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什么是紅外探測新技術(shù)—量子級聯(lián)探測器？
2017-12-05
光的本質(zhì)是電磁波，人類肉眼可感知的電磁波被稱為可見光，也就是眾所周知的紅橙黃綠青藍紫這七種顏色。可見光僅為整個電磁波譜中很小的一部分。
那么，紅橙黃綠青藍紫的紅色之前是什么顏色呢？紫色之后又是什么顏色呢？人類無法直接感知可見光之外的電磁波，所以這兩個區(qū)域的顏色是肉眼看不到的。就好像空氣，我們看不到并不代表它不存在。所以要感知可見光之外的其他電磁波，必須借助外界手段如光電探測器來實現(xiàn)。
紅外光，也被稱為紅外線，是英國科學(xué)家赫歇爾于1800年在實驗室中發(fā)現(xiàn)的。它是波長比紅光更長的電磁波，具有明顯的熱效應(yīng)，使人能感覺到而看不見。專業(yè)術(shù)語如是說——所有溫度高于絕對零度的物體，均存在紅外輻射。通俗來講就是，目前我們能夠接觸到的物體都在源源不斷的向外發(fā)射紅外光。所以，我們可以通過紅外探測的手段來觀察物體，紅外探測技術(shù)通常可用于夜視、醫(yī)療、氣體檢測、天文探測等。
紅外探測器是一種對于紅外輻射進行高靈敏度感應(yīng)的光電轉(zhuǎn)換器件。早期的紅外探測基于紅外輻射的熱效應(yīng)，也就是紅外光的照射使得探測器溫度升高，溫度的變化使紅外探測器的物理參數(shù)發(fā)生改變，據(jù)此判斷紅外光的強弱。由于這種方法基于溫度的變化，而溫度變化是一個緩慢的過程，所以這種基于熱效應(yīng)的紅外探測器的感知速度比較慢。
量子級聯(lián)探測器的能帶結(jié)構(gòu)和工作方式
現(xiàn)代的紅外探測器大多是基于光電效應(yīng)而設(shè)計的，十分類似于可見光波段的CCD或者CMOS探測器，也就是廣泛用于相機中的感光部件，差別僅僅是紅外探測器中的光電轉(zhuǎn)換像元是由能夠感受紅外光波的光電材料制成。由于光具有波粒二象性，常可將光波稱為光子。光子可直接作用于紅外探測器中的電子，使得紅外探測器輸出的電流或電壓發(fā)生直接的變化，通過對這種變化進行測試，可根據(jù)其轉(zhuǎn)化效率直接推算得到入射光的強度。這種方法基于光電效應(yīng)，避開了溫度變化的過程，所以光電探測器的反應(yīng)速度更迅捷。
量子級聯(lián)探測器(quantum cascade detector, QCD)是一種新型的光電探測器，于21世紀初被提出，是一種人工結(jié)構(gòu)的晶體材料。量子級聯(lián)探測器通常由兩種禁帶寬度不同的半導(dǎo)體材料交替生長而成，通過能帶工程將材料的導(dǎo)帶設(shè)計成量子阱結(jié)構(gòu)，其探測波長主要受到勢壘高度的限制，可覆蓋紅外與太赫茲波段。打個比方，勢壘就好比一堵墻，量子阱就好比墻與墻之間的平地。通過調(diào)整墻的厚度、墻的高度以及墻與墻之間的距離，可以使墻之間存在各式各樣的能級分布。根據(jù)量子力學(xué)原理，能級會被束縛在墻與墻之間，不會高于墻頭。
