高玉竹：新型红外探测器的造梦者
2016-04-02 10:41:06   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

高玉竹，同济大学教授，博士生导师，中国宇航学会光电技术专业委员会委员，国家基金委项目评议人，长期从事新型红外材料的研究，为我国红外材料技术的研发、推广、应用作出了重要贡献。

据了解，由高玉竹教授探索发明的“熔体外延法”，为制作新型红外材料带来新思路、新成效。

铟砷锑(InAsSb)是一种新型的Ⅲ-Ⅴ族红外材料，由于具有快的响应速度、较高的量子效率、较好的化学稳定性和机械强度、较低的室温俄歇复合系数等优良特性，因此在制作非制冷型红外光子探测器方面有很大的优势。但是，由于波长8 微米以上的铟砷锑外延层与二元化合物衬底之间的晶格失配度较大，因此用常规技术很难生长出高品质的长波铟砷锑单晶材料。

中日友好时代，高玉竹在日本攻读博士学位期间，发明了一种新的晶体生长方法-熔体外延法(Melt Epitaxy，简称ME)，是一种改进的液相外延(LPE)法，并用该方法生长出了截止波长8 微米以上的铟砷锑(InAsSb)厚膜单晶，具有体单晶的性质，铟砷锑外延层的厚度达到100微米，这个厚度有效地抑制了晶格失配的影响，改善了材料的晶体质量，使探测器的探测率和信噪比提高了1个数量级。

在国际科学期刊上发表了一批论文，在国外和国内都有发明专利(日本专利号：特开2000-86379，中国专利号：ZL201310397546.0)。

熔体外延法(melt epitaxy)，被收入世界著名科学出版社—英国威利(John Wiley & Sons, Ltd)出版的教科书里，书名是“电子学、光学、及光电子材料的液相外延”(Liquid Phase Epitaxy of Electronic, Optical and Optoelectronic Materials，Print ISBN: 978-0-470-85290-3)。高玉竹被美国电气与电子工程师学会(IEEE)，吸收为职业会员(IEEE会员号：93117174)，取得了国际科学界的承认。

这种新材料的用途，主要是用于制作新型红外探测器，中长波铟砷锑红外探测器，在军用和民用上，都很有应用前途。

基于熔体外延法的创新成果，是高玉竹的重要研究成果。目前，高玉竹等用熔体外延法，已经研制出了非制冷型中长波铟砷锑探测器，是光导型单点探测器，器件上装有锗浸没透镜。在室温(295 K)，在波长6.5微米处，峰值探测率Dλp*为1~5×109 cm·Hz1/2·W−1，响应时间为10-1 微秒量级，测量出的探测器性能指标，处于国际先进水平。这种非制冷型光子探测器，可使我国室温工作的红外整机的响应速度及抗干扰能力得到明显提高。

图1 非制冷型中长波铟砷锑探测器

在中长波铟砷锑探测器上，也可以安装半导体制冷器，或液氮制冷器。制冷能减少热激发载流子，因此制冷后可能提高探测器的灵敏度。制冷型铟砷锑探测器，用于测量温度，探测激光，大气污染监控，医疗诊断等。

高玉竹表示，目前，我国实际应用的光子型红外探测器，在3~5微米(中波红外)波段，在液氮制冷(77 K)，锑化铟(InSb)面阵焦平面(FPA)，峰值探测率为1~3×1011 cm·Hz1/2·W−1，性能优越，用于红外制导。在8~12微米(长波红外)波段，主要使用制冷型的碲镉汞(HgCdTe)探测器，在液氮制冷(77 K)，碲镉汞面阵焦平面，峰值探测率为1×1010 cm·Hz1/2·W−1，已经取得了很多重大成果。

Ⅱ-型超晶格砷化铟/锑化镓(InAs/GaSb)红外探测器，在制冷条件下工作，是新的研究热点。在液氮制冷(77 K)，中波超晶格面阵焦平面，50%截止波长为5.4微米，峰值探测率为3×1012 cm·Hz1/2·W−1。长波超晶格面阵焦平面，在液氮制冷(77 K)，100%截止波长为10.5微米，峰值探测率为8.41×109 cm·Hz1/2·W−1，取得了明显进展。

光子型红外材料的发展趋势，主要有以下几个方面：碲镉汞(HgCdTe)探测器的改进，及碲镉汞大规模光伏焦平面阵列性能的提高;研制各种新型结构的红外探测器，研究较多的有量子阱红外探测器(QWIP)，及Ⅱ-型超晶格红外探测器(SLS);非碲镉汞材料的Ⅲ-Ⅴ族红外探测器研究，包括短波(1~3微米)的铟镓砷(InGaAs)探测器，及中长波(3~11微米)的铟砷锑(InAsSb)探测器。

就教学和科研工作关系的协调与处理，高玉竹认为两者之间应相互促进。教师把在科学研究上取得的成果，及国际科技文献中报道的进展，放进课程的课件里，上课时介绍给学生，会使教学内容更加丰富。进行科学研究，实现大学的现代化。