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光伏型太赫兹量子阱探测器研究进展


□ 谭智勇 曹俊诚

  摘 要光伏型太赫兹量子阱探测器(PV-THzQWIP)是光伏型量子阱光电探测器(PV-QWIP)在THz波段的扩展,它具有功耗低、暗电流小、噪声水平低以及焦平面阵列(FPAs)热分辨率高等优点,是THz频段技术应用的重要器件之一.文章主要介绍了PV-THzQWIP的工作原理、特点、理论设计及其研究进展.
  关键词太赫兹波,太赫兹量子阱探测器,光伏探测,热分辨率
  
  Photovoltaic terahertz quantum well photodetectors
  TAN Zhi-YongCAO Jun-Cheng
  (State-Key Laboratory of Functional Materials for Informatics, Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200050, China)
  
  AbstractPhotovoltaic terahertz (THz) quantum well photodetectors are one of the key devices for the application of THz technology. They have many advantages such as low power consumption, low dark current, low noise level and high thermal resolution for imaging. We review the basic principles and recent progress in the development of these detectors.
  Keywordsterahertz wave, terahertz quantum well photodetectors, photovoltaic detection, thermal resolution
  
  1 引言
  
  随着便携而紧凑的太赫兹量子级联激光器(THzQCL)的实现和发展[1—4],相应的THz探测器(THzQWIP)发展迅速[5—10].目前,基于GaAs/AlGaAs材料体系的量子阱探测器(quantum well infrared photodetector, QWIP)主要有光电导型(photoconductive, PC)和光伏型(photovoltaic, PV)两种.PC-QWIP以其良好的响应率、高的探测灵敏度和高的光电导增益而被广泛研究,并应用于焦平面阵列和多色探测中[11].目前已报道的THz波段的量子阱探测器[5—7]多属于光电导型(PC-THzQWIP).光伏探测是指器件能在零偏压下完成对目标光辐射的探测.PV-QWIP[12,13]器件功耗小、暗电流和噪声水平低[14],用其制作的焦平面阵列具有很高的热分辨率[15].光伏型太赫兹量子阱探测器(PV-THzQWIP)是PV-QWIP在THz波段的扩展.它可望在THz波的阵列探测和短距离THz无线通信等领域得到很好的应用.掺杂量子阱的研究[16—18]表明,当外加辐射波长扩展到THz波段后,电子多体效应的影响变得不可忽略,需要在器件理论设计中加以考虑[19].目前PV-THzQWIP的器件研制正在进行当中.本文主要介绍了PV-THzQWIP的工作原理、特点、理论设计及其研究进展.
  
  2 光伏型太赫兹量子阱探测器的原理及特点
  
  1988年,Kastalsky等[20]首次在异质结超晶格中提出用光伏探测法探测红外光,随后,QWIP的光伏探测性能被广泛研究[12—15,21—23].PV-THzQWIP与红外波段PV-QWIP的工作原理是一样的.零偏压下,当外加光辐射作用于PV-THzQWIP有源区时,量子阱最低能态的电子吸收光子能量后跃迁到高能级态,并以一定概率越过阱旁边的势垒,促使材料内部发生电荷分离,形成一穿过势垒的电偶极场,即其内部产生一内建的反演非对称场,通过测量器件两端电学特性的变化实现对目标光辐射的探测.图1(a)是典型的“四区”PV-QWIP结构[13],其中1,2,3,4分别代表该器件结构的发射区、漂移区、俘获区和隧穿区.器件的输运机制为:发射区量子阱内的电子在光照下激发到比漂移区带边更高的能态,然后经过漂移区被俘获区俘获,最终俘获区的电子越过隧穿区到达邻近量子阱(即下一周期的发射区),进入下一周期的输运.上述俘获区内AlGaAs势垒层的引入可以避免发射区高能级态电子同时向两边跃迁,从而保证电子的单方向输运.在PC-QWIP中,载流子的发射和俘获发生在同一个区,因而其周期结构只包含发射区和漂移区,如图1(b)所示[24].而PV-QWIP则在上述两区的基础上增加了隧穿区,并将发射区和俘获区区分开来,这样做的好处是每一个区都可以单独进行最优化[13].
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摘自:物理 2008年第03期  
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