第三代半导体组合式芯片的光电特性和像敏阵列及其工程应用

2022-07-11 13:39:05     来源:中国科技新闻网

王东博(上海交通大学)  赵连城(哈尔滨工业大学)   

 【前言】可见光波长在0.4~0.7µm,红外线波长是0.7~ 400µm为不可见光线,任何物体在0K以上温度均可发射红外线,人体发射量比静态物体大,利用光电薄膜材料焦平面阵列器件集成系统可进行红外成像,设计时要综合考虑感光性和响应时间及热传导率。现在广泛采用光读出成像技术,已发展到非制冷光读出红外成像系统,自适应焦平面阵列是目前重要发展方向,已逐步走向多光谱可调谐红外成像,现代红外彩色成像系统的关键技术是组合式芯片的光电特性和像敏阵列。红外彩色成像监控系统已广泛应用于军用和民用的安保防卫、森林和城市防火预警、天文观察、红外探测等领域。

一、非制冷光读出红外成像系统:

光读出成像系统主要包括:光读出集成电路(ROIC)、组合式芯片(SCA)、自适应红外焦平面阵列(AFPA)、多光谱可调谐红外成像系统。与电控耦合相比,光读出红外成像的优越性有:

1. 阵列简单易制,价格低;

2. 读出集成电路(ROIC)要求有限制,避免了阵列寻址方案的复杂性,限制了ROIC的辐射热;

3. 像元和衬底之间电接触少,热泄漏途径少;

4. 具有可直接测量性,直至阵列2000×2000或阵列数更大。

非制冷红外热成像的关键是要得到良好的灵敏度(感光度)和响应时间之间的综合方案,因此方案设计时综合考虑十分重要。

二、自适应红外焦平面阵列和多光谱成像

近年来红外成像的研究主要集中在自适应焦平面阵列(Adaptive Focal Plane Arrays,AFPA)和多光谱可调谐红外彩色成像。采用MEMS(Micro Electro Mechanical System)制造技术,已达到多光谱调谐红外成像,能顺序响应波段内的所有波长,如图1。微机电系统(MEMS)中的滤光片是专用的静电激发Fabry-Perot可调谐光纤,可使光谱串光降到最小。

 

  图1  MEMS可调谐红外探测的原理

自适应焦平面阵列(AFPA)集中了多种技术:MEMS器件工艺,光学镀膜技术,微距镜、光学系统、模块化及FPA器件,会产生复杂的相互作用。集成的目的是要求产生一个像敏阵列,并且像元的波长灵敏度可以各自独立地自由调整。这种器件实际上是一个电子可编程显微分光计的大模式阵列。实验已经证明:在长波红外范围内以MWIR谱带用双波段自适应焦平面阵列(AFPA)进行光谱同时调谐,产生宽带成像,如图2。

 

图2 双波段自适应焦平面阵列(AFPA)

通常微机电系统(MEMS )的信号滤光片尺寸在100~200 µm,在每个滤光片的一侧覆盖一个小的像元的亚阵列并在5×5到10×10之间调整,这种MEMS滤光片阵列包括到可调谐各像元之中便构成器件。这种器件需要一个新的读出集成电路(ROIC),才能调节每个像元的附加控制功能。图3示出一个滤光片在双波段自适应焦平面阵列的常温光谱传输,表明滤光片对各种启动电压协调。长波红外(LWIR)通频带呈现低透射,带宽200~300 nm。

从自适应焦平面阵列(AFPA)物理概念的深入理解提出了军事应用的发展,如侦察、战场监视、精确目标探测,军用和民用红外彩色成像监控系统等。

图3  MEMS可调谐滤光片在启动电压范围内测得的

常温光谱呈现在LWIR和MWIR的宽带协调

三、高灵敏度快速响应红外成像材料

高灵敏度快速响应红外成像材料是目前追求的主要目标,因为希望达到非制冷像敏阵列,现在比较关注量子阱Ⅱ类超晶格半导体。其器件参数设计取决于材料的性能,它们的载流子寿命和扩散长度十分重要,通常设计方案对于提高器件的性能是决定性因素。

