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基于Ge:Ga阻挡杂质带结构的低能红外光子探测基础理论与关键技术研究

批准号:
11933006
项目类别:
重点项目
资助金额:
310.0 万元
负责人:
戴宁
学科分类:
光学、紫外和红外天文技术和方法
结题年份:
2024
批准年份:
2019
项目状态:
已结题
项目参与者:
戴宁

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
50-150微米甚长波红外探测是研究宇宙形成与演化、宇宙生命起源等重大科学问题的必要手段。由于缺乏核心探测技术,我国尚未开展红外天文领域的深空探测。为打破国外技术封锁,满足我国红外天文观测需求,基于已有工作基础,我们提出研究Ge基阻挡杂质带甚长波红外探测中的科学问题和技术。研究内容包括:锗掺镓(Ge:Ga)体系中低能光子光电相互作用机理和过程;Ge:Ga中杂质态光电跃迁波长调控方法,以及结构优化设计;暗电流机制与噪声的抑制方法;纳米陷光阵列的构筑以及光吸收增强机制;低本底浓度的浅施主能级红外吸收层与高纯无缺陷本征Ge阻挡层的关键制备技术。通过本项目实施,将自主知识产权的阻挡杂质带探测技术将由硅材料上升至锗体系,光电探测波长延伸至150微米。同时,项目将突破面向低背景、弱信号探测对象的甚长波红外探测的瓶颈技术,产生一批具有国际影响力的原始创新性成果,促进我国红外光电子学科的发展。
英文摘要
50-150 micron very long-wavelength infrared detection is an essential technology to study the formation and evolution of the universe and the origin of cosmic life. Lacking the core detection technology, our country has not yet carried out deep space exploration in the field of infrared astronomy. In order to break the blockade of foreign technology and meet the needs of infrared astronomical observation in China, based on our existing work, we propose to study the scientific problems and technologies in Ge-based barrier impurity band very long-wavelength infrared detection. The proposed research contents include: the mechanism and process of low-energy photon photoelectric interaction in Ge:Ga system; the effective way of tuning the wavelength of impurity photoelectric transition in Ge:Ga and the optimization of the structure; the dark current mechanism and the method of noise suppression; construction of nanomaterial arrays for light trapping and the mechanism of light absorption enhancement; the key fabrication technology of shallow donor level infrared absorption layer with low background concentration and high purity defect-free intrinsic Ge barrier layer. Through the implementation of this project, the barrier impurity band detection technology will be extended from Si-based technology to Ge-based one, with independent intellectual property rights, and the photoelectric detection wavelength will be extended to 150 microns. At the same time, the project will break through the bottleneck technology of very long-wavelength infrared detection for low background and weak signal objects, produce a number of original and innovative achievements with international influence, and promote the development of infrared optoelectronics in China.
近年来,随着红外天文探测技术的快速发展,对高性能长波红外探测器的需求日益迫切。红外天文探测因其独特的观测优势,如能更好地发现低温天体、识别宇宙气体成分及观察遥远星系的红移现象,成为了现代天文学研究的重要方向。针对红外天文探测领域对高性能长波红外探测器的应用需求,本项目开展了Ge:Ga甚长波红外探测器的研究,具体研究内容包括:基于BIB结构的低能光子探测机理、探测器的暗电流机制与噪声抑制方法,基于表面等离激元效应的增强光吸收机制,Ge:Ga中杂质态计算及光电相互作用增强的结构和性能仿真,高质量Ge外延阻挡层的生长、吸收层的Ga掺杂质技术以及低能光子光电探测性能等。通过项目实施,突破了Ga均匀掺杂、低能光子弱吸收、弱信号提取等关键技术难题,研制出Ge:Ga非本征甚长波探测器,该探测器在300mV、4K温度下,响应波段覆盖30-160微米,峰值探测率D*达到峰值探测率D*达到5.73×10^14Jones,超出考核指标约2个数量级。此外,项目研制了Ge:PBIB探测器,实现了从中波红外到甚长波红外波段的超宽光谱响应,峰值探测率D*分别为2.9×10^12Jones(3.9微米)、6.8×10^12Jones(16.3微米)和9.9×10^12Jones(116.5微米)。项目研制的Ge基BIB探测器具有宽光谱、高灵敏的优点,填补了国内50-150微米光子探测技术的空白,技术水平达到国内领先、国际先进,在红外天文深空探测、先进医学影像等领域有重要应用。本项目发表标注资助SCI/EI论文51篇,申请发明专利11项,授权2项,培养了多名高水平科研人才,包括1名研究员晋升、14名研究生毕业和1名博士后出站。此外,项目团队积极参与国内外学术交流,组织和参加了多项国际学术会议,促进了国内外学术界的广泛合作与交流。
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