短波红外InGaAs探测器的发展进展

　　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。

　　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。