InGaAs短波紅外探測器研究進展_張衛(wèi)鋒

2023年12月13日發(fā)(作者：黃金酒廣告)

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第34卷 第6期 紅 外 技 術(shù) Vol.34 No.6

2012年6月 Infrared Technology June 2012

〈綜述與評論〉

InGaAs短波紅外探測器研究進展

張衛(wèi)鋒，張若嵐，趙魯生，胡 銳，史衍麗

（昆明物理研究所，云南 昆明650023）

摘要：InxGa1－xAs材料屬于Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體合金材料，隨In組分含量的不同，其光譜響應(yīng)的截止波長可在0.87～3.5

μm范圍內(nèi)變化，并具有高量子效率，加之成熟的MBE和MOVCD材料生長方式，很容易獲得大面積高質(zhì)量的外延材料，InGaAs材料因此成為一種重要的短波紅外探測材料。InGaAs探測器可以在室溫或近室溫下工作，且具有較高的靈敏度和探測率，是小型化、低成本和高可靠性的短波紅外探測系統(tǒng)的最佳選擇，因此InGaAs短波紅外探測器獲得了飛速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。同時對國內(nèi)外InGaAs焦平面探測器發(fā)展?fàn)顩r和趨勢進行了介紹。

關(guān)鍵詞：InGaAs；短波紅外；焦平面陣列；紅外探測器

中圖分類號：TN215 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1001-8891(2012)06-0361-05

Development Progress of InGaAs Short-wave Infrared Focal Plane Arrays

ZHANG Wei-feng，ZHANG Ruo-lan，ZHAO Lu-sheng，HU Rui，SHI Yan-li

（Kunming Institute of Physics, Kunming Yunnan 650223, China）

Abstract：As the cut-off wavelength of spectral respon of the Ⅲ-Ⅴ miconductor alloy material,

InxGa1－xAs can be changed from 0.87 to 3.5

μm by tuning the relative amount of Indium in the alloy.

Besides, with high quantum efficiency, as well as mature MBE and MOVCD material growth technology,

it is easy to gain large area and high-quality epitaxial materials. Therefore InGaAs become an important

SWIR detector materials. InGaAs detector can work at room temperature with higher nsitivity and

detectivity. So it is one of the best choices for miniature, low-cost and high-reliable SWIR detection system.

The results of analysis and comparison provide guidance for rapid development of InGaAs short-wave

infrared detectors. So InGaAs detectors obtain a rapid development and wide applications. At the same

time, the status and development trends of the InGaAs infrared focal plane arrays(FPAs) domestic and

abroad are introduced.

Key words：InGaAs，SWIR，focal plane arrays，infrared detector

視系統(tǒng)，情報、監(jiān)視和偵察（ISR）的軍事和安全系統(tǒng)，精確制導(dǎo)，激光探測、定位與跟蹤，高光譜成像等方面。在民用方面可用于安防，農(nóng)業(yè)監(jiān)測，對地觀測，空間遙感，生物醫(yī)療，半導(dǎo)體檢測，儀器儀表，航空安全和機器視覺等方面。圖1所示為InGaAs部分應(yīng)用實例。

0 引言

Ⅲ-Ⅴ族化合物InxGa1－xAs是一種直接帶隙半導(dǎo)體合金材料，具有高的電子遷移率和量子效率、良好的抗輻照特性等特點。InxGa1－xAs材料制備的短波紅外探測器具有較高靈敏度和探測率，在熱電制冷或室溫下工作仍具有較好的性能，而且工藝簡單、加工成本低，因此InGaAs器件得到了快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。InGaAs器件在軍事上可用于微光夜1 InGaAs材料及器件的優(yōu)越性

InxGa1－xAs材料是Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體合金收稿日期：2012-05-07.

作者簡介：張衛(wèi)鋒（1978－），男，博士生，主要從事紅外系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計、紅外探測器器件模擬與表征。

通訊作者：史衍麗 （1969-），女，研究員，博士生導(dǎo)師，博士，主要研究方向為紅外探測器研究。

基金項目：國家自然基金項目資助，編號：U1037602.

