紅外光電子學研究

(上海技術物理研究所紅外物理國家重點實驗室 上海 200083)

摘要 紅外光電子學是在紅外光電技術推動下不斷發展的學科，其發展與半導體物理學、凝聚態物理學、微電子學以及光學等的關係越來越密切。中國科學院長期將紅外光電子學作為重要發展領域予以支持，在任務帶學科的模式下取得了一系列重要成果。文中還對該學科的進一步發展提出了一些想法。

紅外光電子學屬於信息領域的學科。在當今的資訊時代，信息獲取與處理一直是十分活躍的領域，它直接決定著當前眾多高科技領域發展的水平。在信息獲取方面，紅外光電技術已成為一個國家戰略高技術領域水平的標誌之一，同時，從紅外光電技術發展中孕育而生的紅外光電子學也成為當前備受關注的應用基礎性學科。

紅外光電子學作為技術需求與學科發展的銜接和統一，正表現出越來越明顯的交叉科學特徵。紅外光電子學與微電子學結合形成了當今新一代的紅外焦平面探測技術，並隨著交叉的深入正在產生智能型和片上系統(SOC)的新一代紅外焦平面技術。紅外光電子學與低維半導體物理學交叉形成了低維子帶物理學分支，並導致了基於子帶物理學的新一代紅外光電子器件，其中包括已實現實用化的量子阱紅外探測器和紅外級聯雷射器[1-3]。依然是基於子帶物理，通過量子點特殊的少電子系統特性實現遠紅外波段的單光子探測則成為納光電子學方面成果的範例。紅外光電子學與凝聚態物理學的成果交叉導致了非製冷紅外焦平面技術，其中凝聚態材料中氧化物材料熱敏特性的巧妙利用導致了這類非製冷紅外焦平面的實用化，同時也激發了許多新組分氧化物材料的研究。就總體而言，紅外光電子學的發展重點體現在兩個方面。一方面是適應紅外光電技術發展需求，形成紅外探測器技術，特別是對紅外焦平面技術有重大影響的科學支撐。可以講當今紅外光電技術的跨代發展都起源於紅外光電子器件的新突破。我國空間遙感技術發展的軌跡也已充分體現了這一特徵。另一方面是紅外光電子學中自身的新概念湧現和學科發展，當前最活躍的課題主要集中在子帶物理學方面，特別是微、納技術的應用導致對光子與電子的能態和位相調控能力不斷提高，進而許多最新的相關學科研究成果均有可能被引入紅外光電子學而形成新概念材料與器件，量子阱紅外探測器、紅外級聯雷射器、THz級聯雷射器和單光子遠紅外探測器等均是典型的範例。當前人們已開始關注光子晶體、自旋電子學、分子電子學等新興的學科熱點與紅外光電子學的有效交叉問題。

紅外光電子學在領域上主要涉及紅外波段電磁波的探測、輻射和傳輸。由於其在技術應用和學科基礎方面涉及內容的廣泛性，希望在一篇文章中進行全面的描述是十分困難的。為此本文僅對應用牽引和研究發展兩個方面的某些專題予以概述，希望能夠通過以點帶面的方式展示紅外光電子學的基本內容與特徵。在應用牽引方面將重點關注與紅外焦平面技術相關的紅外光電子學問題，在研究發展方面將突出子帶物理給紅外光電子學發展帶來的新機遇。

1 國外研究現狀和發展趨勢

1.1 紅外焦平面技術與紅外光電子學

為了滿足紅外信息獲取技術發展需求，美國等發達國家在頻譜波段上積極探索「無縫隙探測」。在微波/毫米波、可見光/中波紅外/長波紅外等波段探測方面取得了長足進展，並已形成了以下基本發展態勢：

1.1.1 紅外焦平面列陣技術

首先在美國、法國和英國等發達國家，基於窄禁帶半導體碲鎘汞材料的單波段紅外焦平面器件技術已經成熟，以288×4元長波和256×256元中波為代表的焦平面器件已基本取代了多元光導線列通用組件。256×256元碲鎘汞焦平面探測器已實現工程應用。並已經向更大規模的凝視型面陣焦平面探測器、雙色探測器發展。長波器件已達到256×256元的規模，中、短波器件達到了512×512元甚至2 048×2 048元的規模；長線陣的掃描型焦平面因其在空間對地觀測方面需求而受到高度重視，針對不同應用目標，1 500元紅外中長波、3 000元紅外短波、4 000元紅外長波以及6 000元紅外中、短波長線列焦平面器件紛紛問世。

