金属\介质微腔量子阱红外探测器(QWIPs)的研究
量子阱红外探测器由于其材料的高均匀性、微纳加工工艺成熟、响应带宽较窄、重复性强等特点，成为目前红外探测领域的热门研究方向。以量子阱材料为核心的量子阱红外探测器(QWIP)在军事和民用领域都有着巨大需求。比如在气体探测和成像方面，量子阱红外探测器具有重要的应用前景。在红外波段，一些气体存在着较窄的吸收带，例如六氟化硫(SF6)的吸收带处于10.55μm。当有气体存在时，成像焦平面上的光敏元接收红外辐射，与无气体处存在辐射，因此可以探测出气体的具体位置。由于气体的特征吸收/辐射带宽通常较窄(lt;300nm)，为了达到高探测灵敏度，一般要求探测器的响应带宽要窄(lt;300~400nm)，目前气体探测主要是在探测器前附加滤光片或者色散元件来实现窄带探测需求，这种附加装置意味着系统更加复杂以及费用的增加。 金属微腔的谐振选频特性，为气体的窄带探测提供了另外一种技术途径，而且由于这种窄带探测功能是探测器像元的自身属性，可以极大的提高焦平面器件设计的灵活性，例如可以利用差分进一步提高探测灵敏度。本文利用微纳加工技术制备金属\介质微腔结构的量子阱红外探测器，以微腔为对象，通过理论和实验的方法研究微腔共振模式与器件性能的关系，以及单元器件转向像元尺寸焦平面器件的可行性分析，为下一步进行焦平面器件研制奠定基础。具体内容包括： 1．理论部分，利用有限元法（Finteelementmethod,FEM）对金属\介质微腔结构进行有限元电磁场数值模拟计算，分析微腔结构的共振原理，光栅周期大小、台面宽度变化对共振波长的影响，同时解释微腔共振阶数与量子吸收效率的关系，获取最优器件结构参数。 2．实验部分，通过对样品工艺的研究制定相应的工艺流程，将设计好的带有量子阱材料的样品制备成金属\介质微腔结构器件和45°标准单元器件，过程中主要利用紫外光刻、等离子体刻蚀、等离子体化学气相沉积、化学湿法刻蚀、电子束蒸发、倒装焊等工艺步骤对样品进行制备，最后针对器件进行性能测试，主要包括暗电流测试、黑体测试、光电流谱测试等。 3．随着台面宽度的变化，共振阶数成偶数值增加，与45°标准单元器件相比，具有微腔结构的器件峰值响应率可以实现8倍的增强，其半高宽可从1.5μm缩小至0.3μm，品质因子可达到45之高。说明此种结构的量子阱红外探测器具有窄带响应特性，在气体探测上具有良好应用。研究了台面宽度、耦合凹槽光栅周期大小、探测器占空比、在Y轴方向缩小至像元尺寸、器件表面Ti/Au金属覆盖率等影响因素，对探测器进行PC谱、黑体响应、暗电流、背景电流等性能测试，实验结果表明，随着共振模式数的增加，台面宽度对共振波长的调节能力变弱，且每一种共振阶数下存在着最优光栅周期。
量子阱红外探测器;微腔共振;窄带探测;焦平面探测
上海师范大学
硕士
凝聚态物理
石旺舟;甄红楼
2021
中文
TN215
2021-11-05（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）