（精密仪器及机械专业论文）量子阱红外探测器性能参数测试技术研究(精密仪器及机械专业优秀论文).pdf

量子阱红外探测器性能参数测试技术研究 学科：精密仪器及机械 研究生签字：l 霭彳彦i 移 指导教师签字：南覆缉 摘要 量子阱红外探测器( q w i p , q u a n t u mw e l li n f r a r e dp h o t o d e t e c t o r ) 在响应速度、均匀 性、抗辐照、多色集成和加工成本等方面的明显优势，成为近年来红外探测技术领域关注 的热点，其测试技术也得到了飞速发展。 本文主要研究了q w i p 性能参数测试技术及测量方法。首先简要地介绍了量子阱材料 的发展历史和基本工作原理，分析了表征q w i p 的性能参数。在此基础上提出了测试系 统设计方案，运用基于相关检测技术原理使用锁相放大器测量了黑体电压响应率和光谱响 应率，提高了从背景噪声中提取有用信号的能力。并提出了光谱响应率测量方案的改进方 法，前置放大电路的设计思想以及电路的低噪声处理方法。 q w i p 参数测量程序采用l a b v i e w 编写。程序由初始化、黑体电压响应率、光谱响 应率以及退出四个模块组成。在程序设计中，实现了对锁相放大器( l o c ki na m p l i f i e r ) s r 8 3 0 的控制，使得测试过程更加简洁、便利。测试系统需要测量的参数较多，而且某一 测试结果又被运用于其他参数的测试中，即完成黑体电压响应率测量后把结果处理、保存 并关联到光谱响应率的测试程序中。整个测试系统程序采用模块化结构，具有良好的人机 界面，操作方便。 在此基础上本文还进行了q w i p 性能参数的模拟测量实验。并对测量结果进行了分 析，对测试方法进行了探讨，提出了改进方案。 关键字：q w i p ；性能参数；测试技术；软件设计 r e s e a r c ho nt e s t i n gt e c h n o l o g yf o rq w i pp a r a m e t e r s d i s c i p l i n e ：p r e c i s i o ni n s t r u m e n ta n dm a c h i n e r y s t u d e n ts i g n a t u r e ：2 kj 池蝴 s u p e r v i s o rs i g n a t u r e ：例m a b s t r a c t ( q u a n t u mw e l li n f r a r e dp h o t o d e t e c t o r ) q w l ph a so b v i o u sa d v a n t a g e si nr e s p o n s es p e e d ， u n i f o r m i t y , a n t i i r r a d i a t i o n ，m u l t i c o l o ri n t e g r a t i o n ，c o s t s ，a n ds oo n ，a n db e c o m e s t h ef o c u si n t h ef i e l do fi n f r a r e dd e t e c t i o nt e c h n o l o g yi nr e c e n ty e a r s ，a n di t st e s t i n gt e c h n o l o g yw a sa l s o r a p i d l yd e v e l o p i n g i nt h i st h e s i s ，t h et e s t i n gt e c h n o l o g ya n dm e a s u r i n gm e t h o do fq w i ph a v eb e e nr e s e a r c h e d f i r s t l y , t h eh i s t o r ya n dt h eb a s i cw o r k i n gp r i n c i p l e so fq u a n t u mw e l lh a v eb e e ni n t r o d u c e d b r i e f l y t h ep e r f o r m a n c ep a r a m e t e r so fq w i pa r ea n a l y z e d o nt h i sb a s i s ，r e l m e dt e c h n i c a l p r i n c i p l ea n dl o c k i na m p l i f i e ra r eu s e dt ot e s tt h ep a r a m e t e r so fv o l t a g er e s p o n s er a t e a n d s p e c t r a lr e s p o n s er a t e s ot h ea b i l i t yo fe x t r a c t i n gs i g n a l sf r o mt h eb a c k g r o u n dn o i s e i s i m p