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2012年6月 Infrared Technology June 2012

材料，其具有以下幾方面優(yōu)點：

首先，InxGa1－xAs材料為閃鋅礦立方晶體結(jié)構(gòu)，晶格常數(shù)隨In組分含量不同的變化關(guān)系遵循Vegard定律，近似為線性：

a(x)＝(1－x)aGaAs＋xaInAs

隨著x值的變化，InxGa1－xAs材料的晶格常數(shù)由GaAs的0.56533

nm變化到InAs的0.60583

nm。當(dāng)x＝0.53時，In0.53Ga0.47As晶格常數(shù)與InP的晶格常數(shù)完全匹配。因此，可以在InP襯底上外延生長高質(zhì)量的InGaAs薄膜[1]。另外，三元化合物InxGa1－xAs為直接帶隙材料，其禁帶寬度Eg隨In含量的變化由InAs的0.35

eV變化到GaAs的1.43

eV，與之相對應(yīng)的截止波長從3.5

μm變化到0.87

μm。如圖2所示。

其次，在近室溫條件下，InxGa1－xAs器件具有較高的量子效率，并具有較高的靈敏度和探測率。如圖3所示，在In0.53Ga0.47As探測器光譜響應(yīng)范圍0.92～1.7

μm內(nèi)，InGaAs器件的量子效率大于80%；即使是當(dāng)x＝0.74時，InGaAs器件的光譜響應(yīng)范圍在1～2.2

μm時，量子效率也超過了65% [2]。再次，與其它短波探測器材料相比，InGaAs材料具有更好的材料穩(wěn)定性，采用成熟的MBE和MOVCD生長方法，更容易獲得大面積高質(zhì)量的外延材料。 最后，與HgCdTe材料相比，在室溫和近室溫的工作條件下，InGaAs材料芯片的各個性能參數(shù)均高出HgCdTe芯片一到兩個量級，對應(yīng)同一截止波長，其品質(zhì)因子R0A比HgCdTe高出1～2個數(shù)量級，具有更高的量子效率和靈敏度。降低工作溫度，InGaAs的品質(zhì)因子的增幅比HgCdTe更為明顯[3]。同時InGaAs器件具有溫度響應(yīng)比較穩(wěn)定，一致性較好，極好的靈敏度及長時間工作的穩(wěn)定性等特點。通過調(diào)節(jié)In組分，InGaAs紅外焦平面的工作波長范圍可延長至約2.6

μm，覆蓋了夜天光的主要能量范圍，因此InGaAs紅外探測器是微光夜視、近紅外和短波紅外領(lǐng)域探測系統(tǒng)更佳的選擇。

2 InGaAs探測器國內(nèi)外的發(fā)展情況

在國外，對于InGaAs材料及探測器的研究與應(yīng)用較為成熟，尤其是在空間遙感方面。如歐洲空間局（NSA）新一代環(huán)境衛(wèi)星（ENVISAT）上使用

圖1 InGaAs探測器的應(yīng)用實例

Fig.1 The application examples of InGaAs detector

圖2 響應(yīng)波長隨In組分的變化圖

Fig.2 Spectral respon changes with In content362

第34卷 第6期 Vol.34 No.6

2012年6月 張衛(wèi)鋒等：InGaAs短波紅外探測器研究進展 June 2012

Wavelength/μm

圖3 InGaAs的探測器光譜響應(yīng)及量子效率

Fig.3 InGaAs detector respon and Quantum efficiency

的大氣分布吸收光譜儀（SCIAMACHY），由美國EPITAXX公司提供，采用的是1024元InGaAs短波紅外掃描型焦平面組件。法國的陸地（SPOT4和SPOT5）衛(wèi)星上使用的高分辨可見紅外系統(tǒng)和植被儀，由法國THOMSON公司提供，采用的是由10個300元InGaAs線列探測器拼接成的線列SWIR