1.    图4示出W-结构Ⅱ类超晶格(WSL)设计,其中InAs两个电子阱位于GaInSb“空穴阱”的两侧并和AlGaInSb势垒层的一侧相邻,这种势垒结构限制了电子波函数绕“空位阱”对称,增加电子空穴重叠,波函数局域化。这种准维态密度引起W型Ⅱ类超晶格(WSL)强近带边吸收,因此WSL光电二极管用于阶梯p-i-n设计。这种耗尽区内带隙的阶梯型抑制隧穿和产生复合电流,使暗电流降低一个数量级。

R0A=216Wcm2   78K    截止波长10.5µm

 

 图4 改进型Ⅱ类超晶格LWIR二极管示意图(a)增强型WSL 0 K带剖面

2.    图5示出M型结构Ⅱ类超晶格(MSL))光电二极管,势垒如图5b。M型结构可显著减少暗电流,但对光学性能影响不大。M结构中AlSb层具有宽带隙,堵塞两个相邻InAs阱中的电子间交互作用,降低隧穿性能,增加电子有效质量。AlSb层还起价带中空位壁垒的作用,并将GaSb空位量子阱转换到双量子阱,结果有效阱宽减小,空位能的水平变得对阱的尺寸敏感,M结构厚度500 nm,截止波长10.5 µm   R0A=216 Wcm2。

 

图5 改进型Ⅱ类超晶格LWIR二极管示意图

(b) p--M-Nsl(标准的M型超晶格的带排列图

3.  InAs/GaSb/AlSb断带隙半导体多光谱成像

InAs/GaSb超晶格中间插入AlSb层便引起M-结构Ⅱ型超晶格带隙间断,使电子和空位间产生势垒导致载流子有效质量升高,遂穿电流降低,导带和价带边可调谐程度增大,以致暗电流降低。结果使工作特性显著改善,达到与HgCdTe相当,获得红外彩色成像温度升高。InAs/GaSb/AlSb断带隙半导体超晶格自适应焦平面阵列(AFPA)的红外彩色成像便达到带隙变化能力降低,Auger过程抑制下降,从而导致红外成像操作温度显著升高,可达到300K。这是目前正在发展中的非制冷高量子效率红外彩色成像的关键技术。

四、组合式芯片的集成和像敏阵列

1. 红外成像的基本要求是:高像元灵敏度(感光度),高像元密度(106像元数),热传导率优良,光敏阵列系统性能优良且价廉。

2. 主要发展方向是在芯片上进行多种信号处理,发展多光谱探头,满足高灵敏、色彩丰富柔和的彩色红外成像。多光谱红外成像并与自适应焦平面阵列(AFPA)、多光谱探头相匹配,力求提高成像系统功能。

 成像材料主要有:

VOx                         目前使用,灵敏度不理想,需掺杂改性,

需采用“带隙工程”、多光谱调谐等技术。

GaAs/AlGaAs        量子阱红外探测器(QWIPs)Ⅰ类超晶格

FPA 相机已廉价商业化,达到高质量,

工艺成熟,可大面积。

GaAs/InGaAs/AlGaAs 多量子阱Ⅰ类超晶格材料,多波段    

对HgCdTe 占优势。

InAs/Gsb/AlSb       断带隙半导体多光谱成像。是目前非制冷

高量子效率红外彩色成像的理想材料,

正在发展中。

3. 量子阱结构选择:

通常采用对称的量子阱矩形结构,如图6,器件设计时能级计算简单方便,但其能级间跃迁的选择性强,响应波长单一,可变参数少。(Ⅱ类超晶格)

非对称量子阱结构设计,广泛用于QWIPⅠ类超晶格器件中,设计自由度多,可供选择更多的跃迁波长,如图7。其中:

在对称量子阱中E1    E3的跃迁是被禁止的。


 

  图6 InAs/GaInSb超晶格的能带结构示意图   

          

图7 非对称量子阱结构

4. 制备工艺:关于光耦合:因量子阱红外探测器(QWIP)正面垂直入射的红外光沿子带间电子跃迁方向的电极化矢量为零,而引起垂直入射红外光不吸收,必须进行光耦合。II类超晶格可实现垂直入射红外光吸收,无需光耦合。

    光敏元台面制备包括电极制备、衬底减薄和封装测试,以及高精度光刻为中心的系统加工。

5. 光学系统研究:尽量小尺寸、聚光能力强、无中心遮拦、视场较大、热稳定性好、不离焦 。

红外图像仿真、图像处理与显示,主要包括:

 红外辐射特性      红外辐射特性在大气中的传播

光学系统对红外辐射的吸收与反射

红外传感器技术    红外图像处理技术

红外传感器非均匀性校正技术

盲元补偿和校正技术

6. 量子阱和红外焦平面阵列(IR FPAs)

Ⅰ型GaAs/AlGaAs量子阱红外焦平面阵列(IR FPAs)现已经商业化;

InAs/(In)GaSb Ⅱ型应变超晶格(SLS)红外光电薄膜制成的芯片可达百万级像元,量子效率超过50%,截止波长超过10 μm,可以达到碲镉汞(MCT)的高探测率,操作温度78~200 K。上述两种IR FPAs成像芯片,目前正处于发展的关键阶段;

GaAs/AlGaAs QWIP FPA现已深入研究:工艺技术成熟,高产出低价格,它的内量子效率约20%,外量子效率7%,偏低,限制其在F/5或低于500 Hz帧速应用,高于此限制则要求量子效率高,如满足限制条件,则工作特性很好且成像稳定性优良;另一个不足之处是操作温度低,68~72 K运行,与MCT相近。

应用实例如下:

(1)长波红外多量子阱(LWIR MQW)叠层结构:


0.5 µm GaAs势阱顶层 + 600 Å  Al0.27Ga0.73As势垒底接触层,

Si掺杂                n=5×10 cm-3

 

然后在器件结构顶上的GaAs衬底上MBE原位生长,制成光耦合光腔。图8为1024×1024像元QWIP相机的视频像的一帧。

图8 取自5.1mm截止波长1024×1024像元QWIP相机的视频像的一帧

(2)夜视和目标识别:热成像容易探测温暖目的物的存在,如汽车、人等,在比较冷的环境下,短波红外(SWIR)相机可用于识别和辨认这些目的物,SWIR夜视是基于大气辉光和夜辉光红外线的反射,而不是热辐射。所以SWIR成像与可见光谱成像相近,并且在动态范围成像优于热成像,如图9。

 

 图9 半夜、部分云彩、少数星无照明用SWIR InGaAs索取的夜视像

与可见光相比,短波红外(SWIR)在透过灰尘、烟雾或水蒸气成像时呈现优良的特性,如图10所示。

                                            可见光                               SWIR InGaAs 成像

图10 可见光和红外透过烟雾成像的对比

五、红外彩色成像监控系统及其工程应用

十三五科技部重点研发计划项目

1. 全天候全覆盖森林防火报警红外彩色成像监控系统

(内蒙大兴安岭重点国有林管理局,待向自然资源部汇报)

监控范围:宽350km  长930km

火苗尺寸:2m2

发出报警时间:20秒之内       显示屏:14.4m ×4.5m

简  介

针对全天候无盲点的森林防火报警的要求,研究全天候无盲点的多点布局无线采集,双目镜头全视域巡视集中进入光缆专线传送至防火预警中心,当传送远距离超过80km时,设中继站,由光纤放大器和光纤激光器组成,长期使用(15~20年)稳定可靠。构成24小时连续监控并可穿透浓雾、浓烟、雨水、烟云等恶劣情况持续工作的被动式红外彩色成像防火报警的监控系统,可广泛用于森林防火监控,达到一旦发现2m2火苗即在20秒内发出警报,派直升飞机投CO2炸弹迅速灭火。从而建成全天候无盲点森林防火报警红外彩色成像监控系统。建立这种现代化的红外监控系统要求综合考虑国外发展趋势和国内产业现状,集中国内综合实力强的红外成像技术重点单位,力争在国内市场尽快推出主流森林防火产品系统,并逐步迈向国际,创立国际品牌的森林防火报警红外彩色成像监控系统。关键技术是红外成像的敏感材料和高精度光电器件的研制,主要包括光读出集成电路(ROIC)、微机电系统(MEMS)、组合式红外焦平面芯片(SCA),自适应红外焦平面阵列(AFPA)和多光谱可调谐红外成像系统等。主监控室显示屏尺寸为14.4m×6.5m。

