InGaAs 材料

2023年12月13日發(作者：寒食東風)

-

常識：近紅外波段 0.78-3μm，中紅外波段 3-6μm，中遠紅外波段 6-20μm，遠紅外波段 20-1000μm。粗略地認為有 1~3μm、3~5μm 和 8~14μm 三個大氣窗口

短波紅外是指 1~3μm 波段的紅外輻射. ，其廣泛存在于自然界中

1.探測材料的比較

InSb 和 InAs:

材料禁帶寬度較小，都是窄禁帶半導體，探測器性能穩定，

但室溫條件下暗電流很大，探測率較低，需要低溫制冷進行工作.

HgCdTe :HgCdTe 材料制備的紅外探測器在短波紅外波段也有較好的性能。但是

HgCdTe 材料也存在一些局限性：在短波紅外波段，Hg 組分較大，材料生長難度較大，均勻性較難

控制；HgCdTe 材料的本征缺陷濃度較高，在溫度較高或輻射的作用下性能不穩

定；HgCdTe 材料存在嚴重的隧道效應，必須工作在低溫致冷條件下，以抑制熱

噪聲，才能達到良好的紅外探測效果

（最優短波紅外材料）InGaAs:三元化合物 In1-xGaxAs 是 III-V 族的贗二元系、直接帶隙的半導體材料可由 InAs 與 GaAs 以任何配比形成。，InxGa1－xAs 材料為閃鋅礦立方晶體結構如圖 1.3.1 所示，

隨著組分 x 的變化，其晶格常數從 GaAs 的 5.6533? 變化到 InAs 的 6.0583?，禁帶寬度從 1.43eV 變化到0.35eV，相應的，截止波長從 0.87μm 變化到 3.5μm，很好的覆蓋了 1-3μm 的大氣窗口，因此是制備短波紅外探測器的合適材料。In1-xGaxAs 材料具有高遷移率、良好的抗輻照特性等優點，而且 InGaAs 材料制備技術非常成熟，包括氣相外延、液相外延、金屬有機化合物化學氣相淀積、分子束外延技術等，可以生長出高質量的 InGaAs 外延材料。因此 InGaAs 探測器是小型化、低成本和高可靠性

的短波紅外探測系統的最佳選擇之一。

2. InGaAs器件：

采用ＩｎｘＧａ１－ｘＡｓ材料的探測器有很多， 如ＩｎＧａＡｓ光伏探測器，

伏探測器，有時也稱ＩｎｘＧａ１－ｘＡｓＰＩＮ探測器。ＩｎＧａＡｓ雪崩探測器，ＩｎＧａＡｓ肖特基探測器和量子阱探測器等等。優化的探測器應該滿足以下幾點：①輕摻雜吸收層；②電極無暗電流貢獻；③吸收層表面不暴露；④光生載流子遠離表面等。異質結Ｎ＋ －ｐ－Ｐ＋和Ｐ＋ －ｎ－ｎ＋光伏探測器可以滿足以上幾個條件，其結構在設計時簡單，生長也方便?；冢桑睿牵幔保粒笪諏拥模危?－ｐ－Ｐ＋或Ｐ＋ －ｎ－ｎ＋光

應用：

短波紅外 InGaAs 探測器以其在相對較高溫度下仍有較好的性能、遷移率

高、可靠性好等特點，在系統小型化、低成本等方面具有較大的優勢，被廣泛應

用于空間遙感、天文觀測以及光譜成像（可以加適當的插圖）等領域，而通過可見拓展可以進一步加強其在軍事和商業特別是微光夜視等方面的應用。

短波紅外探測和成像技術在航空航天、醫學成像、產業測溫、安全

防范等民用領域和精確武器制導、紅外報警與識別、偵察與監視等軍事領域有廣

泛的應用前景。而且在黑暗環境中僅有的自然光，包括月光、星光、大氣輝光等，

大部分能量集中在這個波段，因此短波紅外在微光夜視領域也有著重要的作用。

4.近紅外 InGaAs 探測器可見拓展的難點：

傳統的 PIN 型 InGaAs 外延材料包括 InP 襯底、InGaAs 吸收層和 InP 帽層。

InP 的禁帶寬度為 1.35eV，對應的截止波長為 920nm。 In0.53Ga0.47As 的禁帶寬度為 0.75eV，對應的截止波長為 1700nm。由于 InP 帽層或者襯底的吸收，傳統的InGaAs 探測器的探測范圍為 0.9-1.7μm。對于 InGaAs 面陣探測器，采用背照射的工作模式，因此要使探測器響應波長拓展到可見光，需要減薄或者去除 InP 襯

底。所以首先要尋找到去除 InP 襯底的合適手段，要保證減薄后芯片表面均勻一

致，且對器件造成的損傷和產生的應力較小。

其次，確定需要減薄的 InP 的厚度，研究 InP 層在短波紅外和可見光波段的透過率。

第三， InP 與 In0.53Ga0.47As 晶格匹配，為保證減薄后的器件性能，需要保留一定厚度的 InP 層作為表面鈍化層，InGaAs 的工藝特點也決定需要 InP 層提供共用陰極接觸，這對減薄的方法提出了進一步的要求。

第四，在 InP 襯底減薄的過程中，外延芯片的厚度僅剩幾個微米，很容易碎裂，無法再進行圖形刻畫，需要對探測器的工藝流程進行調整。

第五，在對器件進行襯底減薄之后，考慮表面漏電的增大而使器件的暗電流增大， 需要考慮表面鈍化，為了提高器件的量子效率，需要進行增透膜，并且要綜合考

慮生長增透膜對可見波段和近紅外波段的量子效率的影響。

最后，在向可見進行拓展的過程中，對外延結構進行了改變，在提高可見波段量子效率的同時保證探測器在短波紅外波段的良好性能。

-