短波红外InGaAs焦平面探测器研究进展

摘要：短波红外InGaAs焦平面探测器具有探测率高、均匀性好等优点，在航天遥感、微光夜视、医疗诊断等领域具有广泛应用。近十年来，中国科学院上海技术物理研究所围绕高灵敏度常规波长（0.9 ~ 1.7 μm）InGaAs焦平面、延伸波长（1.0 ~ 2.5 μm）InGaAs焦平面以及新型多功能InGaAs探测器取得了良好进展。在常规波长InGaAs焦平面方面，从256 × 1、512 × 1元等线列向320× 256、640 × 512、4 000 × 128、1280 × 1024元等多种规格面阵方面发展，室温暗电流密度优于5 nA/cm2，室温峰值探测率优于5 × 1012 cm·Hz1/2/W。在延伸波长InGaAs探测器方面，发展了高光谱高帧频1024 × 256、1024 × 512元焦平面，暗电流密度优于10 nA/cm2和峰值探测率优于5 × 1011 cm·Hz1/2/W@200 K。在新型多功能InGaAs探测器方面，发展了一种可见近红外响应的InGaAs探测器，通过具有阻挡层结构的新型外延材料和片上集成微纳陷光结构，实现0.4 ~ 1.7 μm宽谱段响应，研制的320 × 256、640 × 512焦平面组件的量子效率达到40%@0.5 m、80%@0.8 m、90%@1.55 m；发展了片上集成亚波长金属光栅的InGaAs偏振探测器，其在0°、45°、90°、135°的消光比优于20:1。

0引言

短波红外探测广泛应用于航天遥感、微光夜视、医疗诊断、农业工业、安全监控等领域。基于IIIV族InP / InGaAs材料体系短波红外InGaAs探测器，具高探测率、高均匀性、高稳定性等特点，是发展小型化、低功耗和高可靠性短波红外光电系统的理想选择之一。

近年来，国内外研究机构在短波红外InGaAs焦平面探测领域开展了大量相关研究。2015年，美国UTC Aerospace Systems公司推出了像元尺寸为12.5 μm × 12.5 μm的640 × 512型短波红外InGaAs成像机芯，重量小于45 g，功耗小于1.5 W。2018年，该公司报道了规模4000× 4000的近红外InGaAs焦平面探测器及机芯，中心距为5μm，相机系统的量子效率>70%。

美国Teledyne Technologies公司开展了中心距为15、10 μm的1280 × 1024元面阵研究。此外，英国的Photonic Science Limited，法国Sofradir公司，以色列的SCD公司、比利时的XenICs公司等也长期致力于InGaAs焦平面探测器的研制和应用。

中国科学院上海技术物理研究所围绕航天遥感工程的应用需求，在高灵敏度常规波长（0.9～1.7 μm）InGaAs焦平面、延伸波长（1.0～2.5 μm）InGaAs焦平面以及新型多功能InGaAs探测器取得了良好进展。在常规波长InGaAs焦平面方面，从256 × 1、512 × 1元等线列向320× 256、640 × 512、4000 × 128、1280 × 1024元等多种规格面阵方面发展，探测率和暗电流水平不断提高。在延伸波长InGaAs探测器方面，发展高光谱高帧频1024 × 256、1024 × 512元焦平面。在新型多功能InGaAs探测器方面，发展了一种宽谱段响应的InGaAs探测器，通过具有阻挡层结构的新型外延材料和片上集成微纳陷光结构，实现了可见波段拓展和较高的量子效率；发展了片上集成亚波长金属光栅的InGaAs偏振探测器，提高偏振器件的消光比。

我国自主研制的短波红外InGaAs焦平面探测器已经进入了航天工程应用中，至今在轨稳定运行两年多，在对地观测、气象预报中发挥了重要作用。文中综述了十余年来，中国科学院上海技术物理研究所短波红外InGaAs焦平面探测器研究进展。

1常规波长0.9 ~ 1.7 μm近红外InGaAs焦平面探测器

1.1大面积InP基InGaAs探测材料

基于InP基多层异质InGaAs探测材料体系，采用分子束外延技术开展了大面积均匀、低掺杂浓度吸收层InGaAs外延材料。所生长的In0.53Ga0.47As外延材料本底电子浓度约1E15 cm-3，室温迁移率大于10000 cm2/Vs。图1为所生长的InGaAs材料本底浓度和迁移率与国际报道的对比，可以看出基本与国际报道相当。

为了获得高性能大规模焦平面，对外延材料的均匀性进行了研究。通过提升材料生长表面的温度均匀性，提高了外延材料参数的均匀性。采用X射线衍射对4 in（1 in=2.54cm）InGaAs外延材料的In组分进行了表征，非均匀性控制在约±0.1%，见图2(a)所示，光致发光强度的分布波动则处于约±5%范围，见图2(b)所示。