量子級聯(lián)探測器的能級分布如上圖所示，其結(jié)構(gòu)可大體分為兩部分，吸收區(qū)與輸運區(qū)。吸收區(qū)負責(zé)光子的吸收，吸收一個入射光子的同時，激發(fā)一個電子；輸運區(qū)負責(zé)使這個電子定向移動。上圖的吸收區(qū)中，一個入射的光子可以將E1能級上的電子提高至E6能級，然后輸運區(qū)的能級設(shè)計成下臺階的樣式，使該電子能夠定向移動。這個爬上去又滑下來的光電過程是不是有點似曾相識？沒錯，與大家都玩過的滑梯有異曲同工之妙！這種多個量子能級聯(lián)合組成的體系就稱為“量子級聯(lián)”。此時有人或許要問，能級不是被限制在兩個“墻”之間的嗎？那么電子又怎么能夠“穿墻而過”的呢？這里又牽涉到量子力學(xué)中的一個有趣的概念：量子隧穿效應(yīng)。用量子力學(xué)的觀點來看，電子具有波動性，所以電子是有一定概率直接“穿墻而過”的，這在經(jīng)典物理學(xué)中是不可思議的，但在量子力學(xué)中卻實實在在的發(fā)生著，這種現(xiàn)象被稱為量子隧穿效應(yīng)。并且在某些特定條件下，電子的“穿墻”概率能接近100%。
量子級聯(lián)探測器這種不對稱的結(jié)構(gòu)，使其表現(xiàn)出光伏特性，可使光激發(fā)的電子自發(fā)地單向輸運，不需要借助其他外力比如外加電場。這種光伏特性使得光電信號的輸出與采集更為便捷。無外加電場時，量子級聯(lián)探測器在無光照條件下不會產(chǎn)生電流(無暗電流)，僅在有光子入射的情況下，才會輸出純凈的光電流。所以量子級聯(lián)探測器功耗低、發(fā)熱量低、熱負載小，可用于制備低能耗的成像芯片焦平面陣列。
基于種種優(yōu)點，量子級聯(lián)探測器成為微光探測、衛(wèi)星遙感、星地高速激光通信以及高對比度紅外成像等應(yīng)用領(lǐng)域中極具前景的紅外探測器件。
目前，中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所陸衛(wèi)研究團隊在國際上首次研制了量子級聯(lián)探測器紅外焦平面陣列，該探測器基于GaAs/AlGaAs材料，峰值探測波長為8.5微米，位于長波紅外波段，面陣規(guī)模達到320×256(81920像素)，并初步進行了紅外成像實驗。
那么，紅橙黃綠青藍紫的紅色之前是什么顏色呢？紫色之后又是什么顏色呢？人類無法直接感知可見光之外的電磁波，所以這兩個區(qū)域的顏色是肉眼看不到的。就好像空氣，我們看不到并不代表它不存在。所以要感知可見光之外的其他電磁波，必須借助外界手段如光電探測器來實現(xiàn)。
紅外光，也被稱為紅外線，是英國科學(xué)家赫歇爾于1800年在實驗室中發(fā)現(xiàn)的。它是波長比紅光更長的電磁波，具有明顯的熱效應(yīng)，使人能感覺到而看不見。專業(yè)術(shù)語如是說——所有溫度高于絕對零度的物體，均存在紅外輻射。通俗來講就是，目前我們能夠接觸到的物體都在源源不斷的向外發(fā)射紅外光。所以，我們可以通過紅外探測的手段來觀察物體，紅外探測技術(shù)通常可用于夜視、醫(yī)療、氣體檢測、天文探測等。
紅外探測器是一種對于紅外輻射進行高靈敏度感應(yīng)的光電轉(zhuǎn)換器件。早期的紅外探測基于紅外輻射的熱效應(yīng)，也就是紅外光的照射使得探測器溫度升高，溫度的變化使紅外探測器的物理參數(shù)發(fā)生改變，據(jù)此判斷紅外光的強弱。由于這種方法基于溫度的變化，而溫度變化是一個緩慢的過程，所以這種基于熱效應(yīng)的紅外探測器的感知速度比較慢。
量子級聯(lián)探測器的能帶結(jié)構(gòu)和工作方式