为满足高灵敏、色彩丰富红外彩色成像的要求,需发展多光谱探头,达兆像元数时,观察分辨率(清晰度)大致和高清晰度(分辨率)电视相当;光敏阵列模式采用1280×1024;红外成像的组合式芯片采用高灵敏度量子阱超晶格红外光电薄膜,并采用多光谱红外成像技术与自适应焦平面阵列(AFPA)相匹配,保证红外成像系统性能优良。

文中围绕科学问题的内涵和关键技术的难点,详细阐述了项目研究的重点、研究思路、研究方案以及任务的总体设置方案。如下图:

 图  森林防火报警红外彩色成像监控系统全景图(卫星遥感图)

2.天然石墨稀光电材料和器件研制及产业化

(科技部2018年国家重点研发计划光电材料与器件专项)

产品:超灵敏传感器    石墨烯聚合物充电电池 

石油开采刮片刀  石墨烯人造金刚石宝石戒指等

简  介

天然石墨烯呈无色透明微晶片状,长约2-3微米,宽约1微米,厚0.1微米,与食品塑料薄膜厚相当,但其却可承受约两吨的压力而不断裂。由于石墨烯超薄而且强度超高的特性,故可广泛应用于多种领域,如超灵敏传感器、石墨烯聚合物充电电池、高纯净人造金刚石等。

以鸡西石墨矿区产的鳞片状石墨片为原料,采用酸性或碱性和酒精溶解分离法从鳞片状石墨中提取出天然石墨烯微晶片,并在电子显微镜下用划线定量分析法测定石墨烯微晶片的体积含量约占5%,呈现无色透明的微晶片群体,而石墨基片为灰黑色,两者区别十分明显。

天然石墨烯微晶片因其强度和弹性极限相当高,很难用塑性变形加工成材料,如采用六方向同时加压的高温(1200℃)高压成形技术,压力达6~10万个大气压便可加工成材,然后采用激光切割成一定厚度的板或带材,满足制造各种零部件的需要。目前石墨烯光子传感器已经在国外市场出现,用于检测光线中传递的信息。天然石墨烯超灵敏传感器的研究与应用也比较广泛。

据报道,天然石墨烯聚合物充电电池可达到耐低温-45o、高储能,能量密度高,电池比容量大,锂离子电池为180Wh/kg,石墨烯聚合物充电电池为600Wh/kg,用于电动汽车时,充电时间<20分钟,可行车1000公里,重复充电1000次,比能量衰减幅度<8%。

天然石墨烯微晶片经高温高压加工成材,可研制超级硬度天然石墨烯金刚石刀具,包括油田开采用的刮片刀和各种机械加工刀具。此外,当压力增加到12万个大气压时可以用天然石墨烯研制成高纯净美学加工天然石墨烯金刚石首饰,可进入珠宝市场而推向国际。

机械性能优异:弹性极限118—121GPa,

弹性模量1000GPa,

延伸率>10%;

电子特性很强,高电子迁移率:15000cm2/vS,

电子运动速度:光速1/300,超强导电性(量子隧道效应)。

鸡西市年产38.5万吨石墨,可产出近两万吨石墨烯,经三年建设可发展成正规的石墨烯产业,年产值可达到3000亿元人民币。

目前黑龙江省已决定:将全省的石墨烯分别就地开采,然后集中到哈尔滨市江北省高技术开发区,建立一条现代化的石墨烯加工成材和产品制造生产线,年产值预计达到6000亿元人民币。

3.安防巡视红外彩色摄像仪和安保监控红外彩色摄像机系统

(2019国家重点研发计划公共安全风险防控与应急技术装备专项)

监控范围:10~20km

用户:巡警  大楼保安  广场集会监控

简  介

研究内容:InAs/GaSb/AlSb断带隙半导体光电薄膜材料和器件的非制冷(T≥300K)红外成像系统。包括光读出集成电路(ROIC)和微机电系统(MEMS)及双波段自适应焦平面阵列和多光谱可调谐红外彩色成像系统的组合式芯片,非制冷高灵敏度和快速响应红外成像材料的设计和外延生长及器件性能优化,以及多光谱调谐红外成像,满足高灵敏、色彩丰富柔和的成像要求。