r o v e d t h ei m p r o v e dm e t h o do nt h es p e c t r a lr e s p o n s em e a s u r e m e n tp r o g r a m sa n dt h e d e s i g no ft h ep r e a m p l i f i e rw i t hl o w - n o i s ea r ea l s od i s c u s s e di nt h i st h e s i s t h ep r o g r a mo fm e a s u r e m e n th a sb e e n w r i a e nw i t hl a b v i e wl a n g u a g e p r o g r a mi s c o m p o s e do fd e s i g n i n g ，b l a c k b o d yv o l t a g er e s p o n s er a t e ，s p e c t r a lr e s p o n s er a t e ，a n de x i t m o d u l e s a f t e rt h ep r o g r a m ，s r 8 3 0i sc o n t r o l l e db ys o f t w a r e ，w h i c hm a k e st h et e s t i n gp r o c e s s m o r ec o n c i s ea n dc o n v e n i e n c e i nt h i st e s t i n gs y s t e m ，t h e r ea r em a n yp a r a m e t e r st ob et e s t e d ， a n dp a r t so ft h et e s t i n gr e s u l t sw i l lb ea p p l i e dt oo t h e r s ，f o re x a m p l e ，a f t e rt h et e s t i n go fr a t eo f b l a c k b o d yv o l t a g ei t sr e s u l t sw e r es t o r e da n du s e dt ot h et e s t i n gp r o g r a m o fs p e c t r u mr e s p o n s e r a t e i nt h et e s t i n gs o f t w a r e ，t h em o d u l a rs t r u c t u r ew a su s e d ，s ot h es o f t w a r eh a st h eg o o d m a n - m a c h i n ei n t e r f a c ea n di se a s yt oo p e r a t e o nt h i sb a s i so fa b o v er e s e a r c h i n g ，t h ep e r f o r m a n c ep a r a m e t e r so fq w i pw e r et e s t e d ；t h e r e s u l t sa l ea n a l y z e da n dt h et e s t i n gm e t h o d sa r ed i s c u s s e d ；t h em e a s u r e m e n tm e t h o di s i m p r o v e d k e yw o r d s ：q w i p ；p e r f o r m a n c ep a r a m e t e r ；t e s t i n gt e c h n o l o g y ；s o f t w a r ed e s i g n 学位论文知识产权卢明 学位论文知识产权声明 本人完全了解西安工业大学有关保护知识产权的规定，即l 研究生在校攻读学位期间 学位论文工作的知识产权属于西安工业大学。本人保证毕业离校后，使用学位论文工作成 果或使用学位论文工作成果发表论文时署名单位仍是西安工业大学。学校有权保留送交的 学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名： 指导老师签名： 同傀专 南履绪为後坼 日期：刎、j 厂今 5 8 学位论文独创性卢明 学位论文独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师 指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，学位论文不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，不包含本人已申请学位或他 人已申请学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的老师和同学对本研究所做的贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示了感谢。 