实验室上海200083 中国科学院上海技术物理研究所上海200083

冷光学技术是弱目标及多光谱红外探测的重要支撑技术。为了实现低温光学系统温度精确控制和防污染,一般多将低温光学与探测器集成在冷箱内。某高光谱相机需要1个320×64量子阱探测器和1个320×64 II类超晶格探测器共面拼接,集成双波段... 详细信息

冷光学技术是弱目标及多光谱红外探测的重要支撑技术。为了实现低温光学系统温度精确控制和防污染,一般多将低温光学与探测器集成在冷箱内。某高光谱相机需要1个320×64量子阱探测器和1个320×64 II类超晶格探测器共面拼接,集成双波段微型滤光片,形成长波双波段探测杜瓦组件,探测器工作所需的40 K低温环境由脉管制冷机提供。杜瓦采用无窗口设计,并通过柔性波纹管将杜瓦外壳与冷箱外壳集成,以实现气密性集成和光校调节。针对40 K温区双波段探测器封装的三维拼接、探测器及滤光片的低应力封装、制冷机与探测器的高效热传输等难点,对探测器的三维拼接、40 K温区高效热传输、探测器低应力集成的热层结构、低应力滤光片支撑、杜瓦与制冷机耦合等进行研究,创新性提出了三点Z向调节拼接方法、探测器Al2O3载体复合钼基板和钼冷平台的热层结构、双波段滤光片集成的钼支撑结构、带应力隔离的冷平台与制冷机过盈装配的耦合方法,最终实现了40 K温区下双波段探测器平面度优于±2.06μm(RMS)、探测器的低温应力小于22.06 MPa、双波段滤光片低温形变小于8.55μm、探测器与制冷机温度梯度为2.6 K。40 K长波双波段红外探测器冷箱杜瓦组件经过2000 h通电老练和300次开关机试验验证,试验前后组件性能未发生明显变化,满足工程化应用的要求。

关键词：杜瓦冷光学量子阱二类超晶格 40 K温区

量子阱均匀性和对称性对850 nm VCSEL阈值特性影响的研究

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量子阱均匀性和对称性对850 nm VCSEL阈值特性影响的研究

作者：杨达扬州大学

学位级别：硕士

垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser,VCSEL)具有低成本、低阈值、光束质量好、易于器件耦合、能够高速调制、可阵列化集成等多种优点,在光纤通讯、光互联和并行光信息处理等领域有着广泛的应用。随着大数据时... 详细信息

垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser,VCSEL)具有低成本、低阈值、光束质量好、易于器件耦合、能够高速调制、可阵列化集成等多种优点,在光纤通讯、光互联和并行光信息处理等领域有着广泛的应用。随着大数据时代的来临,数据流量快速增长,光通讯网络面临更大的挑战,对激光器性能要求越来越高,这一现象引领着VCSEL向更高速率、更大带宽、更低能耗方向发展。阈值特性作为VCSEL重要性能参数之一,对器件的能耗和输出特性有重要影响。本文以降低850nm VCSEL的阈值电流为主要目标,围绕量子阱结构展开深入研究,具体研究了量子阱结构的均匀性和对称性对VCSEL阈值特性的影响。本文主要研究内容如下:1.研究了传统的均匀且对称InxGa1-xAs量子阱结构对VCSEL阈值特性的影响:研究发现,InxGa1-xAs量子阱中的In组分和阱厚直接决定了 VCSEL的增益波长,对VCSEL的阈值特性也有重要的影响,因此选择合适的In组分和阱厚不仅能得到理想的增益波长,还有利于减少阈值电流。对于激射波长为850nm的VCSEL,当InxGa1-xAs量子阱中In组分确定时,会有一个最佳的阱厚与之对应。通过研究均匀且对称InxGa1-xAs量子阱中不同In组分对VCSEL阈值特性的影响,发现随着In组分从0.06增加到0.14,阈值电流先减小后增大,确定了在本工作中当In组分为0.12时,VCSEL阈值特性最好。2.研究了非均匀对称InxGa1-xAs量子阱结构对VCSEL阈值特性的影响:对两种非均匀对称量子阱结构以及前面研究中得到的最佳均匀且对称量子阱结构的VCSEL阈值特性进行了比较分析。三种量子阱结构分别命名为结构A、结构B、结构C,结构A为前面工作得到的最佳均匀且对称量子阱结构,五个量子阱In组分均为0.12,结构B的五个量子阱In组分分别为0.14、0.12、0.12、0.12、0.14,结构C的五个量子阱In组分分别为0.10、0.12、0.12、0.12、0.10。通过研究这三种结构的VCSEL阈值特性,结果显示结构C的阈值特性最好。研究发现,与均匀且对称量子阱结构A相比,非均匀对称结构C的第一个量子阱的In组分较小,带隙较大,与相邻势垒层的电子相对势垒高度较低,电子更容易进入光场较强的中间三个量子阱中。同样的分析方法,非均匀对称量子阱结构C的第五个量子阱的In组分较小,带隙较大,与相邻势垒层的空穴相对势垒高度较低,空穴也容易进入光场较强的中间三个量子阱中,因此在中间三个量子阱复合的载流子浓度也较高,提高了器件的性能。3.研究了非均匀非对称InxGa1-xAs量子阱结构对VCSEL阈值特性的影响:比较分析了两种非均匀非对称量子阱结构与前面研究得到的最佳非均匀对称量子阱结构的VCSEL阈值特性。两种非均匀非对称量子阱结构分别命名为结构D、结构E,结构D的五个量子阱In组分分别为0.10、0.12、0.12、0.12、0.14,结构E的五个量子阱In组分分别为0.06、0.08、0.10、0.12、0.14。通过比较结构D、结构E以及前面工作得到的结构C的VCSEL阈值特性,结果显示结构D的阈值特性最好。分析发现,这主要是因为与前一个工作研究的非均匀对称量子阱结构C相比,非均匀非对称结构D第五个量子阱的In组分较大,带隙较小,与相邻限制层的电子相对势垒高度较高,阻挡了电子的泄漏,因此器件性能也更好。