FPA，響應(yīng)波長1.55～1.701

μm[4]。印度國家環(huán)境衛(wèi)星和資源衛(wèi)星上裝配的全自動掃描儀和高級廣角探測儀[5]，采用了l024～6000元InGaAs長線列焦平面器件，用于近紅外（1～1.75

μm）和延展波長的短波紅外（～2.4

μm）探測。美國NASA新千年計劃（NMP）地球觀測l號衛(wèi)星（EO-1），裝備了大氣水蒸氣變化校正儀和探測卷云的大氣校正儀（LAC），采用3個256×256元InGaAs紅外探測器焦平面組件，能獲得空間維和光譜維的豐富信息[6]。

比利時微電子中心[8]研制了的320×256

InGaAs短波凝視紅外焦平面組件，響應(yīng)波長為0.9～2.3

μm，量子效率大于80%，目前該產(chǎn)品已進入工程化階段。Xenics公司推出的XS-1.7-640/XS-1.7-

320系列化數(shù)字紅外相機也采用了InGaAs探測器技術(shù)，用于搜索營救、短程監(jiān)控和視覺增強等領(lǐng)域，其探測器響應(yīng)波段為0.9～1.7

μm，工作方式TE1制冷，像素為640×512/320×256，像元尺寸為20

μm

/30

μm，有效像元＞99%，幀頻為20～90

Hz。

美國Goodrich旗下的傳感無限公司（Sensors

Unlimited Inc．）是近紅外（NIR）和短波紅外（SWIR）成像用InGaAs器件及相機的國際著名提供商，在InGaAs探測器的研究方面處于世界領(lǐng)先地位，目前已開發(fā)的InGaAs產(chǎn)品如表1所示。該公司一維InGaAs陣列一般采用前照明，讀出電路（ROIC）與每個像素間采用引線鍵合方式實現(xiàn)電學(xué)連接。二維陣列采用背照明，InGaAs陣列與ROIC之間則采用In柱倒裝焊方式連接[8]。目前，該公司把InGaAs

NIR/SWIR FPAs的應(yīng)用定位在武器的激光跟蹤和通訊系統(tǒng)，軍用夜視，工業(yè)過程、安全監(jiān)測及科學(xué)研究等領(lǐng)域。

FILR公司的Tau SWIR采用高分辨率640×480

InGaAs FPA器件，像元中心距為25

μm，可從遠距離透過煙霧獲得清晰的圖像質(zhì)量，可識別微弱光線下隱藏的各種細節(jié)。適用于各種光電設(shè)備（OEM）應(yīng)用，包括各種光電（EO）系統(tǒng)，武器瞄準(zhǔn)、夜視系統(tǒng)，無人機，無人地面?zhèn)鞲衅鞯取ILR下屬的Indigo子公司生產(chǎn)的320×256，640×512短波InGaAs FPA，工作波段為0.9～1.7

μm，焦平面探測器組件安裝在84-pin無線芯片基片上，也可直接集成在探測器組件中。在國內(nèi)，InGaAs焦平面陣列的研究還處于起步階段，還沒有相應(yīng)工程化的產(chǎn)品出