学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 学位论文作者签名：问传形 指导老师签名：南覆伤 日期： 汐哆、r 。，； 5 9 1 绪论 l 绪论 量子阱红外探测器( q w i p , q u a n t u mw e l li n f r a r e dp h o t o d e t e c t o r ) 是2 0 世纪9 0 年代 发展起来的高新技术。与其它红外技术相比，q w i p 具有响应速度快，探测率与h g c d t e 探测器相近和探测波长可通过量子阱参数的调整加以控制等优点。而且利用m b e 和 m o c v d 等先进工艺可生长出高品质、大面积和均匀的量子阱材料，容易做出大面积的探 测器阵列。由于有这样多的优点，量子阱光探测器，特别是红外探测器的研究引起人们广 泛的重视，在长波应用方面得到迅速发展l lj 。 基于q w i p 焦平面阵列具有广泛的应用前景，它广泛应用于军事、工业、消防和医 疗等方面，特别是其在军事方面的应用，q w i p 可用来精确制导，战场监视、军事目标的 侦察、搜索和自动跟踪、探测地雷等。表征q w i p 特性的参数众多，例如光谱响应率、 比探测率和暗电流噪声等，这些参数的好坏不但影响着q w i p 的性能，而且会进一步影 响基于q w i p 焦平面的性能及其应用性能【l 弓】。 1 1 研究背景 1 1 1 红外探测器的分类及用途 红外探测器是指把入射红外辐射转变成其他形式能量( 多数情况下转变成电能) 的红 外辐射能量转换器，或是把辐射能变成另一种可测量物理量( 如电压或电流) 的传感器。 从最早的涂黑温度计开始，随着固体物理学及半导体物理与器件的发展，根据红外辐射与 物质相互作用时产生的各种次级效应，已研制出结构新颖、灵敏度高、响应快、品种繁多 的红外探测器。对于这些品种繁多的红外探测器，有不同的分类方法，如根据工作温度， 可以分为低温( 需要用液态氮气或其他气体制冷的) 探测器、中温( 工作温度在1 9 5 - - 一2 0 0 k 的热电制冷的) 探测器和室温探测器；根据响应波长范围，可以分为近红外、中红外和远 红外探测器；根据结构和用途，可以分为元型( 单元) 探测器、多元阵列探测器和成象探 测器。目前，常常根据探测过程和机理，把它们分为热探测器和光子探测器。 从上世纪五十年代以来，随着新的半导体材料的不断出现和半导体器件工艺及封装技 术的不断成熟，红外探测器在侦察、遥感、图像识别等方面的应用日益广泛。 1 ) 在军事上，红外探测具有环境适应性好、隐蔽性好、抗干扰能力强、能在一定程 度上识别伪装目标，且设备体积小、重量轻、功耗低等特点，被广泛应用于红外夜视、红 外侦察以及红外制导等方面。 2 ) 工业方面，用于生产系统和设备的故障检测。如电力系统，高压输电线路发生故 障，检测十分困难，在直升飞机上，用量子阱红外探测器阵列制成的红外相机，可迅速、 准确地查出故障位置和严重程度。同时还可以用于产品的无损探及质量鉴定。如金属、非 两安- l ：斗k 人学硕十学位论文 金属材料及其加工部件的无损探伤及质量鉴定，金属焊接部件的质量鉴定。无需解剖、取 样便可迅速查出材料或部件内部的缺陷位置、大小和严重程度。 3 ) 消防方面，视觉受限是火灾中的主要问题，不论是森林大火，还是建筑物起火， 浓厚的烟雾阻挡了消防人员的视线，这时可通过红外相机，找到起火点，了解建筑物内的 情况，及时采取措施，减少财产损失，保障生命安全。 4 ) 医疗方面，人身体上有病变组织的温度和正常组织会有所不同，利用它们之间的 微小差别，通过q w i p 可探8 , u 至- u 病变的部位、发展情况和严重程度，辅助医务人员采取 正确的治疗手段，病人得到早日康复 4 - 6 】。 1 1 2g a a s a i g a a s 量子阱红外探测器的发展历程 量子阱红外探测器( q w i p ) 是国际上九十年代发展起来的高新技术，它是一种利用 量子阱内子带跃迁的红外探测技术。尤其是g a a s a i g a a s 系多量子阱材料，由于它们的 单晶生长、物理性质控制等比较容易，两者的晶格常数相差不大，材料性质比较相近等原 因，引起了人们的广泛关注。以g a a s a i g a a s 系多量子阱材料制作的红外探测器，它的 探测波长范围根据需要通过改变g a a s 阱宽和a l ，g a , 一，a s 垒高( 由a l 组分x 确定) 可以 任意设计，既可使其适用于3 5 am 的大气窗口，又可设计在8 1 2 am 的大气窗e l 。 与其它红外技术相比，q w i p 具有响应速度快，探测率与h g c d t e 红外探测器相近，探测 波长可通过量子阱参数的调整加以控制等优点，而且利用m b e 和m o c v d 等先进工艺可 生长出高品质、大面积和均匀的多量子阱材料。容易做出大面积的探测器阵列，因此量子 阱红外探测器倍受青睐，成为国际上红外探测器研究的两大热点之一，在长波应用方面得 到迅速发展。 