目前紅外光電焦平面探測器工作在低溫、甚至深低溫條件下，需要給探測器配備金屬杜瓦營造真空環(huán)境并用制冷機給杜瓦組件提供制冷，紅外焦平面制冷組件的重量和功耗主要來自于杜瓦和制冷機，并且與工作溫度密切關聯。提高器件工作溫度對于降低紅外系統(tǒng)的體積、重量和成本是十分重要的。高溫工作探測器是第三代紅外焦平面發(fā)展的重要方向之一，對于提高光電系統(tǒng)的適用性和可靠性具有廣泛而深遠的意義，可以極大地推動紅外技術在微型無人機、車載平臺、便攜式手持裝備等小型化設備上的應用。

高工作溫度下紅外探測器暗電流主要來自于產生-復合暗電流和擴散電流。帶間級聯探測器結合了勢壘結構與多級吸收區(qū)結構的特點，通過多量子阱弛豫和隧穿實現光生載流子單方向輸運，可以有效降低來自PN結耗盡區(qū)的產生-復合暗電流；利用多級短吸收區(qū)結構，在擴散長度很短的情況下仍然可以有效地收集光生載流子，從而可以提高探測器在高工作溫度下的探測性能。

據麥姆斯咨詢報道，近期，中國科學院上海技術物理研究所（以下簡稱“上海技物所”）紅外成像材料與器件重點實驗室周易研究員和陳建新研究員課題組在《紅外與毫米波學報》期刊上發(fā)表了以“面向高工作溫度應用的帶間級聯紅外光電器件”為主題的綜述文章。周易研究員長期從事超晶格紅外探測核心元器件的研制工作，陳建新研究員主要從事InAs/GaSb II類超晶格紅外探測器及新型紅外光電器件的研究工作。

帶間級聯探測器能帶結構示意圖

帶間級聯紅外探測器是一種基于銻化物超晶格材料的多吸收區(qū)級聯結構，采用銻化物InAs/Ga（As）Sb超晶格作為吸收區(qū)，以InAs/Al（As）Sb多量子阱構成聲子共振散射馳豫區(qū)，以Ga（As）Sb/Al（As）Sb多量子阱構成隧穿區(qū)。

這項研究重點總結分析了目前上海技物所在高工作溫度帶間級聯探測器、高帶寬中紅外帶間級聯探測器以及高轉換效率中紅外帶間級聯發(fā)光器件的研究進展。在帶間級聯探測器方面，上海技物所在高工作溫度下，制備了320×256規(guī)模的中波帶間級聯探測器焦平面陣列，135K工作溫度下NETD為34.3mK，145K工作溫度下可以獲得較為清晰的紅外熱成像。制備了浸沒透鏡后10級器件的響應率，在浸沒透鏡和減反膜的作用下，響應率提高了7.5倍左右，室溫下5μm處的探測率達到了4.7×109 cm·Hz1/2/W。對帶間級聯探測器的頻率響應特性進行了研究，40μm尺寸器件在-5V偏壓下3dB帶寬可以達到5.06GHz。對中紅外帶間級聯發(fā)光器件進行了研究，5級帶間級聯發(fā)光器件300K工作溫度和350mA注入電流下電光轉化效率為0.06%，發(fā)光功率密度達到0.73W/cm2。

帶間級聯LED能帶結構示意圖

該項目獲得國家自然科學基金（61904183、61974152、62104237、62004205）、中國科學院青年創(chuàng)新促進會會員資助（Y202057）、上海市科技啟明星計劃（20QA1410500）、上海市揚帆計劃（21YF1455000）的支持。該研究的第一作者為上海技物所柴旭良，主要從事帶間級聯光電子器件領域的研究。

審核編輯 ：李倩