表1 美國傳感無限公司InGaAs探測器

Table 1 Sensors Unlimited Inc. of American InGaAs detector

規(guī) 格

128×128

320×240

320×256

640×480

像元間距

30

μm

40

μm

25

μm

30

μm

響應(yīng)波段

1.0～1.7

μm

0.9～1.7

μm

0.9～1.7

μm

0.9～1.7

μm

400～750

nm

640×512

15

μm

750～l000

nm

1000～1700

nm

1024×l024

1280×l024

20

μm

15

μm

0.9～1.7

μm

性 能

量子效率大于80%，暗電流小于100

pA

工作溫度為－40℃～70℃，探測率達＞1×1014

cmHz1/2W－1，

量子效率大于70%，幀頻60

fps；

工作溫度為－35℃～70℃，探測率達＞1×1014

cmHz1/2W－1，

量子效率大于70%，幀頻30

fps。

工作溫度為－25℃～60℃，探測率達2.6×1013

cmHz1/2W－1，

量子效率大于65%，幀頻30

fps。

工作溫度為－35℃～71℃，室溫下D*＝1.8×1013

cmHz1/2／W－1。

盲元率小于2％，量子效率大于65%，幀頻30

fps。

－工作溫度為－20℃～45℃，近室溫下D*=9.7×1012

cmHz1/2／W1。

量子效率在波長850

nm為70％，1310

nm為85％, 1350

nm為80％；D*＝9.7×1012

cmHz1/2／W－1，幀頻30

fps。

363第34卷 第6期 紅 外 技 術(shù) Vol.34 No.6

2012年6月 Infrared Technology June 2012

現(xiàn)。國內(nèi)InGaAs探測器主要研究機構(gòu)包括中科院上海技術(shù)物理研究所、中科院長春光學(xué)精密機械與物理研究所、中國電子科技集團第44所、洛陽光電技術(shù)發(fā)展中心和昆明物理研究所等單位。

國內(nèi)研發(fā)的進展情況如表2所示。目前，國內(nèi)開始注重并發(fā)展InGaAs紅外焦平面陣列器件的研發(fā)工作，但還處于起步階段，沒有研制出能夠產(chǎn)業(yè)化的InGaAs焦平面產(chǎn)品，關(guān)鍵是沒有解決響應(yīng)均勻性問題。

3 lnGaAs光電探測器的研究趨勢

InGaAs材料在制備短波探測器方面的一系列優(yōu)點使得國際上相關(guān)研究機構(gòu)紛紛加入研究行列，近年來相關(guān)方面的報道逐年增加。InGaAs器件的最新研究動態(tài)主要集中在兩個方面，一是繼續(xù)提高器件性能，器件規(guī)模向更大焦平面陣列發(fā)展。二是光譜響應(yīng)范圍向短、長波范圍拓展，短波方向可見光擴展，長波方向向更長的波長發(fā)展，以獲得同時響應(yīng)可見、近紅外和短波紅外光譜范圍的雙色或多色InGaAs焦平面探測器[7]。

第一方面的研究動態(tài)是目前所有探測器共同的發(fā)展規(guī)律。目前幾種主要的短波紅外探測器材料都實現(xiàn)了百萬像素級的大規(guī)模焦平面陣列突破。另外，通過焦平面上的多探測器拼接技術(shù)，可將現(xiàn)有規(guī)模的陣列器件拼接成4倍、9倍、甚至16倍的超大規(guī)模器件，以滿足對大面陣探測器的實際應(yīng)用需求[3]。

第二方面趨勢是InGaAs探測器發(fā)展的重點，經(jīng)過近十年來的發(fā)展，InGaAs短波紅外探測器的光譜響應(yīng)范圍已從最開始的短波紅外范圍向可見光區(qū)域延伸。另外，截止波長向長波方向拓展，即研制所謂的拓展波長的InGaAs探測器。GOODRICH旗下的SUI團隊的研究成果最為引人注目，該團隊的研究人員發(fā)明了一種其稱之為“Visible InGaAs”的技術(shù)，可以將光譜響應(yīng)范圍延伸到400

nm。因為研究人員在進行InGaAs器件的光譜測量時發(fā)現(xiàn)，從器件正面照射與從器件背照射所得到的光譜響應(yīng)存在差異。通過研究分析發(fā)現(xiàn)，造成這種差異的主要原因是由于InP襯底（背面照射）和InP鈍化層（正面照射）的對光照的吸收不同。該團隊的研究人員采用In柱互聯(lián)后去除InP襯底的工藝方法，實現(xiàn)了將光譜響應(yīng)范圍向可見光方向延伸的目的。經(jīng)過“Visible InGaAs”技術(shù)處理，InGaAs 短波紅外焦平面探測器的響應(yīng)光譜明顯包含了豐富的可見光成份，后續(xù)的光譜特性測量也證明了這一觀點。圖4所示為Visible InGaAs SWIR焦平面探測器的光譜響應(yīng)曲線[10]。美國Indigo Systems公司同時開展了InGaAs光譜響應(yīng)向可見光延伸的研究，采取的方法是直接處理InGaAs材料，研究人員將該技術(shù)命名為“visGaAs”。根據(jù)得到的實驗數(shù)據(jù)可知，器件在350

nm仍具有較高響應(yīng)。

眾所周知，標(biāo)準(zhǔn)的InGaAs具有1.68

μm的長波長截止，但是許多實際應(yīng)用需要檢測波長較長的光。為了滿足實際應(yīng)用的需要，使InGaAs探測器的截止波長向長波方向拓展，需要增加InGaAs材料中

