短波紅外InGaAs焦平面探測(cè)器研究進(jìn)展

摘要：短波紅外InGaAs焦平面探測(cè)器具有探測(cè)率高、均勻性好等優(yōu)點(diǎn)，在航天遙感、微光夜視、醫(yī)療診斷等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。近十年來(lái)，中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所圍繞高靈敏度常規(guī)波長(zhǎng)（0.9 ~ 1.7 μm）InGaAs焦平面、延伸波長(zhǎng)（1.0 ~ 2.5 μm）InGaAs焦平面以及新型多功能InGaAs探測(cè)器取得了良好進(jìn)展。在常規(guī)波長(zhǎng)InGaAs焦平面方面，從256 × 1、512 × 1元等線列向320× 256、640 × 512、4 000 × 128、1280 × 1024元等多種規(guī)格面陣方面發(fā)展，室溫暗電流密度優(yōu)于5 nA/cm2，室溫峰值探測(cè)率優(yōu)于5 × 1012 cm·Hz1/2/W。在延伸波長(zhǎng)InGaAs探測(cè)器方面，發(fā)展了高光譜高幀頻1024 × 256、1024 × 512元焦平面，暗電流密度優(yōu)于10 nA/cm2和峰值探測(cè)率優(yōu)于5 × 1011 cm·Hz1/2/W@200 K。在新型多功能InGaAs探測(cè)器方面，發(fā)展了一種可見(jiàn)近紅外響應(yīng)的InGaAs探測(cè)器，通過(guò)具有阻擋層結(jié)構(gòu)的新型外延材料和片上集成微納陷光結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)0.4 ~ 1.7 μm寬譜段響應(yīng)，研制的320 × 256、640 × 512焦平面組件的量子效率達(dá)到40%@0.5 m、80%@0.8 m、90%@1.55 m；發(fā)展了片上集成亞波長(zhǎng)金屬光柵的InGaAs偏振探測(cè)器，其在0°、45°、90°、135°的消光比優(yōu)于20:1。

0引言

短波紅外探測(cè)廣泛應(yīng)用于航天遙感、微光夜視、醫(yī)療診斷、農(nóng)業(yè)工業(yè)、安全監(jiān)控等領(lǐng)域。基于IIIV族InP / InGaAs材料體系短波紅外InGaAs探測(cè)器，具高探測(cè)率、高均勻性、高穩(wěn)定性等特點(diǎn)，是發(fā)展小型化、低功耗和高可靠性短波紅外光電系統(tǒng)的理想選擇之一。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)在短波紅外InGaAs焦平面探測(cè)領(lǐng)域開展了大量相關(guān)研究。2015年，美國(guó)UTC Aerospace Systems公司推出了像元尺寸為12.5 μm × 12.5 μm的640 × 512型短波紅外InGaAs成像機(jī)芯，重量小于45 g，功耗小于1.5 W。2018年，該公司報(bào)道了規(guī)模4000× 4000的近紅外InGaAs焦平面探測(cè)器及機(jī)芯，中心距為5μm，相機(jī)系統(tǒng)的量子效率>70%。

美國(guó)Teledyne Technologies公司開展了中心距為15、10 μm的1280 × 1024元面陣研究。此外，英國(guó)的Photonic Science Limited，法國(guó)Sofradir公司，以色列的SCD公司、比利時(shí)的XenICs公司等也長(zhǎng)期致力于InGaAs焦平面探測(cè)器的研制和應(yīng)用。

中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所圍繞航天遙感工程的應(yīng)用需求，在高靈敏度常規(guī)波長(zhǎng)（0.9～1.7 μm）InGaAs焦平面、延伸波長(zhǎng)（1.0～2.5 μm）InGaAs焦平面以及新型多功能InGaAs探測(cè)器取得了良好進(jìn)展。在常規(guī)波長(zhǎng)InGaAs焦平面方面，從256 × 1、512 × 1元等線列向320× 256、640 × 512、4000 × 128、1280 × 1024元等多種規(guī)格面陣方面發(fā)展，探測(cè)率和暗電流水平不斷提高。在延伸波長(zhǎng)InGaAs探測(cè)器方面，發(fā)展高光譜高幀頻1024 × 256、1024 × 512元焦平面。在新型多功能InGaAs探測(cè)器方面，發(fā)展了一種寬譜段響應(yīng)的InGaAs探測(cè)器，通過(guò)具有阻擋層結(jié)構(gòu)的新型外延材料和片上集成微納陷光結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了可見(jiàn)波段拓展和較高的量子效率；發(fā)展了片上集成亞波長(zhǎng)金屬光柵的InGaAs偏振探測(cè)器，提高偏振器件的消光比。