关键词：均匀性和对称性量子阱 850 nm VCSEL 阈值特性

量子阱渐变层材料及结构对GaN基LED性能的影响

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光学学报 2023年第4期43卷 157-165页

作者：王进军杨艳莹白斌辉徐晨昱陕西科技大学电子信息与人工智能学院陕西西安710021

In组分渐变InGaN/GaN量子阱结构可以有效解决晶格失配所带来的LED发光效率降低的问题。采用Silvaco软件建立了In组分渐变量子阱结构数值计算模型,研究了量子阱中渐变层In组分及渐变层厚度对极化电荷密度、载流子浓度及LED功率谱密度的... 详细信息

In组分渐变InGaN/GaN量子阱结构可以有效解决晶格失配所带来的LED发光效率降低的问题。采用Silvaco软件建立了In组分渐变量子阱结构数值计算模型,研究了量子阱中渐变层In组分及渐变层厚度对极化电荷密度、载流子浓度及LED功率谱密度的影响。研究结果表明:随着渐变层中In组分的增加,载流子浓度以及极化电荷密度都在增大,但极化电荷密度增幅较小,峰值功率谱密度随着In组分增加的增长幅度逐渐减小;功率谱密度随着渐变层顶层厚度的增加先增大后减小,渐变层非顶层厚度不均匀时的功率谱密度比均匀时的功率谱密度小。

关键词：材料 GaN基LED 量子阱渐变层功率谱密度

在具有Fano干涉非对称双量子阱中实现涡旋四波混频

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吉林大学学报（理学版） 2022年第6期60卷 1439-1445页

作者：张迪巴诺费金有钟鑫吉林师范大学物理学院吉林四平136000

在一个具有隧穿感应量子干涉的非对称双量子阱中,设计一种可操控的空间涡旋四波混频方案.通过调谐探测场的失谐和耦合场及涡旋场的Rabi频率,可有效控制涡旋四波混频的螺旋位相和强度分布,并利用色散关系解释数值结果.

关键词：量子相干四波混频轨道角动量光量子阱

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量子阱中电子自旋注入及弛豫的飞秒光谱研究

物理学报 2004年第9期53卷 3196-3199页

作者：孙丰伟邓莉寿倩刘鲁宁文锦辉赖天树林位株中山大学光电材料与技术国家重点实验室物理系广州510275

采用飞秒脉冲的饱和吸收光谱方法研究了GaAs AlGaAs多量子阱中电子自旋的注入和弛豫特性 ,测得电子自旋极化弛豫时间为 80± 1 0ps.说明了电子自旋轨道耦合相互作用引起局域磁场的随机化。

关键词：自旋电子学量子阱半导体量子阱飞秒激光光谱自旋-轨道耦合量子器件

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二维光子晶体量子阱的光谱特性研究

光谱学与光谱分析 2008年第5期28卷 988-990页

作者：王东栋王永生徐征邓立儿张春秀韩笑发光与光信息技术教育部重点试验室北京交通大学光电子技术研究所北京100044

研究了二维光子晶体量子阱的光谱特性,该量子阱结构由二维正方晶格圆柱晶胞光子晶体通过移去中间位置的介质圆柱层形成。由于光子晶体中的光子禁带充当了光子运动的势垒,类似于半导体量子阱中电子的行为,在光子晶体量子阱结构中会出现... 详细信息

研究了二维光子晶体量子阱的光谱特性,该量子阱结构由二维正方晶格圆柱晶胞光子晶体通过移去中间位置的介质圆柱层形成。由于光子晶体中的光子禁带充当了光子运动的势垒,类似于半导体量子阱中电子的行为,在光子晶体量子阱结构中会出现量子化的光子能态。文章利用平面波展开法计算了所用光子晶体的能带结构,利用传输矩阵方法计算了量子阱结构的透射光谱。计算结果表明,在光子禁带中出现了离散的透射峰,透射峰的强度随着势垒宽度的增加而减弱,个数随着势阱宽度的增加而增加,通过计算得到了其定量关系,并且讨论了透射峰频率与势阱宽度的关系。

关键词：光子晶体量子阱平面波展开法传输矩阵方法