表2 國內(nèi)InGaAs器件進展情況

Table 2 R&D situation of domestic InGaAs detector

單 位 規(guī)格 響應(yīng)波段

0.9～1.7

μm

～2.4

μm

性 能

峰值探測率為6.7×1012

cmHz1/2W－1，量子效率＞65%

峰值探測率為1.2×1012

cmHz1/2W－1，響應(yīng)不均勻性3.87%

峰值探測率為3.25×1010

cmHz1/2W－1，響應(yīng)不均勻性11%。

峰值探測率為6.13×1011

cmHz1/2W－1，響應(yīng)不均勻性3.71%，

盲元率為0.39%

響應(yīng)截止波長和峰值波長分別為2.36

μm和1.92 μm，

640×1[9]

重慶光電技術(shù)研究所

洛陽光電技術(shù)發(fā)展中心

中國空空導(dǎo)彈研究院

1.7～2.6

μm

峰值探測率2.01×1011

cmHz1/2W－1，峰值量子效率37.5%，響應(yīng)非均勻性8.77%，盲元率為0.6%[10]

320×256 0.9～1.7

μm

128×128 0.9～1.7

μm

0.9～1.7

μm

讀出電路為SiCMOS數(shù)摸混合集成電路[11]，

峰值探測率為6×1012

cmHz1/2W－1，動態(tài)范圍達68

dB。

采用閉管擴散平面結(jié)工藝，讀出電路采用DI模式電路，

峰值探測率為1.2×1012

cmHz1/2W－1,響應(yīng)不均勻性23%。

峰值響應(yīng)率為RVP=2.41×107

V/W，

峰值探測率為1.51×1012

cmHz1/2W－1，透射率能夠超過80%。

中電44所 320×240 1.0～1.7

μm

256×1

中科院上海

技物所

512×1 0.9～1.7

μm

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第34卷 第6期 Vol.34 No.6

2012年6月 張衛(wèi)鋒等：InGaAs短波紅外探測器研究進展 June 2012

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圖4 Visible及SWIR InGaAs FPA的光譜響應(yīng)曲線

Fig.4 Special respon of VisGaAs and SWIR InGaAs FPA

In的含量，從而InGaAs材料的禁帶寬度減小，截止波長增大。但這樣就會使InGaAs材料與襯底材料的晶格失配比增大，為了保證材料的生長質(zhì)量從而防止器件性能劣化，就必須在薄膜和襯底之間引入合適的緩沖層結(jié)構(gòu)。目前國內(nèi)外已有不少這方面成功的報道，InGaAs器件的響應(yīng)波長已延長到～2.6

μm。

4 結(jié)論

通過對InGaAs材料的光譜響應(yīng)特性分析，以及對InGaAs材料的一系列優(yōu)點了解，表明了InGaAs是一種在短波紅外領(lǐng)域極有前景的探測器材料。如今，國外高性能、大面陣的InGaAs焦平面陣列技術(shù)獲得比較成熟的發(fā)展，已在科學(xué)、軍事、民用等方面的微光夜視、精確制導(dǎo)、空間遙感、近紅外光譜分析、工業(yè)控制、生物醫(yī)療和航天航空等領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用；而在國內(nèi)，InGaAs焦平面陣列的研究起步較晚，能夠成功工程化應(yīng)用的產(chǎn)品還很少。因此，加快InGaAs短波紅外探測器的研制，特別是近室溫InGaAs短波紅外焦平面探測器的研制和開發(fā)，對我國的紅外事業(yè)而言具有非常重要的戰(zhàn)略意義。

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