量子阱红外探测器经历了三个发展阶段： 1 ) 从1 9 8 5 年魏斯特( l c w e s t ) 等人首次发现在g a a s a 1 g a a s 量子阱材料导带内不 同子带问的跃迁，不久之后，贝尔实验室的l e v i n e 等就利用这一效应制备出量子阱红外 探测器( q w i p ) 。如图1 1 所示，它属于n 型掺杂束缚念到束缚态跃迁的探测器( b b q w i p ) 。l e v i n e 等人制作的探测器结构如下：用m b e 生长了5 0 个周期的多量子阱结构， g a a s 阱宽6 5 n m ，, 4 0 ，g a o ，a s 势垒9 5 n m ，上接触层厚0 5 a m ，下接触层厚1 a m 。中 心5 r i m 的g a a s 阱掺杂1 4 1 0 捕c m ，接触层掺杂4 1 0 1 8 c m 一。这种探测器的能级结构 如图1 1 所示，基态e 位于阱内是束缚态，第一激发太巨也是束缚态。该探测器吸收红 外辐射，位于基态的电子光激发后跃迁到第一激发态，隧穿出量子阱，在偏置电场作用下， 形成光电流。该探测器的吸收光谱峰值位于1 0 8 脚，峰值波长响应率r 。= 0 5 2 w 。这 种探测器需要较大的外加偏压，并有较窄的光谱响应线宽。 2 1 绪论 图1 1b - b0 w l p 的导带示意图及电子光激发与隧穿过程 2 ) 1 9 9 0 年，l e v i n e 等对b bq w i p 的量子结构进行改造，研制出b cq w i p 。他们通 过减小阱宽，使b bq w i p 中的第一激发态不再是束缚态，而成为连续态，如图1 2 所示。 这种b cq w i p 的主要优点是光激发电子能从阱中激发到连续念上，不需要图1 1 所示的 隧穿势垒的过程。这样一来有效收集光电子所需偏置电压大大降低，由于光电子不需要隧 穿势垒，这样就可以增加势垒的厚度，从而使得暗电流大大地减小。这种q w i p 有较宽 的光谱响应和较小的暗电流。 0 4 0a 图1 2b - 00 w l p 的导带示及电子光激发与热电子输运过程 3 ) 提高探测率是研究探测器的科学家始终不渝的奋斗目标。1 9 9 5 年加州理工学院的 g u n a p a l a 等科学家设计了基态为束缚念，第一激发态为准束缚态的量子阱结构。通过改 变阱宽、垒宽和势垒的高度，使第一激发态位于量子阱顶部。对于b q bq w i p ，势垒高 度与光电离能的高度相同，这样在b q bq w i p 中暗电流降低一个数量级，探测率d 提 高了【l 7 】。 两安t 业人学硕十学位论文 1 1 3q w i p 和h g c d t e 探测器光电性质的比较 首先考虑一个适用于各种光电探测器的一般模式，假设器件是一个半导体片，面积为 a ，厚度为t 。，光电探测器的电流响应由量子效率刁和光电增益g 决定。量子效率描述的 是辐射和探测之间的联系情况，通常定义为每个入射光子产生电子一一空穴对的数量。光 电增益是每个产生的电子空穴对通过接触再产生的载流子的数量，这个值表示产生的电子 空穴对用来产生探测器电流响应的能力。这里我们假设这两个值在器件的体积内是个常 数。光谱电流响应可以表示为： b ：_ 2 r l q g ( 1 1 ) 式中彳是波长，h 是普朗克常数，c 是光速，q 是电子电量。假设对光电流和噪声电流的 电流增益是相同的，由于产生一一复合过程所产生的电流噪声可表示为： e = 2 ( g + r ) a t a f q 2 9 2 ( 1 2 ) 其中，g 和r 是产生和复合速度，厂是频率带宽。 探测率d 是一个表征探测器信号和噪声特性的主要参数。它的定义为： d ：r i ( a a f ) v 2 ( 1 3 ) 月 由公式( 1 1 ) 一( 1 3 ) 可以得到： 杀r 2 ( g + 尺) ， - 啦 ( 1 4 ) 在热平衡状态下，产生和复合速率相等，假设这两个速率都对噪声有贡献，则： d + 毪7 7 ( g f ) 叫2 ( 1 3 5 ) 对于给定的波长和工作温度，要获得最高的探测性能就需要r l ( g t ) 刈2 因子最大。即 要使得量子效率和材料的热产生速度的平方根的比值要最大。这意味着要获得高的量子效 率，材料厚度就不能太厚。 基于以上理论基础，下面对q w i p 和h g c d t e 探测器的光电性质进行细致的比较，以 显现q w i p 在制作工艺成熟度及探测能力等方面的优势，从而解释了为什么q w i p 得到 各个国家高度重视的原因。 1 ) g a a s a i g a a s 量子阱红外探测器的性能。 在量子阱中由于入射光所产生的载流子速率可由下式得到： g p h 。= h * f l ( 1 6 ) 以是子激发载流子的数量，f ，是激发态能级的电子寿命。刀和丁，可以表示为： n s 2 = 塑n h 2 l pe x p ( 一学) m 7 ， 5 似h 一节j u - ) f = t v ( 1 8 ) 4 l 绪论 方程中，l p 是平均阱的间隔，m 是电子的有效质量，k 是b o l t z m a n n 常数，是量子阱区 的长度，v 是载流子的平均漂移速度，e f 是阱的费米能量，e c ，是垒的费米能量。 我们利用公式( 1 6 ) - - ( 1 8 ) 计算g a a s a i g a a s 量子阱探测器的探测率，计算时所取的 参数如下：1 7 l = 0 0 6 7 m 。