【摘 要】
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利用红外光传播距离长、抗干扰性好而实现的红外光电探测技术作为一种无源被动传感技术,在航空航天遥感、大气环境监测、医学监测、化学检测等领域有重要应用。红外光电探测器自诞生至今短短百年内得到了非常广泛且深入的研究,业内在21世纪初对红外探测器提出了小尺寸、轻重量、低能耗、低价格、高性能（SWa P~3）的高要求,进一步指明了红外光电探测器从材料到器件结构不断的创新突破的方向。Ⅲ-Ⅴ族化合物窄带隙半导体
【机 构】
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中国科学院大学(中国科学院物理研究所)
【出 处】
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中国科学院大学(中国科学院物理研究所
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利用红外光传播距离长、抗干扰性好而实现的红外光电探测技术作为一种无源被动传感技术,在航空航天遥感、大气环境监测、医学监测、化学检测等领域有重要应用。红外光电探测器自诞生至今短短百年内得到了非常广泛且深入的研究,业内在21世纪初对红外探测器提出了小尺寸、轻重量、低能耗、低价格、高性能（SWa P~3）的高要求,进一步指明了红外光电探测器从材料到器件结构不断的创新突破的方向。Ⅲ-Ⅴ族化合物窄带隙半导体材料（Ga As,InP,Ga Sb,In As,In Sb等及其多元合金）具备载流子迁移率高、化学性质稳定、晶体结构相近、带隙可调的优点,以其制备的红外探测器覆盖了短波红外（SWIR）、中波红外（MWIR）和长波红外（LWIR）等多个波段,且探测性能优异,在红外光电探测器的研发和应用中一直担当着重要的角色。商用的中波红外光电探测器为抑制高暗电流,常需要在探测器外配备低温致冷杜瓦,严重增加探测器的体积和制造成本。本研究应用本课题组发现的PN结中的低维结构存在光吸收增强和载流子高效抽取现象,利用Ⅲ-Ⅴ族锑化物制备In As Sb/（Al,Ga）Sb带间跃迁量子阱红外探测器,目标实现低成本、小体积的高温中波红外探测器。在研究中,在分子束外延技术上确定了Ga Sb基Ga Sb缓冲层、大应变高Sb组分In As Sb和In As Sb/（Al,Ga）Sb带间跃迁量子阱界面以Sb气氛过渡的转换的生长条件,成功制备出多种光伏型In As Sb/（Al,Ga）Sb带间跃迁量子阱红外探测器。通过光电响应光谱验证了大应变In As Sb/Al Sb/Al Ga Sb带间跃迁量子阱红外探测器能够在200 K下实现探测波长从短波红外拓展到中波红外范围,并从能带结构上确定Ⅱ类跨接型带间跃迁量子阱红外探测器是实现中红外波响应的充分条件,本研究为高温工作光伏型带间跃迁量子阱提供重要的理论和实验基础。另外,在短波红外探测方面,与刚性同类型的光电红外探测器相比,柔性光电器件和系统能够实现更为广泛的应用,尤其在新型生物集成光电系统、可穿戴消费电子方面的应用更加灵活多样。相比于有机柔性电子材料,基于无机Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体的光电探测器在实现弯曲的同时能够保持固有的高性能,因此是高端柔性探测器应用方案重要的选择。在本研究中,我们展示了一种基于III-V族化合物半导体材料的可见-短波红外宽光谱柔性光电探测器,器件尺寸达到3×3 mm~2,工作波长从640 nm到1700 nm,实现短波探测拓展到可见波段,具有5.18×1011 cm?Hz1/2/W@1550nm的高探测率,响应速率达到MHz水平。采用简单的自上而下的柔性器件制造工艺,摆脱了多次倒装转移衬底的高成本且复杂的工艺,规避了因使用氢氟酸可能造成的安全问题。制备得到的InGaAs可见-短波红外宽光谱柔性探测器经过1000次、半径为15 mm的弯曲循环后,光电性能依然保持稳定。此外,还研究了该柔性探测器的机械失效模式,表明开裂和分层失效模式分别主导向上弯曲和向下弯曲方向上的器件失效。
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