考核指标:安防巡视红外彩色摄像仪和安防监控红外彩色摄像机系统,能穿透黑夜、浓烟、浓雾、雨水、烟云等恶劣情况,实现24小时连续安防监控;安防巡视红外彩色摄像仪可视距离为10km,安防监控红外彩色摄像机系统可视距离为20km,是优良的适合不同应用场合的红外彩色成像监控装备,可在常温下使用;量子效率 > 30%,成像灵敏度高;申请专利不少于4项。

主要应用范围:近年来社会安全问题已成为广泛关注的焦点,因而安全监控技术受高度重视,可见光监控不能满足要求,从而出现24小时连续监控的红外彩色摄像机系统,达到夜巡视监控的目的,其原理是利用物体本身发射红外光实现多波段调谐彩色成像,达到结构紧凑、轻便、常温下使用,经久耐用。红外彩色监控系统应用十分广泛。如防火监控、伪装及隐蔽目标识别、夜间及恶劣气候条件下道路监控、重点部门、建筑、仓库监控、港口安全保障,机场安全防范等。

十三五军用重大装备研究项目

1.陆海空联合作战全局势态监控红外彩色成像系统

(监控范围:80Km半径圆圈,目标:陆海空联合作战战场全局势态监控)

 简  介

陆海空联合作战大型战场的全局势态监控采用非制冷红外彩色成像系统,以屏幕显示战场全景和战争局势,指挥者可以从屏显直接观察战场的整体局势和形势变化,准确分析判断指挥战争。这种监控系统是采用InAs/GaSb/AlSb断带隙半导体光电薄膜材料和器件的非制冷(T≥300K)红外彩色成像系统。包括光读出集成电路(ROIC)和微机电系统(MEMS)及组合式芯片(SCA)和自适应焦平面阵列(AFPA)形成的多光谱可调谐红外彩色成像系统,非制冷红外彩色成像的关键是要得到良好的灵敏度(感光度)和响应时间之间的综合方案。自适应红外焦平面阵列(adaptive focal plane arrays, AFPA)是目前红外成像的重要方向,已逐步走向多光谱可调谐红外成像。

采用 MEMS (micro electro mechanical system,微机电系统 ) 制造技术,已达到多光谱调谐红外成像,能顺序响应波段内的所有波长,MEMS 中的滤光片是专用的静电激发 Fabry-Perot 可调谐滤光片,可使光谱串光降到最小,如图1。

 

 图1 MEMS 可调谐红外成像的原理

自适应焦平面阵列(AFPA )集中了多种技术:MEMS 器件工艺,光学镀膜技术,微距镜、光学系统、模块化及 FPA 器件,会产生复杂的相互作用。集成的目的是要求产生一个像敏阵列,并且像元的波长灵敏度可以各自独立地自由调整。这种器件实际上是一个电子可编程显微分光计的大模式阵列。在长波红外范围内,用20µm像元节距的双波段 AFPA 进行双光谱同时调谐,产生宽带成像,如图2 。

 

图2 双波段自适应焦平面阵列(AFPA)

通常MEMS 的信号滤光片尺寸在 100~200µm,在每个滤光片的一侧覆盖一个小的像元的亚阵列并在 5×5到 10×10 之间调整,这种MEMS滤光片阵列包括到可调谐各像元之中便构成器件。这种器件需要一个新的光读出集成电路(ROIC),才能调节每个像元的附加控制功能。图3 示出一个滤光片在双波段自适应焦平面阵列的常温光谱传输,表明滤光片对各种启动电压协调。LWIR(长波红外)通频带呈现低透射,带宽200~300nm。从自适应焦平面阵列(AFPA)物理概念的深入理解提出了军事应用的发展:侦察、战场监视、精确目标探测和全战场战争局势监控。

 

          图3 一个MEMS可调谐滤光片在启动电压范围内的常温光谱透射呈现LWIR和MWIR的宽带透射协调

这种大型战场(战场长宽~150km)的全场景采集要求达到全覆盖,并要根据地形地貌和山岗分布,分别设置几个25~30米高的双目镜头对全视域进行连续旋转巡视收集场景并传送进入光缆,再传送至监控中心(指挥室),送入红外彩色成像机顶盒成像,并在3.6米×1.8米屏幕上显示出全战场景像。这种彩色红外成像监控系统已广泛应用于军用目标探测、识别和监控及安全防范系统中。 这是一种持续工作的被动式红外彩色成像系统,可穿透浓烟、浓雾、雨水、烟云等恶劣情况持续工作,如图4所示。可视范围的半径可达80 Km,非常适合联合作战战场的全场景连续监控,指挥者可以在显示屏上纵观战场全局准确分析判断并指挥战争。

