新技術(shù)：全面認識量子級聯(lián)探測器

　　光的本質(zhì)是電磁波，人類(lèi)肉眼可感知的電磁波被稱(chēng)為可見(jiàn)光，也就是眾所周知的紅橙黃綠青藍紫這七種顏色?？梢?jiàn)光僅為整個(gè)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(lèi)無(wú)法直接感知可見(jiàn)光之外的電磁波，所以這兩個(gè)區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(jiàn)光之外的其他電磁波，必須借助外界手段如光電探測器來(lái)實(shí)現。

　　紅外光，也被稱(chēng)為紅外線(xiàn)，是英國科學(xué)家赫歇爾于1800年在實(shí)驗室中發(fā)現的。它是波長(cháng)比紅光更長(cháng)的電磁波，具有明顯的熱效應，使人能感覺(jué)到而看不見(jiàn)。專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)如是說(shuō)——所有溫度高于絕對零度的物體，均存在紅外輻射。通俗來(lái)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(guò)紅外探測的手段來(lái)觀(guān)察物體，紅外探測技術(shù)通?？捎糜谝挂?、醫療、氣體檢測、天文探測等。

　　電磁波譜

　　紅外探測器是一種對于紅外輻射進(jìn)行高靈敏度感應的光電轉換器件。早期的紅外探測基于紅外輻射的熱效應，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發(fā)生改變，據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(gè)緩慢的過(guò)程，所以這種基于熱效應的紅外探測器的感知速度比較慢。

　　現代的紅外探測器大多是基于光電效應而設計的，十分類(lèi)似于可見(jiàn)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，?？蓪⒐獠ǚQ(chēng)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(guò)對這種變化進(jìn)行測試，可根據其轉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，避開(kāi)了溫度變化的過(guò)程，所以光電探測器的反應速度更迅捷。

　　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，是一種人工結構的晶體材料。量子級聯(lián)探測器通常由兩種禁帶寬度不同的半導體材料交替生長(cháng)而成，通過(guò)能帶工程將材料的導帶設計成量子阱結構，其探測波長(cháng)主要受到勢壘高度的限制，可覆蓋紅外與太赫茲波段。打個(gè)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(guò)調整墻的厚度、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。根據量子力學(xué)原理，能級會(huì )被束縛在墻與墻之間，不會(huì )高于墻頭。

　　量子級聯(lián)探測器的能帶結構和工作方式

　　量子級聯(lián)探測器的能級分布如上圖所示，其結構可大體分為兩部分，吸收區與輸運區。吸收區負責光子的吸收，吸收一個(gè)入射光子的同時(shí)，激發(fā)一個(gè)電子;輸運區負責使這個(gè)電子定向移動(dòng)。上圖的吸收區中，一個(gè)入射的光子可以將E1能級上的電子提高至E6能級，然后輸運區的能級設計成下臺階的樣式，使該電子能夠定向移動(dòng)。這個(gè)爬上去又滑下來(lái)的光電過(guò)程是不是有點(diǎn)似曾相識?沒(méi)錯，與大家都玩過(guò)的滑梯有異曲同工之妙!這種多個(gè)量子能級聯(lián)合組成的體系就稱(chēng)為“量子級聯(lián)”。此時(shí)有人或許要問(wèn)，能級不是被限制在兩個(gè)“墻”之間的嗎?那么電子又怎么能夠“穿墻而過(guò)”的呢?這里又牽涉到量子力學(xué)中的一個(gè)有趣的概念：量子隧穿效應。用量子力學(xué)的觀(guān)點(diǎn)來(lái)看，電子具有波動(dòng)性，所以電子是有一定概率直接“穿墻而過(guò)”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(shí)實(shí)在在的發(fā)生著(zhù)，這種現象被稱(chēng)為量子隧穿效應。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(chēng)的結構，使其表現出光伏特性，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(chǎng)。這種光伏特性使得光電信號的輸出與采集更為便捷。無(wú)外加電場(chǎng)時(shí)，量子級聯(lián)探測器在無(wú)光照條件下不會(huì )產(chǎn)生電流(無(wú)暗電流)，僅在有光子入射的情況下，才會(huì )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(diǎn)，量子級聯(lián)探測器成為微光探測、衛星遙感、星地高速激光通信以及高對比度紅外成像等應用領(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(cháng)為8.5微米，位于長(cháng)波紅外波段，面陣規模達到320×256(81920像素)，并初步進(jìn)行了紅外成像實(shí)驗。

　　量子級聯(lián)探測器紅外焦平面陣列對電烙鐵的紅外成像