图1 所生长In0.53Ga0.47As材料载流子浓度和迁移率与国际报道对比

图2 所生长In0.53Ga0.47As材料的(a)组分非均匀性和(b)室温光致发光峰强度非均匀性

1.2常规波长InGaAs焦平面探测器噪声研究

为发展大规模、低噪声短波红外InGaAs焦平面探测器，通过研究不同材料参数、器件性能与焦平面噪声的关系，定量分析了短波红外InGaAs焦平面噪声特性，建立了焦平面噪声模型。如图3所示，测试分析了同一款读出电路、探测器输入参数不同的两种短波红外InGaAs焦平面在不同积分时间下的噪声。结果表明，基于CTIA输入级读出电路，研制的短波红外InGaAs焦平面噪声主要来源于焦平面耦合噪声和探测器噪声。其中焦平面耦合噪声受探测器电容和电路输入级积分电容影响，在较短积分时间条件下起主导作用；而探测器噪声受探测器暗电流和工作温度影响，该噪声在长积分时间下决定了焦平面的总噪声水平。通过优化读出电路单元内的运放参数、探测器的结电容和暗电流以及外延材料吸收层掺杂浓度和少子寿命等参数，该类焦平面的噪声降低到50e-。

图3 短波红外InGaAs焦平面噪声随积分时间270 K的变化

1.3常规波长InGaAs焦平面探测器研究进展

经过材料、光敏芯片、读出电路、焦平面模块、组件封装技术的一系列关键技术攻关，该类焦平面在像元规模、中心距、暗电流、噪声、峰值探测器等多个性能指标上不断提升。常规波长InGaAs焦平面从256 × 1、512× 1等小线列开始，到2012年，研制了成像用30 μm中心距的320 × 256面阵、25 μm中心距的640 × 512面阵，到2018年已研制出15 μm中心距的1280 × 1024元焦平面探测器，突破了高密度小光敏元探测器暗电流与噪声抑制和百万像素焦平面倒焊关键技术，研制的1280 × 1024元组件的平均峰值探测率达5.3 × 1012cm·Hz1/2/W，盲元率小于1%，非均匀性为6.4%，如图4所示。

图4 中国科学院上海技术物理研究所1.7 μm近红外InGaAs焦平面探测器组件及成像图片

2延伸波长短波红外InGaAs焦平面探测器

2.1延伸波长InGaAs探测器表面钝化的研究

基于InP基多层异质InGaAs探测材料体系，增加InGaAs吸收层中In组分，可将短波红外InGaAs探测器的响应波长拓展到2.5 μm。在高In组分InGaAs吸收层与InP衬底之间由于晶格失配的存在，高质量外延材料和器件制备是研制难点。发展了台面型延伸波长InGaAs 探测器制备方法，研究了器件表面侧面钝化工艺，以降低器件表面产生复合电流。以吸收层In0.76Ga0.24As外延材料为例，研究了低温SiNx钝化、低温低应力SiNx钝化和Al2O3/SiNx复合钝化三种不同的钝化方法对探测器暗电流的影响，其中探测器采用变面积周长比的测试结构，Al2O3膜采用ALD沉积方法。对制备的器件进行变温I-V测试并计算得到200 K温度下器件的暗电流密度随偏压的变化，如图5所示。可以看出在反向偏压下，三种钝化膜制备的大光敏元（200 μm × 200 μm）的暗电流密度几乎不变，而小光敏元（20 μm × 20 μm）的暗电流密度却有很大差别。其中，采用Al2O3/SiNx双层钝化膜制备的器件的暗电流密度是最低的，表明ALD积的Al2O3会减小InGaAs表面的As的氧化物，可以降低表面态密度；但是由于ALD的自限制性，ALD沉积的自限制性导致沉积速率非常缓慢，所以采用Al2O3/SiNx双层钝化膜作为钝化膜。

图5 200 K温度下(a)200 μm × 200 μm探测器和(b)20 μm × 20 μm探测器的暗电流密度

2.2延伸波长2.2 μm InGaAs焦平面探测器

在台面型延伸波长InGaAs器件的钝化新工艺研究的基础上，设计并研制了规模为1024 × 32元的长线列探测器，像元中心距为30 μm，采用In组分为0.74的In0.74Ga0.26As外延材料，器件对应的截止波长2.2 μm。采用ICP刻蚀技术进行台面成型工艺，对光敏元进行精确定义，并采用ICPCVD镀膜方法进行钝化。用傅里叶光谱仪测试单元器件的相对响应光谱，如图6所示，器件在室温的截止波长约为2.23 μm，随温度变化系数为1.13 nm/K。采用该批次光敏芯片研制了1024 × 32元焦平面组件，在200 K温度下进行性能测试，焦平面的盲元率为0.44%，响应非均匀性约5.7%，在1.6μm峰值波长处的量子效率达到81.7%，峰值探测率达到2.5 ×1012 cm·Hz1/2/W，其信号分布及组件照片如图7所示。