，q - - 5 0 ，r = 1 5 。计算结果如图1 3 所示。 姜1 0 0 e + 0 1 3 邀 望 q 5 0 0 e + 0 1 2 5 06 07 0b o9 a t ( k ) 图1 3 量子阱红外探测器探测度与温度的关系曲线 2 ) h g c d t e 探测器的性能。 碲镉汞( h g c d t e ) 材料的产生复合因子( c + r ) 和材料的复合机制有很大的关系。考虑 产生一一复合噪声限制的情况，碲镉汞探测器的探测率可表示为： d = 瓦1 7 万乏万r i 2 ( 1 9 ) 2 加f 1 2p ? 2 、 其中，p 。是少数载流子浓度，f 是载流子寿命。 对常见的，l + 一p 和p + 一n 结构( 符号+ 表示重掺杂，下标表示更宽的带隙) 的碲镉汞 探测器来说，轻掺杂窄禁带吸收区( 即基区) ，决定了器件的暗电流和光电流。在这类器 件中，基区p 型层( 或者门型层) 被c d z n t e 衬底和高掺杂层( n + 一p 结构中) 或者宽带 隙层( p + 一n 结构中) 夹在中间。由于背部照明( 透过c d z n t e 衬底) 和内建电场( 可以 阻碍少子移动) 的存在，表面复合对光电探测器性能的影响可以消除。钝化的适当使用可 以防止表面复合效应的影响。刀+ 区和p + 区都对暗电流没有贡献。在挖+ 一区由于 b u r s t e i n m o s s 效应可以抑制发光和发热，而在p + 一区由于宽的带隙的存在。 基区的厚度要使得量子效率尽可能接近，暗电流要尽量低。基区低掺杂有利于获得低 的热激发和高的量子效率。因为吸收区的扩散长度一般来说要大于它的厚度，因此在基区 产生的任何载流子都可以被收集来产生光电流。 3 ) g a a s a l g a a s 量子阱红外探测器与h g c d t e 光电管的比较。 图1 4 是g a a s a 1 g a a s 量子阱探测器的探测率和产生复合机制限制的n + 一p 碲镉汞 两安1 j 业人学硕十学位论文 光电探测器的理论计算的探测率的比较。计算所选参数为：基区的厚度f = 1 0 p r o ，掺杂浓 度为= 5 1 0 1 5 册，假设量子效率r = o 5 。从图上可以明显看到，在工作温度 4 0 k ) 高度依赖温度变化，上 升很快。7 7 k 时，量子阱探测器的暗电流要比碲镉汞光电管的暗电流要低约2 个数量级。 在以前的考虑中，我们用热噪声限制的探测率作为标准比较了量子阱探测器和碲镉汞 探测器的性能。也就是说，我们考虑了低背景环境应用下这两种探测器的性能。但是需要 指出的是，对大的焦平面阵列来说，较好的一个指标是噪声等效温度差( n e t d ) ，即产 生一个等于噪声均方根值的信号所要求的温度的改变量。探测率d = 10 1 0 c m h z l 2 的一 个阵列灵敏度要达到n e t d = 0 0 1 k 。即使对一个高度均匀的阵列来说，仅仅o 1 的象 素变化就可以使n e t d 限制到0 0 6 k 。这样，更高的探测率也就没有意义了。而事实上， 一般的阵列也无法到这个限制。焦平面性能同时与d 和n e t d 的值有关。碲镉汞由于不 同族以及缺陷的影响，导致探测率和响应波长的不均匀，工作波长越长，碲镉汞焦平面阵 列的组分均匀性越差。这些参数的变化使得n e t d 得值很大，结果使得大面积焦平面阵 列的性能更加恶化。 一般来说，一个探测器的性能如何依赖于很多因素，如探测机制、器件的设计和材料 的特性等。其中材料方面又包括组分、均匀性和晶体结构等。作为总结，我们将两种不同 的制作大面积红外焦平面阵列的长波长红外探测器的优点和不足列于表1 1 。 6 1 绪论 表1 1h g c d t e 探测器和0 w l p 的优点和不足 1 1 4q w i p 信号产生原理及所需要测量的参数 世界上第一台q w i p 就属于n 型掺杂的b bq w i p 。量子结构如图1 1 所示，基态和 第一激发态是束缚态，当探测器吸收红外辐射，位于基态的电子受光激发越迁到第一激发 态，隧穿出量子阱，在偏置电场作用下形成光电流。适当增加势垒厚度和高度可以减少引 起暗电流的基态电子隧穿数目。b cq w i p 是通过减小阱宽，使b bq w i p 中的第一激发 态不再是束缚念，成为连续态，如图1 2 所示。b cq w i p 的主要优点是电子直接被激发 到连续态上，不需要隧穿过程，可以降低收集光电子所需的偏执电压从而降低暗电流。另 外不需要考虑势垒厚度对光电子收集效率的影响，通过增加势垒厚度也可以有效地降低由 基态电子隧穿引起的暗电流。b q bq w i p 是通过改变阱深、垒宽和势垒高度使第一激发 态位于量子阱顶部。对热激发而言势垒高度比光电离能低，降低了暗电流提高了探测率。 通过改变量子阱宽度和势垒高度，对带隙宽度进行人工裁剪可以方便的获得峰值在 “2 0 a m 的响应，通过在阱层内增加材料，短波长可扩展到3 a m 。此外多色量子阱结构 的q w i p 也在研制之中。随着理论的发展和工艺的进步还会有更多性能优良的q w i p 设 计出来。 为了提高q w i p 的信噪比必须提高量子效率，而量子效率与红外入射光的方向有关。 