图4 战场监控系统示意图

 技术指标:

InAs /GaSb/AlSb断带隙Ⅱ型超晶格

探测率D* ~ 1.5×1010cmHz1/2W-1  ;

噪声等效温差40mk;

波长范围  3~5µm   8~14µm

 2.坦克和装甲车驾驶巡视红外彩色成像监控仪

(监测范围:10Km,陆军部)

简  介

    现代战场目标探测识别和监控已成为备受关注的焦点,监控技术受高度重视,可见光监控不能满足要求,因而出现24小时连续监控的红外摄像仪。通常用被动红外成像,达到夜视监控的目的,利用物体本身发射的红外光成像,结构紧凑、轻便、常温使用,经久耐用。坦克和装甲车驾驶夜巡视红外彩色成像监控仪在战场应用已日渐广泛。因人体、车辆的红外辐射远大于草木,被动红外容易接受目标辐射,因此易发现 ,难伪装,不易误判。已广泛应用于各国的军用目标探测、识别和监控及安全防范系统中具有隐蔽式探测功能,使入侵者无从知道他们正在被监视。而且可穿透浓烟、浓雾、雨水、烟云等恶劣自然环境持续工作。可视距离达10~20km,非常适合战场目标探测和识别。

多光谱红外成像并与自适应焦平面阵列(AFPA)、多光谱探头相匹配的红外摄像仪,关键技术是灵敏度(感光度)和多色成像。提高灵敏度,涉及到光学物理机制、“带隙工程”、多光谱调谐。读出集成电路(ROIC) 需进一步进行深入研究结构设计和功能综合,与材料研究相结合,互相补偿。微机电系统(MEMS)和自适应焦平面阵列(AFPA )及多光谱信号采集都需要深入研究,力求简单易行,而且稳定可靠.

主要技术指标如下:

材料和器件     非制冷InAs/GaSb/AlSb断带隙半导体及其MBE

               生长和器件制造

监控范围       10~20km半径的圆圈内

红外响应波段   3~5 µm     8~11 µm

非制冷探测率(10µm  T≥300K)

               D*     1.0×108cmHz1/2W-1    

3.边防远距离巡视红外彩色成像监控仪和摄像机系统

(监控范围:10 ~ 50km)

简  介

红外监控能在黑暗、烟尘、大雾等恶劣天气条件下全天候工作,清晰监控周围的各种事物状况而且不易被发现,已广泛应用于国防和社会生活的各个领域(如图1)。我国边境线达4万多公里且边防区域地理位置复杂,因此远距离监控红外摄像仪的应用可大幅度提高边防战士监控的距离和反应速度。

红外摄像仪由物镜和光读出集成电路(ROIC)、微机电系统(MEMS)及自适应焦平面阵列(AFPA)组成,监控距离可达10 ~ 50km,利用带隙工程和多光谱调谐,制成远距离红外摄像仪,为边防战士提供优良的监控手段。红外摄像机系统的监控距离可以达到15-20公里,应用于边防哨所的红外彩色成像监控系统。也可在海疆边界应用,监控距离达50km。

图1  InAs/GaSb 384×288中波双色焦平面红外摄像机成像

主要技术指标如下:

探测率   1.5×1010cmHz1/2W-1

波长范围 3~5µm   8~11µm

监控范围 0~20km

【结束语】组合式芯片的光电特性及其像敏阵列具有光敏性是目前红外彩色成像技术关注的焦点,关键是灵敏度(感光度)和多色成像。提高灵敏度,涉及到光学物理机制、“带隙工程”、多光谱调谐。读出集成电路(ROIC) 需要进一步深入研究结构设计和功能综合,并与材料研究相结合,互相补偿。MEMS 和 AFPA 及多光谱信息采集的综合还需要深入研究,力求简单易行,而且稳定可靠。红外彩色成像和24小时连续监控的红外彩色成像系统发展趋势日益兴盛,军用、民用前景十分广阔。

【参考文献】

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