紅外線偵測器的分類

依偵測原理的不同，紅外線偵測器可分成兩大類：一為熱感應偵測 器(thermal detectors)；另一為光子偵測器(photon detectors)。前者主要利 用將偵測到的紅外線轉換成熱，進而量測偵測器材料因熱產生的物理特性 變化。而光子偵測器則是藉由吸收紅外線光子的能量，使得電子在晶體內 能階產生躍遷來達成紅外線的吸收，產生電流或電壓訊號以供量測。本節 將針對光子偵測器做詳細的介紹，熱感應偵測器將不做深入討論。

對於利用半導體材料實現的光子偵測器可依摻雜雜質與否分為兩類:

本質(intrinsic)及外質(extrinsic)偵測器。

2.2.1 傳統本質與外質紅外線偵測器

本質紅外線偵測器主要為不摻雜質的本質半導體所構成，其操作原理 如圖2-3(a)所示，當價帶(valence band)的電子吸收一能量略大於本質能隙 (intrinsic band gap, Eg)的光子後躍遷至導帶(conduction band)，經由外在偏 壓而被收集成為光電流，而所偵測到的光子數目與半導體能隙及光子能量 有 絕 對 的 關 係 。 對 於 窄 能 隙 (narrow band gap) 的 半 導 體 材 料 系 統 : 如 (Hg,Cd)Te 及 (Pb,Sn)Te 等 ， 可 藉 由 調 整 (Hg,Cd)Te 中 的 Hg 、 Cd 或 (Pb,Sn)Te中的Pb、Sn所佔的成分來達成紅外線吸收所需的能量差，此材 料則適合用來做3~12μm的紅外線偵測器。但對於本質紅外線偵測器而言，

材料能隙很小使得材料變得很軟，對於長波段紅外線也很難調整至特定的 波段，其穩定性和均勻性都有很大的問題，故大面積陣列的製作非常昂 貴。

外質(extrinsic)紅外線偵測器則是利用半導體材料(如Si)摻雜恰當的 雜質原子而形成雜質能階(impurity level)，並利用摻雜能階至導帶這段能 量差來進行吸收，位於摻雜能階的電子吸收了能量略大於此段能量差的的 光子而躍遷到導帶，進而被收集成為光電流，操作原理如圖2-3(b)所示，

由於吸收光子的能隙可控制的很小，因此適合偵測波長超過12μm的紅外 線。但缺點是為了確保載子佔據雜質能階並降低暗電流，元件必須在極低 溫操作。

總結以上傳統紅外線偵測器的缺點在於沒有適當的材料可以準確容 易調整出能階來對應紅外線波長，且偵測器的穩定性和均勻性較差，因此 利用量子力學中束縛態能階的觀念而發展出的量子結構紅外線偵測器具有 相當的發展性

2.2.2 量子井紅外線偵測器(Quantum-Well Infrared Detectors：

一般 intersubband 的光偵測器通常都是單極載子元件(unipolar carrier devices)，所以我們可以只考慮導帶的量子傳輸。其操作原理如圖 2-4 所 示，依據量子力學我們可以將量子井能階的公式表示如下： 有兩個束縛態能階時，從 intersubband 之基態(ground state)躍遷至第一激 發態(first excited state)之能量差為：

n

對於 QWIPs 主要量子井能階設計可分成三類。第一種稱為 bound-to-bound QWIPs，主要設計在量子井中僅存在兩能階，當電子吸受光子從基 態 躍 遷 至 激 發 態 後 ， 藉 由 熱 游 離 發 射 (thermal ionic emission) 或 穿 隧 (tunneling)將激發態的光電子帶出量子井並被兩端電極收集，但由於此種 偵測器還需要電場幫助穿隧或是需要熱能來幫助熱游離，因此通常會將激 發態設計在很靠近量子井邊緣的區域以便電子離開量子井的機率增加，表 示如圖2-5(a)。第二種稱為 bound-to-continum QWIPs，其設計量子井中只 存在一個能階位置，另外在導帶上則有因週期性結構而產生的連續帶，當 電子吸收外部紅外線光子，電子將從基態躍遷至連續帶。故此類QWIPs 的 電子只要吸收紅外線就會躍遷出來貢獻成光電流，因此光響應通常比較 大，表示如圖2-5(b)。

但由於基態與連續帶間電子的波函數耦合較 bound-to-bound states 來 的弱，所以躍遷機率也相對較小，吸收係數低。第三種設計則是將激發態 調整至很靠近能障邊緣的位置，稱之為準束縛態(quasi-bound state)。表示 如圖 2-5(c)。此種躍遷稱為 bound-to-quasi-bound QWIPs。其雖依舊需要 藉由熱游離發射(thermal ionic emission)或穿隧(tunneling)來達成收集光電 流的目的，但所需要的能量相較於 bound-to-bound transition 來的低，而其 吸收效率又比 bound-to-continum transition 來的高，故此種 transition 兼具 上述兩大類QWIPs 之優點，特性最佳。

將傳統紅外線偵測器與QWIPs比較，基於III-V族材料成熟的磊晶和 製程技術，使的結構均勻穩定，有較低的生產成本及較高的生產良率等優 點。但缺點在於量子效率(quantum efficiency)低、暗電流大、吸收頻譜較 窄以及受限於polarization selection rule而無法吸收正向入射光等。雖然我們 可藉由設計grating^[13]或設計波狀表面結構來耦合正向入射光，但隨著陣列

面積越大其耦合效率也隨著像素面積減小而降低，故並不為一個好的選 擇。

然而以上問題，由具有三維束縛的量子點被提出後而露出曙光。因 為量子點本身為三維束縛態，故依據量子力學的計算被預測有較寬鬆的 polarization selection rule，可以解決正向入射的問題，加上獨有的聲子瓶頸 效應，對於偵測器元件的電子傳輸及暗電流的抑制是相當有利。因此量子 點紅外線偵測器(Quantum Dot Infrared Photodetectors,QDIPs)被預測具有比 QWIPs 更佳的特性。下一節將會針對量子點偵測器本身特有的優點多加著 墨。