根据量子跃迁选择定律，只有电矢量垂直于量子阱生长面的入射光才能被子带中的电子吸 收由基态跃迁到激发态，所以需要进行光耦合才能使辐射被探测器吸收。一种方法是让入 射光线与量子阱成4 5 。角，最初的光耦合模型边耦合就是器件的一边刻蚀出倾角为4 5 。 的斜面，这种耦合方式只适用于线阵列和单个器件而且这种耦合方式也不够均匀。二维周 期光栅耦合( c g w ) 是目前应用最广泛的耦合方式，光栅在探测器表面2 个垂直方向上 周期性的重复，导致探测器吸收红外辐射的2 个偏振分量。虽然c g w 耦合模式比边耦合 模式好，但是光栅耦合依据集合的衍射效应，光敏元表面越大耦合的量子效率和探测率越 高，但为了提高器件的分辨率必须减小表面尺寸，而这样做会影响c g w 耦合的性能参数， 并且c g w 耦合对探测波长有选择性，这是由光栅耦合固有特性决定的。这些因素都制约 7 两安i ：业人学硕十学位论文 了光栅耦合技术在宽带探测和复色探测方面的应用。随机反射耦合( c r r ) 是针对不同 的探测波长设计所需要的随机反射单元，通过光刻技术在顶层g a a s 接触面上随机刻蚀出 反射单元，形成粗糙的反射面，垂直于衬底入射光束遇到反射面发生大角度反射，这些角 度大部分符合全反射条件，光束被捕获在量子区域，只有晶体反射锥角内小部分辐射逃逸， 从而增加了可吸收路径次数，提高了量子效率和探测率。由于光刻工艺的制约，光敏元表 面面积较小的情况下在上面刻蚀反射单元比较困难，所以c r r 耦合不适合小面积的光敏 元。波纹耦合是由普林斯顿大学的科学家提出的，它是通过化学的方法，在量子阱区域刻 蚀出v 型槽，刻蚀深度达到底层g a a s 接触层，器件表面就由一些三角线组成。波纹耦合 利用a 1 g a a s 和空气之间能够发生全反射的原理，入射光束在量子阱区的路径几乎平行于 量子阱生长面，有利于量子阱对辐射的吸收，提高器件量子效率。波纹耦合的光耦合效率 与三角线的数目没有关系，波纹耦合更适于光敏元小的探测器。在波纹耦合中全反射与探 测器的波长没有关系，所以探测的波长范围可以从3 a m 1 7 a m ，对于宽带探测和复色探 测来说，波纹耦合是理想的光耦合模式。 以上分析了量子阱红外探测器电信号产生原理，在查阅参考文献的基础上，分析得到 表征探测器性能的参数主要有响应率、光谱响应率、噪声、噪声等效温差、黑体响应率、 归一化探测率及探测器在不同温度条件下的光谱响应特性等。本实验中需要测量的参数主 要有：黑体响应电压、光谱响应率、噪声电压、归一化探测率以及探测器在不同温度下的 光谱特性，其中以探测器在不同温度下光谱特性为测试的重点，因为只有知道了其不同温 度下的响应特性才能将其和其他探测器的性能进行比较，从而体现其优点。 1 1 5 目前国内外在本领域中的研究现状 国外q w i p 及基于q w i p 红外焦平面阵列探测技术发展的相当成熟。美国陆军夜视 实验室( n v l ) 在二十世纪5 0 年代就开始了前视红外热像仪测试的工作，提出了著名的 约翰逊准则。n v l 的成像评估实验室( i e f ) 成为二十世纪7 0 年代和8 0 年代美国所有夜 视项目的第三方评估机构。在1 9 7 4 年到2 0 0 0 年期间，美国陆军夜视电子传感器规划署 ( n v e s d ) 前视红外热像仪测试评估实验室测试了超过3 0 0 0 种红外热像仪传感器。 q w i p 及基于q w i p 红外焦平面阵列组件探测器测试系统可以分为通用型和专用型 两种。通用的探测器测试系统中比较典型的有美国p i 公司的p i 7 7 0 0 系统、法国h g h 公 司的b i r d 红外探测器测试系统、以色列c i 公司的红外焦平面阵列组件探测器测试系统。 通用的红外焦平面阵列组件探测器测试系统的优点是对于所有的红外焦平面阵列提供统 一的测试接口，使用方便。其缺点是测试精度不如专用的红外焦平面阵列组件测试系统精 度高。若能针对不同的探测器设计专用的探测器测试接口板，也能提高测试精度。通用的 红外焦平面阵列探测器系统价格昂贵。 美国p i 公司是老牌的探测器件测试系统生产厂家，成立于1 9 7 5 年，在世界上拥有大 量的用户群。目f j 主要型号有p i 一7 7 0 0 、p i 4 7 0 0 、p i 1 8 2 8 、p i 1 8 0 8 ，前两种主要用于军事、 8 1 绪论 航天、科研等领域，后两种主要用于民用领域，其中p i 7 7 0 0 为p i 4 7 0 0 的改进型，为最新 的高档型号。美国海军、美国航空兵是p i 公司的大用户。p i 的测试系统主要用于测量焦平 面的性能参数，其特点是性能精度高、噪音低，对于各种焦平面都可以广泛使用。在测量 不同焦平面时，不需要配备特别的解读电路。其缺点是体积大，价格昂贵，对安装条件要 求严格，要求使用独立的电源系统。一旦电源线路上有其他的用户，对测试系统的精度影 响比较大。当然，改进后的p i 的测试系统也在向集成化方向发展，体积减小。 美国l u m i t r o n 公司是1 9 9 5 年5 月成立的公司，由原a m b e r ( 安勃) 公司的创始人根 据全新的红外测试理论和电子技术新创立的一个公司。