鑑於碲化汞化學鍵的脆弱，碲鎘汞材料相對另一類成熟光電子半導體砷化鎵材料而言，在材料與器件工藝成熟性與可控性方面顯得明顯不足。為此在上世紀90年代初，人們採用能帶工程開始嘗試基於量子阱中子帶躍遷的紅外探測器件，希望緩解碲鎘汞材料先天不足和工藝成熟性欠佳導致的技術問題。依然是以美國為代表的發達國家在長期積累的碲鎘汞焦平面技術基礎上，充分利用砷化鎵基材料與器件工藝的成熟性很快將量子阱紅外焦平面探測器推到了工程化應用程度。紅外長波256×256元和紅外甚長波128×128元器件相繼成功，同時由於砷化鎵基量子阱紅外探測器具有比碲鎘汞器件明顯優越的抗空間高能粒子輻照能力，在空間紅外光電技術應用方面顯示出了很強的競爭力。與此同時，由於能帶工程在低維半導體結構中給人們帶來的優化設計可能性，人們還實現了將量子阱紅外探測器與近紅外發光二極體的集成，從而可以將所探測的紅外光轉化為矽探測器可以探測的近紅外或可見波段的光輻射，為此將傳統紅外焦平面技術中部分困難工藝環節通過轉換成矽凝視成像器件予以完成，進一步緩解了碲鎘汞工藝成熟性不足導致的技術問題。

依然是從應用需求出發，紅外焦平面技術發展的另一十分重要的方向是提升器件工作溫度。因此，非致冷紅外焦平面技術也在近10年得到了快速發展。目前，國際發達國家已有能力生產256×256元規模的非致冷紅外焦平面器件，並在實際應用中得到廣泛推廣。人們不但發展了基於材料溫度特性的矽Bolometer和鐵電材料熱釋電或熱容性紅外焦平面器件，還著力發展了基於微光機電技術的熱機械應變式紅外焦平面器件。同時通過新型材料的探索，將優異的器件結構和材料特性有效地組合構成性能更為優越的焦平面器件，形成了當前發展的重要方向之一。

1.1.2 紅外光電子物理

當前紅外光電子物理發展的一個焦點是紅外焦平面相關物理問題。如以碲鎘汞材料為主要研究對象的窄禁帶半導體物理已獲得很好的發展，直接支撐了以碲鎘汞為代表的紅外焦平面技術；而基於半導體微結構、納米結構能帶工程的子帶物理也在近20年快速發展，有力地推進了以量子阱紅外探測器及其它量子器件為代表的新一類焦平面技術；以鐵電物理為基礎的新型紅外探測應用材料與物理研究也在近年變得十分活躍。國際上已形成了若干個系列國際會議，如每2-3年一次的「國際窄禁帶半導體物理會議」已超過10屆；每年一次的「國際紅外與毫米波會議」也總設有紅外光電子物理專題，並已超過30屆；每年春秋二季均會在美國的Orlando和San Diego圍繞窄禁帶半導體物理及其應用方面專題舉行SPIE會議；每年美國還舉行碲鎘汞和相關II-VI族材料的物理與化學會議等。紅外光電子物理已成為主要研究在紅外波段能量範圍內電磁輻射與物質相互作用，研究紅外輻射和探測的原理與機制，探索新的材料和器件，為紅外光電子技術提供科學基礎以及直接應用的熱門學科。

2 我院的研究進展

與國外的情況相似，我院的紅外光電子學發展也是在應用牽引下逐步發展的。由於碲鎘汞的禁帶寬度可以隨著鎘組分變化在寬闊的紅外波段調節，並有優良的性能，因此它是目前國際上最好的紅外探測材料。在湯定元院士組織領導下，上海技術物理研究所在HgCdTe晶體材料的基本物理性質包括光學性質、電學性質、能帶參數、晶格振動、表面二維電子氣等研究方面取得了系統的結果。這方面的研究工作促進了碲鎘汞體材料紅外器件在風雲系列氣象衛星掃描輻射計等空間技術中的成功應用。

隨著我國紅外光電技術從光機掃描成像向凝視型成像技術的發展以及熱成像向光譜成像技術的發展，單元或多元紅外探測器升級換代為紅外焦平面器件已成基本發展趨勢，並形成當代紅外光電子器件的基本特徵：(1)從器件的規模來看，是從紅外單元探測器發展為大規模紅外焦平面列陣探測器，它可以在紅外光學系統的焦平面上對目標實現凝視式觀測和成像；(2)從工作波段上來看，在研製短波(1-3μm、中波3-5μm和長波8-14μm器件同時，發展甚長波14μm以上器件，適應不同目標特徵的捕獲與識別；(3從器件的工作溫度上來看，在研製低溫下液氮溫度工作的器件同時，發展在室溫下工作的非製冷焦平面器件。根據這些新的需求，上海技術物理研究所又進一步推進了紅外光電子學發展，分別在窄禁帶半導體碲鎘汞薄膜光電子物理和高靈敏紅外焦平面材料器件、低維結構紅外光電子物理和半導體量子阱甚長波紅外焦平面技術基礎以及鐵電物理學與非製冷鐵電薄膜紅外焦平面材料器件技術基礎等方面進行了系統研究與探索。