現(xiàn)代的紅外探測器大多是基于光電效應(yīng)而設(shè)計的，十分類似于可見光波段的CCD或者CMOS探測器，也就是廣泛用于相機中的感光部件，差別僅僅是紅外探測器中的光電轉(zhuǎn)換像元是由能夠感受紅外光波的光電材料制成。由于光具有波粒二象性，常可將光波稱為光子。光子可直接作用于紅外探測器中的電子，使得紅外探測器輸出的電流或電壓發(fā)生直接的變化，通過對這種變化進行測試，可根據(jù)其轉(zhuǎn)化效率直接推算得到入射光的強度。這種方法基于光電效應(yīng)，避開了溫度變化的過程，所以光電探測器的反應(yīng)速度更迅捷。
量子級聯(lián)探測器(quantum cascade detector, QCD)是一種新型的光電探測器，于21世紀初被提出，是一種人工結(jié)構(gòu)的晶體材料。量子級聯(lián)探測器通常由兩種禁帶寬度不同的半導(dǎo)體材料交替生長而成，通過能帶工程將材料的導(dǎo)帶設(shè)計成量子阱結(jié)構(gòu)，其探測波長主要受到勢壘高度的限制，可覆蓋紅外與太赫茲波段。打個比方，勢壘就好比一堵墻，量子阱就好比墻與墻之間的平地。通過調(diào)整墻的厚度、墻的高度以及墻與墻之間的距離，可以使墻之間存在各式各樣的能級分布。根據(jù)量子力學(xué)原理，能級會被束縛在墻與墻之間，不會高于墻頭。
量子級聯(lián)探測器的能級分布如上圖所示，其結(jié)構(gòu)可大體分為兩部分，吸收區(qū)與輸運區(qū)。吸收區(qū)負責(zé)光子的吸收，吸收一個入射光子的同時，激發(fā)一個電子；輸運區(qū)負責(zé)使這個電子定向移動。上圖的吸收區(qū)中，一個入射的光子可以將E1能級上的電子提高至E6能級，然后輸運區(qū)的能級設(shè)計成下臺階的樣式，使該電子能夠定向移動。這個爬上去又滑下來的光電過程是不是有點似曾相識？沒錯，與大家都玩過的滑梯有異曲同工之妙！這種多個量子能級聯(lián)合組成的體系就稱為“量子級聯(lián)”。此時有人或許要問，能級不是被限制在兩個“墻”之間的嗎？那么電子又怎么能夠“穿墻而過”的呢？這里又牽涉到量子力學(xué)中的一個有趣的概念：量子隧穿效應(yīng)。用量子力學(xué)的觀點來看，電子具有波動性，所以電子是有一定概率直接“穿墻而過”的，這在經(jīng)典物理學(xué)中是不可思議的，但在量子力學(xué)中卻實實在在的發(fā)生著，這種現(xiàn)象被稱為量子隧穿效應(yīng)。并且在某些特定條件下，電子的“穿墻”概率能接近100%。
量子級聯(lián)探測器這種不對稱的結(jié)構(gòu)，使其表現(xiàn)出光伏特性，可使光激發(fā)的電子自發(fā)地單向輸運，不需要借助其他外力比如外加電場。這種光伏特性使得光電信號的輸出與采集更為便捷。無外加電場時，量子級聯(lián)探測器在無光照條件下不會產(chǎn)生電流(無暗電流)，僅在有光子入射的情況下，才會輸出純凈的光電流。所以量子級聯(lián)探測器功耗低、發(fā)熱量低、熱負載小，可用于制備低能耗的成像芯片焦平面陣列。
基于種種優(yōu)點，量子級聯(lián)探測器成為微光探測、衛(wèi)星遙感、星地高速激光通信以及高對比度紅外成像等應(yīng)用領(lǐng)域中極具前景的紅外探測器件。
目前，中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所陸衛(wèi)研究團隊在國際上首次研制了量子級聯(lián)探測器紅外焦平面陣列，該探測器基于GaAs/AlGaAs材料，峰值探測波長為8.5微米，位于長波紅外波段，面陣規(guī)模達到320×256(81920像素)，并初步進行了紅外成像實驗。
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