随着量子结构辐射探测器件的问世、红外级联探测器概念的提出、单光子探测中量子效应的应用与深化、金属等离子体激元概念的提出等,给辐射探测技术的发展注入了新鲜的血液。本项目针对新一代辐射探测技术材料质量和器件性能的核心基础问题开展研究。力争在辐射探测材料的光电转换机理、器件的光电耦合效率机理、光生载流子输运过程的控制机理和光电信号的放大机理等科学问题上有重要创新。在窄禁带的体材料和宽禁带的体材料和器件等关键技术上有重大突破;注重低维量子结构辐射探测材料新现象、新结构、新效应的发现;关注人工量子级联结构和单光子放大的量子结构功能材料的新原理、新功能、新机制。最终将获得几种辐射探测新材料的突破;获得几种辐射探测器件新效应的突破;获得1-2项高灵敏度探测技术的应用演示探索成果;在人才队伍建设方面形成一支拥有国际最前沿学科知识和面向国家重大前瞻性技术上转移的团队,为我国探测技术的持续发展提供人才保障。
Infrared Detectors;quantum amplification;single-photon detectors;IR-AlUV dual color;infrared focal plane arrays
本项目针对新一代辐射探测技术的材料质量和器件性能的核心基础问题开展研究。主要涉及辐射探测材料的光电转换机理,器件的光电耦合效率机理,光生载流子的输运过程的控制机理和光电信号的放大机理等科学问题。在下面4个方面开展了系统研究,并取得较大进展: 1)红外单光子探测新方法与应用研究在原理机制创新方面,发展完成了一种时-频域匹配的单光子频率上转换红外单光子探测新方法, 实现红外光的高灵敏低噪声光子数可分辨探测和近红外波段的少光子超灵敏成像,并实现了3.39um波段的单光子上转换探测和成像;观测到级联非线性频率上/下转换产生紫外/可见波段频率连续可调的关联光子对。在实验方法探索方面,发展完成基于表面等离子体增强的单光子产生方法,提高单光子产生和收集效率。研制成适合星载通信的单光子探测仪,并且利用单光子时间关联探测实现眼安全波段的红外测距设备的实验演示。 2) 紫外-红外双色探测材料和器件新原理研究;在机理与设计方面,通过研究极化和结构参数对GaN/AlGaN量子阱能带结构和电子输运特性的影响,得到了与理论设计吻合的实验结果和器件工作条件,设计了光伏和光导型探测器。在材料生长方面,外延得到了高晶体质量 AlN 和 GaN/AlGaN多量子阱结构。实现了GaN/AlGaN量子阱红外-AlGaN日盲紫外双色集成探测器原型器件,响应波段为3~3.5μm和<230nm,最高工作频率>2kHz。 3)基于量子效应的辐射探测新方法及应用研究通过材料与功能结构的光电特性系统研究,研究主导着77K 工作温度以上条件下量子放大效应的基本机理,结合功能材料制备的可行性提出适用于大于1 微米红外波长探测的量子放大的优化途径;实现量子放大结构功能材料在功能结构性能上得到验证。提出零维-二维复合电子能态的设计和精细调控,实现双光子分辨。开展在量子级联探测器(QCD)研究,研制出高质量的InP 基结构的量子级联探测器材料,并成功研制长波QCD器件。 4)大失配 Si 基异质外延碲镉汞红外焦平面探测器材料的量子结构研究揭示了AsHg+VHg复合缺陷决定了碲镉汞材料中As掺杂的激活过程,得到As在碲镉汞材料中p型激活的理论模型,获得接近100%砷激活率的p型HgCdTe材料。完成硅基3英寸碲镉汞大面积焦平面原理性探测器件研制,实现了640×512大规模焦平面器件的实验成像,获得高灵敏度探测技术的应用演示