2.1 窄禁帶半導體物理

碲鎘汞薄膜材料是研製焦平面列陣紅外探測器的關鍵問題，是當前紅外技術發展的前沿之一。由於含Hg混晶材料的特殊物理性質，碲鎘汞薄膜製備不同於Si、GaAs等，在國際上被公認為具有極大的難度和挑戰性。上海技術物理研究所重點研究了碲鎘汞外延材料的大面積、均勻性問題和原位pn結、異質結的生長技術問題。基本解決了碲鎘汞薄膜材料組分控制、均勻性、表面缺陷密度、位錯密度、摻雜技術等關鍵問題，成功獲得了2英寸以及3英寸大面積碲鎘汞分子束外延材料，關鍵參數與國外主要紅外探測器公司水平相當。1999年美國材料學會的著名刊物《先進材料》Advanced Materiaks出版中國專刊，何力研究員應邀撰寫了關於上海技術物理研究所分子束外延碲鎘汞的邀請文章4。

在窄禁帶半導體基本物理性質研究方面，解決了帶間光躍遷、帶內光躍遷、雜質光躍遷、晶格振動和載流子輸運方面若干重要疑難問題，發現和總結了多項實驗規律。由於上海技術物理研究所在窄禁帶半導體碲鎘汞研究方面的國際影響，褚君浩研究員被聘為已經有100多年歷史的科學手冊《科學技術中的數據和基本關係》LandoktBoernstein新版本III/41B 「半導體：IIVI、IVII族化合物及半磁半導體」作者之一5。該書收錄了上海技術物理研究所關於碲鎘汞基本物理性質研究的16項結果。其中包括：碲鎘汞禁帶寬度的組分和溫度關係表達式、禁帶寬度的非線性溫度關係、禁帶寬度的壓力係數、電子有效質量、重空穴有效質量、帶帶躍遷本徵吸收光譜、禁帶寬度能量附近和以上範圍吸收係數表達式、帶邊附近折射係數表達式、本徵載流子濃度表達式、體電子和表面電子的遷移率譜分析、輕空穴和重空穴遷移率譜分析、碲鎘汞中砷、鐵雜質的能級位置和光電行為，碲鎘汞中汞空位能級和吸收強度及遠紅外聲子參數和光學常數等研究結果。這些研究結果已經被國際上同行引用近400次。

2.2 低維半導體物理

半導體超晶格量子阱等低維結構中的光電子性質研究，特別是對電子能帶與波函數的調控是當前國際上輻射探測物理和光電子物理包括紅外光電子物理 研究的新發展和前沿，是半導體量子阱紅外焦平面列陣技術的基礎。沈學礎院士和陸衛研究員等一批中、青年研究人員選定對相關高科技應用有重要影響的幾類微觀電子態躍遷過程作為主要研究內容，進行了創新的研究。在研究中，努力發展各種新型光譜實驗方法，獲得了常規光譜和其它實驗方法不能獲取的半導體超晶格和量子阱結構中光躍遷過程的新結果，其中包括單量子結構的光電子特性；低維激子及波函數；單量子阱的能態後調控；受限載流子傳輸的光譜研究；單量子線中的應力效應；量子臺階的電子波函數相干特徵；單個p型摻雜結構中受限空穴態；磁極化子與束縛聲子的相互作用和半導體量子點光譜等。以這些科學現象和規律的研究為基礎，探索了新一代紅外探測器及其焦平面列陣技術，解決了多項關鍵技術，包括功能材料設計與生長；量子阱體系紅外光電耦合；量子阱結構界面混合效應；量子阱紅外焦平面器件工藝等。

鑑於上海技術物理研究所同時在HgCdTe和量子阱紅外探測器兩方面的工作基礎和進展，國際電子材料雜誌特地邀請沈學礎院士撰寫的「HgCdTe和量子阱結構作為紅外探測器的比較」評論文章6在2001年被美國夜視技術百年裡程碑卷收錄，該卷收錄了上個世紀60篇在光電子學領域具有裡程碑意義的論文。