l u m i t r o n 由于采用新技术和新工 艺，高度集成化，因此体积小，且精度高、噪音低。除了测试红外焦平面的参数外，还可 以测试系统整机的性能，如n e t d 、m r t d 、m t f 等，并能实时成像。l u m i t r o n 公司的 焦平面测试系统在测量不同的焦平面时，需要不同的解读电路，这些解读电路需要由用户 设计。他们的主要客户是美国海军、海军航空兵等相关部门。 美国e o i 公司生产高精度黑体、靶标、平行光管、光学导轨、测试平台等红外热像仪 和红外探测器测试设备，其红外黑体是美国国家标准计量局( n i s t ) 的红外黑体标准， 其产品用户群主要在美国国内。 其他国家例如以色列c i 公司生产红外热像仪和红外探测器测试设备。其产品面向全世 界。法国h g h 公司生产红外热像仪和红外探测器测试设备。其产品用户群主要在法国国 内0 1 。 国内有几家单位近几年开展了一些q w i p 及基于q w i p 焦平面阵列的研制工作，并 研制出了一些焦平面阵列的样机。其中，国内外应用较广的4 x 2 8 8 元、3 2 0 x 2 5 6 元红外焦 片面阵列组件，国内自主进行研制的工作有了一定的进展，研制出了一些样件，但离军用 要求还较远。国内各器件生产厂家也正在进行工程化设计以及部分性能参数测试和可靠性 评估的工作，并以此来改进器件生产工艺。要生产出完全满足军用要求的工程化器件，还 有相当多的工作要做。由于各单位基于各自拥有的测试设备，自行进行一些测试工作，缺 乏统一的测试设备和标准，因此有必要建立统一的测试平台，以及规范化的能够表征焦平 面性能指标的测试参数。同时要进行可靠性评价技术方面的研究，以确保实用产品可靠性 评估的准确性和科学性，并为改进焦平面研制技术和工艺提供依据。 1 2 课题研究的主要内容 本课题的目的是研制一套以计算机控制为中心，红外器件参数测原理为基础的量子阱 红外探测器性能参数测试装置。本课题研究的主要内容如下： 了解量子阱红外探测器信号产生原理； 参考其他红外探测器各参数的测试及测量办法，根据量子阱红外探测器的工作原理 及工作情况，推导所需测试各参数的计算公式以及各参数的具体测试办法； 利用虚拟仪器技术，设计数据采集算法并编程，在p c 机上实现对数据的采集； 9 两安l j 业入学硕+ 学位论文 设计低噪声、高放大倍数的放大电路： 设计程序结构，应用模块化结构，编写基于l a b v i e w 语言程序；并对程序进行调试 消除程序中的错误；改善人机交互界面，使之更加人性化，操作更简单化，而且减小因操 作带来的误差。 1 3 课题研究的意义 目前，我国的q w i p 及基于q w i p 焦平面阵列生产及测试技术都远远落后于发达国 家，并且设备及测试设备和技术都依靠进口。这对我国的工业生产、军事现代化进程等都 构成了不小的影响和限制，这对我国自行生产的q w i p 及基于q w i p 焦平面阵列的可靠 性评价影响不小。所以，研究设计出有自主知识产权、高水平、实用化的测试技术及测试 平台，有着重大的现实意义和迫切性。 1 0 2 每子阱红外探测器性能参数测试系统整体设计方案 2 量子阱红外探测器性能参数测试系统整体设计方案 本章将提出量子阱红外探测器性能参数测试系统的整体设计方案。首先对整个测试系 统及系统组成进行介绍，然后介绍各个需要测量参数的测试原理及测试办法。 2 1 系统设计思路 根据对q w i p 的工件原理的分析，以及探测器在红外辐射下产生的光电流很微弱的 实际情况，提出了两种测量系统方案。第一种设计方案如图2 1 所示，此方案可以测试探 测器的光谱响应率，而且此系统还能用于本实验中完成量子阱红外探测器的温度一一光谱 响应参数的测量。但此测试方案存在着不足的地方，由于目前实验室条件下，只有可见光 色散装置即可见光单色仪，而没有红外波段的单色仪。而且单色仪存在着削弱红外辐射能 量的缺陷，因为黑体炉辐射出的能量原本就很微弱，如果再经过单色仪那么投射到探测器 上的能量将十分的微弱，这样很可能探测器将没有反应。但是此设计方案仍可以用于完成 探测器积分响应的测量。 l 埠淄l j i - i 一 色 l 燃州司。 散 兀 ，| ： 示波器 图2 1 测试系统原理框图 计算机 g p i b 接 第二种方案的原理框图如图2 2 所示，此方案是基于傅立叶变换的量子阱红外探测器 参数测试系统。现将其工件原理介绍如下： 两安下业人学硕十学何论文 图2 2 基于傅立叶变换的测试系统原理框图 图2 2 所示为傅里叶变换光谱仪的工作原理图，傅罩叶变换光谱仪是利用傅里叶变换 技术，根据干涉效应来分析光源的光谱分布的仪器。它主要由两部分组成：一台迈克尔逊 干涉仪和干涉条纹的数据采集及作傅罩叶变换运算的电子计算机。由傅里叶变换知识我们 知道光谱密度，( 尼) 是强度函数w ( a ) 的傅里叶变换，因此只要通过干涉仪记录下光强度值 形( ) ，就可以由傅罩叶变换获得谱密度i ( k ) 。在傅里叶变换光谱仪中，( ) 是利用麦 克尔逊干涉仪给出的( 平移动镜改变两束光的光程差，并记录样品点的强度变化) ，而 对渺( ) 作傅里叶变换则由后续电路及电脑部分来完成。所以利用图2 2 方案就可以很方 便的测量出探测器的光谱强度等参数。 