我國(guó)自主研制的短波紅外InGaAs焦平面探測(cè)器已經(jīng)進(jìn)入了航天工程應(yīng)用中，至今在軌穩(wěn)定運(yùn)行兩年多，在對(duì)地觀測(cè)、氣象預(yù)報(bào)中發(fā)揮了重要作用。文中綜述了十余年來(lái)，中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所短波紅外InGaAs焦平面探測(cè)器研究進(jìn)展。

1常規(guī)波長(zhǎng)0.9 ~ 1.7 μm近紅外InGaAs焦平面探測(cè)器

1.1大面積InP基InGaAs探測(cè)材料

基于InP基多層異質(zhì)InGaAs探測(cè)材料體系，采用分子束外延技術(shù)開展了大面積均勻、低摻雜濃度吸收層InGaAs外延材料。所生長(zhǎng)的In0.53Ga0.47As外延材料本底電子濃度約1E15 cm-3，室溫遷移率大于10000 cm2/Vs。圖1為所生長(zhǎng)的InGaAs材料本底濃度和遷移率與國(guó)際報(bào)道的對(duì)比，可以看出基本與國(guó)際報(bào)道相當(dāng)。

為了獲得高性能大規(guī)模焦平面，對(duì)外延材料的均勻性進(jìn)行了研究。通過(guò)提升材料生長(zhǎng)表面的溫度均勻性，提高了外延材料參數(shù)的均勻性。采用X射線衍射對(duì)4 in（1 in=2.54cm）InGaAs外延材料的In組分進(jìn)行了表征，非均勻性控制在約±0.1%，見(jiàn)圖2(a)所示，光致發(fā)光強(qiáng)度的分布波動(dòng)則處于約±5%范圍，見(jiàn)圖2(b)所示。

圖1 所生長(zhǎng)In0.53Ga0.47As材料載流子濃度和遷移率與國(guó)際報(bào)道對(duì)比

圖2 所生長(zhǎng)In0.53Ga0.47As材料的(a)組分非均勻性和(b)室溫光致發(fā)光峰強(qiáng)度非均勻性

1.2常規(guī)波長(zhǎng)InGaAs焦平面探測(cè)器噪聲研究

為發(fā)展大規(guī)模、低噪聲短波紅外InGaAs焦平面探測(cè)器，通過(guò)研究不同材料參數(shù)、器件性能與焦平面噪聲的關(guān)系，定量分析了短波紅外InGaAs焦平面噪聲特性，建立了焦平面噪聲模型。如圖3所示，測(cè)試分析了同一款讀出電路、探測(cè)器輸入?yún)?shù)不同的兩種短波紅外InGaAs焦平面在不同積分時(shí)間下的噪聲。結(jié)果表明，基于CTIA輸入級(jí)讀出電路，研制的短波紅外InGaAs焦平面噪聲主要來(lái)源于焦平面耦合噪聲和探測(cè)器噪聲。其中焦平面耦合噪聲受探測(cè)器電容和電路輸入級(jí)積分電容影響，在較短積分時(shí)間條件下起主導(dǎo)作用；而探測(cè)器噪聲受探測(cè)器暗電流和工作溫度影響，該噪聲在長(zhǎng)積分時(shí)間下決定了焦平面的總噪聲水平。通過(guò)優(yōu)化讀出電路單元內(nèi)的運(yùn)放參數(shù)、探測(cè)器的結(jié)電容和暗電流以及外延材料吸收層摻雜濃度和少子壽命等參數(shù)，該類焦平面的噪聲降低到50e-。

圖3 短波紅外InGaAs焦平面噪聲隨積分時(shí)間270 K的變化

1.3常規(guī)波長(zhǎng)InGaAs焦平面探測(cè)器研究進(jìn)展

經(jīng)過(guò)材料、光敏芯片、讀出電路、焦平面模塊、組件封裝技術(shù)的一系列關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，該類焦平面在像元規(guī)模、中心距、暗電流、噪聲、峰值探測(cè)器等多個(gè)性能指標(biāo)上不斷提升。常規(guī)波長(zhǎng)InGaAs焦平面從256 × 1、512× 1等小線列開始，到2012年，研制了成像用30 μm中心距的320 × 256面陣、25 μm中心距的640 × 512面陣，到2018年已研制出15 μm中心距的1280 × 1024元焦平面探測(cè)器，突破了高密度小光敏元探測(cè)器暗電流與噪聲抑制和百萬(wàn)像素焦平面倒焊關(guān)鍵技術(shù)，研制的1280 × 1024元組件的平均峰值探測(cè)率達(dá)5.3 × 1012cm·Hz1/2/W，盲元率小于1%，非均勻性為6.4%，如圖4所示。

圖4 中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所1.7 μm近紅外InGaAs焦平面探測(cè)器組件及成像圖片