2.3 極化物理

近年來，在信息科學技術和材料科學技術發展的需求下，極化物理逐漸成為新的研究熱點。國際上連續召開了6次國際極化介電物理學會議Pokar Diekectrics。極化問題也是製備鐵電薄膜非致冷紅外焦平面的科學基礎。上海技術物理研究所在新型鐵電功能薄膜材料方面獲得了多項突破。研究結果表明了鈦酸鍶鋇鐵電薄膜適合於研製非致冷鐵電薄膜紅外焦平面列陣探測器。針對該結果美國材料學會通報以「單層厚度對溶膠凝膠法製備BaxSr1-xTiO3薄膜性質的影響」為題發表專門的評論文章。關於溶膠凝膠法製備BST薄膜的PE電滯回線和εT介電常數溫度譜結果發表後被寫入美國的薄膜手冊中。採用化學溶液方法生長高度擇優取向的LNO薄膜的結果發表後受到同行重視，由Advanced coating and surface technokogy發表專文介紹。關於鐵電材料的晶粒尺寸效應的研究結果也受到同行的關注，並應邀在美國科學出版社出版的Encyckopedia of Nanoscience and Nanotechnokogy 中編寫「BaTiO3納米晶」專題部分。

3 發展我國紅外光電子學的思考

鑑於學科發展的趨勢和國家中、近期的需求及紅外光電技術跨代發展對核心元器件的直接依賴性，紅外光電子學的發展依然需要依靠高端器件技術的牽引和新概念器件的不斷湧現。紅外焦平面的發展對紅外光電技術的影響就是最好的實例。為此，紅外光電子學科發展的一個重要牽引方向就是新型元器件技術。

然而要明顯地超越我國現有常規工業基礎水平，高質量地完成像紅外焦平面這樣複雜器件的實際應用，我們在努力建設工藝技術平臺的同時還要開始建立相應的設計平臺。這一設計平臺的核心之一就是紅外焦平面技術中材料與器件及相關技術的專家系統。環視國際學科與技術發展情況，我們看到美國於上世紀90年代下半期，在半導體器件發展的藍皮書中明確提出發展更高精度的器件建模與仿真技術，結合整個微電子發展的規律，不難看到元器件的真正發展必須有兩個平臺支撐，即工藝技術平臺和能夠在理論上預測器件的設計平臺。所以我們需要通過多種研究途徑來建立這種可對紅外焦平面技術乃至具體工藝給予直接指導的基本模型與仿真能力。一旦我們同時擁有了可滿足基本技術要求的工藝技術平臺和以專家系統為核心內涵的設計平臺，我們就有可能在我國現有的相對落後的常規工業基礎上做出與國際上可比的紅外焦平面器件，實現紅外焦平面技術的跨越式發展。

另外，當今科技，包括當代紅外光電子交叉學科中全新的概念不斷湧現，如光子晶體的提出與實現，這將使人們有可能象控制半導體中電子輸運特性那樣控制光子的輸運特性，從而使人們有可能類似半導體電子器件設計那樣去設計光子器件包括紅外光子器件，為紅外光電子學的發展提供新的機遇。又如人們運用納米技術和量子限制能態演示了紅外波段的光子計數靈敏度的紅外探測器以及在紅外甚至太赫茲波段的級聯雷射器；在充分應用了電子的電荷特性後，將電子的自旋長壽命特性應用到元器件中，提出了自旋電子學的新分支。類似的學科發展新動向還很多，這些新的學科發展成果無疑為紅外光電子學的創新發展提供了豐富的礦藏。

主要參考文獻

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Study on Infrared Opto-ekectronics

Shen Xuechu Chu Junhao Lu Wei

(National Lab for infrared Physics, Shanghai Institute of Technical Physics, CAS, 200083 Shanghai)

The infrared opto-electronics is continually promoted by the infrared technology. It shows a strong multidisciplinary characteristic, since it is related with semiconductor physics, condensed matter physics, micro-electronics and optics. The Chinese Academy of Sciences has given strong support to develop the infrared opto-electronics. As directed by the infrared technology application, a series of achievements have been accumulated. According to the development of infrared opto-electronics in China, we propose some suggestions on the further progress in our academy.

Keywords infrared opto-electronics, study, trend

沈學礎 中國科學院院士，上海技術物理研究所研究員。1938年出生於江蘇省溧陽縣。1958年畢業於復旦大學物理系，1981年起任紅外物理研究室主任，1985-1989年任中國科學院紅外物理開放實驗室(後更名為院重點實驗室)主任，1989-1993年任紅外物理國家重點實驗室主任，1993年起任該室學術委員會主任，並擔任多個國際學術團體與刊物的領導職務。主要從事固體光譜和固體光譜實驗方法等方面的科學研究，取得過多項重要成果。