在此测量系统框图中使用傅罩叶变换红外光谱仪的优点是显而易见的，它除了利用光 能的效率高外最重要的优点是，它同时记录所有光谱的信息，所以它将显著提高测量的信 噪比，这些优点使得傅里叶变换红外光谱仪对于很弱的红外光谱特别有用。 由于q u i p 需要在制冷环境下工件，普通的不带制冷功能的红外光谱仪需要改造以后 才能使用，另外红外光谱仪价格昂贵，测量中也需要设计探测器前置放大电路，由于现有 条件的限制，此方案不作为本文研究的重点。 方案一中的前置放大电路和制冷的方法均可移植到方案二中，在实验室现有的实验条 件下，本文以方案一为主要研究对象，对方案二的研究有借鉴和铺挚作用。 2 2 量子阱红外探测器性能参数测试系统各部分介绍 图2 1 所示测试系统由四大部分组成，他们分别为光源部分、探测器部分、信号放大 部分和显示部分。其中光源部分包括黑体光源、光阑、调制盘、色散装置；探测器部分由 探测器( 包括读出电路) 、制冷设备组成；信号放大部分包括前置放大电路、锁相放大器； 显示部分主要是指示波器和计算机。 测试系统的工作重点包括两个方面，一是低噪声放大电路的设计，二是测试系统软 件编程，这两个部分中又以软件编程为主，软件编程主要目的是完成对锁相放大器的控制 以及测试数据的采集和处理。 1 2 2 量子阱红外探测器性能参数测试系统整体设计方案 2 2 1 光源 1 ) 黑体的红外辐射规律 众所周知，所谓红外辐射( 或称作红外线，简称为红外) ，就是电磁波谱中比微波波 长还短、比可见光的红光波长还长( 0 7 5 , u m 五 五) 发射的辐射功率为： 心。( 丁) = 坛山( 丁) 一。电( 丁) = 卯4 f ( 五丁) 一p ( 4 r ) ( 2 6 ) 由此可进一步得到该波长范围的辐射与目标全部辐射中的比例为： ，7 = 器- f ( 纠- f ( 刎 ( 2 7 ) 根据式( 2 3 ) 和( 2 7 ) ，可以分别计算2 7 0 c ( 3 0 0 k ) 、2 2 7 0 c ( 5 0 0 k ) 及5 2 7 0 c ( 8 0 0 k ) 黑体目标在五= 3 m ：如= 5 , u r n 和乃= 8 p r o ：五= 1 4 a m 发射的辐射各占其总辐射中的比例 为： 仉：5 删( 3 0 0 k ) = f ( 1 5 0 0 ) - f ( 9 0 0 ) 1 2 7 6 仇：，胛( 5 0 0 k ) = f ( 2 5 0 0 ) 一f ( 1 5 0 0 ) 1 4 8 5 仍：5 朋( 8 0 0 k ) = f ( 4 0 0 0 ) - f ( 2 4 0 0 ) 3 4 0 6 琉：1 4 朋( 3 0 0 k ) = f ( 4 2 0 0 ) - f ( 2 4 0 0 ) 3 7 5 8 r h ：m 。( 5 0 0 k ) = ，( 7 0 0 0 ) 一f ( 4 0 0 0 ) 3 2 7 2 r h ：m 。( 8 0 0 k ) = f ( 1 1 2 0 0 ) - f ( 6 4 0 0 ) 1 6 5 6 上述计算结果表明，若想得到波长为8 1 4 a m 的红外波，则对应的黑体的温度就在 2 7 , - - - 2 2 7 。c ( 3 0 0 一- 5 0 0 k ) 之间；但若想得到3 5 a m 的红外波时则应选用5 0 0 0 c 的黑体 为宜【1 3 , 1 4 】。 2 2 2 制冷设备 探测器部分除探测器单元外最重要的部分当数制冷装置，量子阱红外探测器正常工作 要求的温度为等于或者小于7 7 k ，如果温度过高那么探测器所产生的有用信号将会被淹没 在噪声中，并且本实验需要研究探测器在不同温度下的光谱响应特性，这就要求探测器环 境不但可以维持在7 7 k ，而且还要根据实际需要缓慢改变温度，即要求温度能够在7 7 k 至室温的范围内变化，所以制冷设备就显得尤为的重要。 根据实际及成本考虑，这罩选用的制冷设备为j a n i s 公司生产的s t - 1 0 0 液氮型低温恒 温器，j a n i s 有四十多年的设计和制造低温制冷机的经验，是该领域世界领导者。该低温 恒温设备主要由以下几个部分构成( 其机械原理图如图2 4 所示) ：光学真空罩、光学防 辐射屏、四个1 6 2 5 英尺透明石英窗口( 可根据实际需要改成其他光学器件) 、光学样品 架、一个1 0 针电学端口、三个盲1 2 1 、f e e d t h r o u g h 端口、温度传感器、6 英尺超绝热制冷 两安l ：业人学硕十学位论文 剂传输管线。s t - 1 0 0 连续流可变温低温恒温器可使实验室快速获得低温，并且它可以在 任何方向上工作，能获得的温度范围从7 0 k 到3 2 5 k ，其制冷及温度控制功能达到实验要 求。 图2 4s t - 10 0 液氮型低温恒温器机械原理图 2 2 3 相关检测原理 虽然探测器后面接有前置放大电路，但这是为了避免在把信号从探测器引出的过程中 引入更多的噪声，如果想把有用信号从噪声中提取并放大到可以用示波器观察的范围就需 要用到锁相放大器。当有用的信号被淹没在噪声信号里面，即使噪声信号比有用的信号大 很多，只要知道有用的信号频率值，利用相关检测技术的锁相放大器就能够准确地测量出 这个信号的幅值。 相关检测是一种时域信息的检测方法，主要是对信号和噪声进行相关性分析，利用