GaAs/AlGaAs量子阱熱紅外上轉換焦平面材料研究

　　近日，“GaAs/AlGaAs量子阱熱紅外上轉換焦平面材料研究”等四項目喜獲國家自然科學基金資助。據悉，上海技物所陸衛研究員申請的“GaAs/AlGaAs量子阱熱紅外上轉換焦平面材料研究”項目根據紅外焦平面技術發展中面臨的技術瓶頸問題，提出了一種新的可能解決途徑，即在重要的紅外探測(長波熱紅外)波段實現該波段光子頻率向近紅外甚至可見波段的上轉換，它在機理上區別于傳統的非線性效應誘導的光子能量上轉換過程，它是利用熱紅外的低頻光子通過與電能的巧妙結合形成一個近紅外或可見的高頻光子，并且適應于探測技術中紅外光強度較弱的應用條件。在該轉換過程中將通過相對成熟的Ⅲ-Ⅴ族半導體材料微結構給人們帶來的能帶工程與波函數工程對光電功能材料進行優化構造的巨大可能性，將量子阱紅外探測器微結構與半導體發光二極管微結構進行有機地耦合集成，從而實現將量子阱紅外探測器探測到的紅外光電信號轉化為半導體發光二極管發射的近紅外或可見波段的光信號。這一技術的發展將可能對紅外焦平面技術形成一種全新的技術能力，相對現有紅外焦平面技術而言它將緩解目前面臨制冷功耗、讀出電路、器件互聯和焦平面規模等方面的技術困難。

　　HgCdTe材料中雜質和缺陷對其結構和光電子性質的影響

　　“HgCdTe材料中雜質和缺陷對其結構和光電子性質的影響”項目是上海技物所陳效雙研究員申請的。碲鎘汞材料主要是通過摻雜來實現材料的應用，如何有效實現P型摻雜存在著大量的關鍵問題，利用第一性原理的全電子勢線性綴加平面波法和贗勢平面波法開展窄禁帶碲鎘汞材料的第一性原理模擬，預測As的引入和Hg的替位等缺陷導致的基體晶體結構的畸變，化學鍵的變化和電荷的轉移等對材料光、電子性質的影響。提供As既作為施主又作為受主的兩性行為本質，獲得As作為p型摻雜取代Te的優化條件。同時也將研究有害雜質像鐵、銅以及汞空位對HgCdTe紅外響應性能的影響。還要研究As的摻雜可能出現As的填隙和As的團聚效應，以及影響材料的電荷分布和成鍵等，進而影響紅外探測器件應用中至關重要的載流子的濃度，這方面國內外仍然未見報道。進一步利用實驗室的測試條件開展針對性的若干種雜質和缺陷對HgCdTe半導體材料電子和光學性的實驗研究，比較理論預測結果與實驗現象，以求保證模型提出具有實際的應用指向。

　　“研究共振耦合體系的高靈敏度磁光光譜系統”

　　“研究共振耦合體系的高靈敏度磁光光譜系統”項目由上海技物所張波博士申請，隨著半導體低維結構物理新機理研究的深入和向實際器件應用的開拓，電子、聲子、光子等基本激發之間公振耦合效應所起作用顯得愈來愈重要。微波波段光子耦合到二維電子氣中，使人們在分別獲得了諾貝爾獎的量子整數與分數霍爾效應之后又發現了新的零電阻平臺;電聲子共振耦合的應用導致紅外與太赫茲波段量子級聯激光器的問世。本項目對研究這類問題的最有效的研究手段之一紅外磁光光譜方法，進行巧妙的創新性的改造和完善。針對其在研究這類問題時面臨的困難，提出了回旋共振等帶內躍遷的自探測方法，使信噪比與常規的探測方法相比有數量級提高，有效地克服在電-聲子共振耦合區無法進行全波段研究的難題。同時還將探索微波共振耦合探測的全新磁光光譜技術，一旦實現有可能揭示全新的共振耦合機理。新建成的磁光光譜系統將成為獨具特色、在探測靈敏度上處于國際領先水平的試驗系統，成為低維半導體結構中的多種元激發間共振耦合相關物理問題的獨特和有效手段。

　　納米器件特性相關研究

　　“低維結構熱學性質對納米器件特性的影響”項目由上海技術物理研究所呂翔博士申請。隨著器件尺寸進入到納米尺度，其物理特性與體材料有很大差異。微電路的熱設計是當代微電子器件設計的一個重要基礎。器件的高度集成化導致了高密度的熱量輸運，此時材料的熱學性質就會對器件特性產生顯著影響。本課題采用Boltzmann輸運方程和聲子輻射輸運方程方法，并結合蒙特卡羅數值模擬，對器件中的薄膜、納米線、量子阱和超晶格等低維結構的熱學性質進行系統的理論研究，由此獲得納米器件中芯片-互連接體系的溫度分布、高溫區域位置、中值失效時間和熱學參數的定量關系，拓展人們對于納米器件中傳熱機制的認識，為器件性能的優化設計提供參考。

　　室溫型鐵電薄膜紅外探測器相關項目獲國家自然科學基金

　　“室溫型鐵電薄膜紅外探測器光學共振腔結構研究”項目由上海技術物理研究所黃志明研究員申請。據悉，室溫型鐵電薄膜紅外焦平面列陣是當今研究的熱點之一，對現有器件原型性能突破的最大潛力在于提高其對紅外光的吸收率。本項申請擬采用鎳酸鑭作為鐵電薄膜的透明金屬氧化物電極，通過改變生長工藝，調節其紅外光學特性，設計金屬氧化物/鐵電薄膜/金屬和金屬氧化物/鐵電薄膜/金屬氧化物的光學共振腔結構，在8～14微米寬波段波長范圍內利用鐵電薄膜自身實現紅外吸收率達80%左右的實用型鐵電薄膜紅外探測器結構。該種結構的實現能使室溫型鐵電薄膜紅外探測器的性能參數提升到實用化水平，促使鐵電薄膜紅外焦平面走向實用化、發揮其在民用領域的廣泛應用將具有重要意義。

　　量子阱紅外探測器相關研究

　　“多重光散射提高量子阱紅外探測器性能研究”項目由上海技物所李志鋒研究員申請，基于量子限制效應導致的子帶間躍遷原理的量子阱紅外探測器是一代新型器件，它相對傳統紅外探測器而言在甚長波、多色探測與高均勻性焦平面應用方面表現出獨特優勢，但子帶間躍遷的原理也形成了不能在正入射條件下工作這樣的本征性缺點。旨在緩解這一缺點對器件帶來的困難，本項目將利用各向異性導電膠中的金屬顆粒小球在探測器像元表面和側面形成二維無序散射體系，從而有效改變光的傳播方向和偏振狀態，使量子阱的光耦合效率得到改善。本課題將利用多重散射理論和有限差分時域方法對光子傳播和散射過程進行模擬和分析，提出針對量子阱峰值響應波長的最佳耦合條件，選擇適當的金屬顆粒尺寸和密度，建立各向異性導電膠互連的工藝方法，提高量子阱紅外探測器的探測效率。（編輯:FJ）