图6 (a) 变温下InGaAs探测器的相对响应光谱及(b)截止波长随温度变化图

图7 (a) 1024 × 32焦平面组件测试的信号统计分布图和(b) 1024 × 32和组件实物照片(b)

2.3延伸波长2.5 μm InGaAs焦平面探测器

针对短波红外高光谱探测的应用需求，研制了响应波段在0.95 ~ 2.5μm的1024 × 256元超光谱用InGaAs焦平面组件，如图8所示，平均峰值探测率达5 × 1011 cm·Hz1/2/W、响应非均匀性10%、盲元率1%、帧频达150 Hz。在此基础上，设计并研制了单片规模为1024 × 512元短波红外InGaAs焦平面组件，对应的截止波长2.5 μm，像元中心距为30 μm，峰值探测率达到8 × 1011 cm·Hz1/2/W，响应不均匀性为6%，工作帧频达到250 Hz以上。

图8 (a)1024 × 256延伸波长InGaAs焦平面探测器组件及(b)其信号统计分布图

3 InGaAs新结构探测器探索研究

3.1集成微纳人工结构的InGaAs焦平面探测器

针对宽光谱成像探测的应用需求，InGaAs探测器研究的一个重要方向是将光谱响应范围向可见波段拓展。研制了集成InP纳米柱阵列的320 × 256面阵焦平面，经测试，该焦平面的光谱响应范围向可见波段拓展，前截止波长由0.9 μm扩展至0.45 μm，峰值波长为1.569 μm，器件在0.5 μm的量子效率约40%，在0.8 μm的量子效率约60%，器件在可见波段的量子效率得到明显提升，如图9所示；所得到的信号分布如图10所示，表面集成了InP纳米柱的光敏元区域，明显增强了响应信号。

图9 集成微纳结构的InGaAs焦平面量子效率

图10 焦平面响应信号分布示意图

3.2集成亚波长偏振近红外InGaAs探测器

结合亚波长金属光栅的偏振特性和近红外InGaAs探测器制备工艺的稳定性，研究了片上集成亚波长金属光栅结构的近红外InGaAs偏振探测器，开展了光栅与器件集成结构的设计与兼容性制备工艺研究，将不同偏振方向的微型偏振光栅直接集成到近红外InGaAs焦平面探测器的相应像元上，可同时获取目标的各偏振分量信息。集成四方向金属光栅的InGaAs偏振焦平面探测器规模为128和512 ，探测率达1 × 1012cm·Hz1/2/W，其中0°、45°、90°、135°四个角度偏振光敏元的消光比均达到了20:1以上，并进行了演示成像，见图11和图12。通过仿真结果，分析了光栅的高度、角度、宽度和占空比等结构参数偏差对于偏振性能的影响，亚波长金属光栅的占空比是影响偏振器件消光比的关键因素，调整电子束光刻的版图图形以及曝光剂量是控制亚波长金属光栅的占空比的工艺方法。

图11 集成偏振InGaAs焦平面对1310 nm波长下不同角度线偏振光的响应信号

图12 (a)CMOS图像传感器，(b)常规InGaAs焦平面与(c)集成偏振InGaAs焦平面的演示成像结果

4结论

文中介绍了中国科学院上海技术物理研究所在短波红外InGaAs探测器方面的研究进展，解决了大面积材料均匀性、器件量子效率、暗电流以及噪声等多项关键技术，推进了该类焦平面向高性能、系列化方向发展及其在航天工程中的应用。在常规波长（0.9 ~ 1.7 μm）InGaAs焦平面方面，焦平面规格达到1280 × 1024元，室温暗电流密度优于5 nA/cm2，室温峰值探测率优于5 × 1012 cm·Hz1/2/W。在延伸波长（1.0 ~ 2.5 μm）InGaAs探测器方面，规模达到1024 × 512元，暗电流密度优于10 nA/cm2和峰值探测率优于5 × 1011 cm·Hz1/2/W@200 K。在新型多功能InGaAs探测器方面，发展了微纳结构集成的宽谱段响应的InGaAs探测器和片上集成亚波长金属光栅的InGaAs偏振探测器，消光比优于20:1，并进行了演示成像。