2延伸波長(zhǎng)短波紅外InGaAs焦平面探測(cè)器

2.1延伸波長(zhǎng)InGaAs探測(cè)器表面鈍化的研究

基于InP基多層異質(zhì)InGaAs探測(cè)材料體系，增加InGaAs吸收層中In組分，可將短波紅外InGaAs探測(cè)器的響應(yīng)波長(zhǎng)拓展到2.5 μm。在高In組分InGaAs吸收層與InP襯底之間由于晶格失配的存在，高質(zhì)量外延材料和器件制備是研制難點(diǎn)。發(fā)展了臺(tái)面型延伸波長(zhǎng)InGaAs 探測(cè)器制備方法，研究了器件表面?zhèn)让驸g化工藝，以降低器件表面產(chǎn)生復(fù)合電流。以吸收層In0.76Ga0.24As外延材料為例，研究了低溫SiNx鈍化、低溫低應(yīng)力SiNx鈍化和Al2O3/SiNx復(fù)合鈍化三種不同的鈍化方法對(duì)探測(cè)器暗電流的影響，其中探測(cè)器采用變面積周長(zhǎng)比的測(cè)試結(jié)構(gòu)，Al2O3膜采用ALD沉積方法。對(duì)制備的器件進(jìn)行變溫I-V測(cè)試并計(jì)算得到200 K溫度下器件的暗電流密度隨偏壓的變化，如圖5所示。可以看出在反向偏壓下，三種鈍化膜制備的大光敏元（200 μm × 200 μm）的暗電流密度幾乎不變，而小光敏元（20 μm × 20 μm）的暗電流密度卻有很大差別。其中，采用Al2O3/SiNx雙層鈍化膜制備的器件的暗電流密度是最低的，表明ALD積的Al2O3會(huì)減小InGaAs表面的As的氧化物，可以降低表面態(tài)密度；但是由于ALD的自限制性，ALD沉積的自限制性導(dǎo)致沉積速率非常緩慢，所以采用Al2O3/SiNx雙層鈍化膜作為鈍化膜。

圖5 200 K溫度下(a)200 μm × 200 μm探測(cè)器和(b)20 μm × 20 μm探測(cè)器的暗電流密度

2.2延伸波長(zhǎng)2.2 μm InGaAs焦平面探測(cè)器

在臺(tái)面型延伸波長(zhǎng)InGaAs器件的鈍化新工藝研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并研制了規(guī)模為1024 × 32元的長(zhǎng)線列探測(cè)器，像元中心距為30 μm，采用In組分為0.74的In0.74Ga0.26As外延材料，器件對(duì)應(yīng)的截止波長(zhǎng)2.2 μm。采用ICP刻蝕技術(shù)進(jìn)行臺(tái)面成型工藝，對(duì)光敏元進(jìn)行精確定義，并采用ICPCVD鍍膜方法進(jìn)行鈍化。用傅里葉光譜儀測(cè)試單元器件的相對(duì)響應(yīng)光譜，如圖6所示，器件在室溫的截止波長(zhǎng)約為2.23 μm，隨溫度變化系數(shù)為1.13 nm/K。采用該批次光敏芯片研制了1024 × 32元焦平面組件，在200 K溫度下進(jìn)行性能測(cè)試，焦平面的盲元率為0.44%，響應(yīng)非均勻性約5.7%，在1.6μm峰值波長(zhǎng)處的量子效率達(dá)到81.7%，峰值探測(cè)率達(dá)到2.5 ×1012 cm·Hz1/2/W，其信號(hào)分布及組件照片如圖7所示。

圖6 (a) 變溫下InGaAs探測(cè)器的相對(duì)響應(yīng)光譜及(b)截止波長(zhǎng)隨溫度變化圖

圖7 (a) 1024 × 32焦平面組件測(cè)試的信號(hào)統(tǒng)計(jì)分布圖和(b) 1024 × 32和組件實(shí)物照片(b)

2.3延伸波長(zhǎng)2.5 μm InGaAs焦平面探測(cè)器

針對(duì)短波紅外高光譜探測(cè)的應(yīng)用需求，研制了響應(yīng)波段在0.95 ~ 2.5μm的1024 × 256元超光譜用InGaAs焦平面組件，如圖8所示，平均峰值探測(cè)率達(dá)5 × 1011 cm·Hz1/2/W、響應(yīng)非均勻性10%、盲元率1%、幀頻達(dá)150 Hz。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并研制了單片規(guī)模為1024 × 512元短波紅外InGaAs焦平面組件，對(duì)應(yīng)的截止波長(zhǎng)2.5 μm，像元中心距為30 μm，峰值探測(cè)率達(dá)到8 × 1011 cm·Hz1/2/W，響應(yīng)不均勻性為6%，工作幀頻達(dá)到250 Hz以上。

圖8 (a)1024 × 256延伸波長(zhǎng)InGaAs焦平面探測(cè)器組件及(b)其信號(hào)統(tǒng)計(jì)分布圖

3 InGaAs新結(jié)構(gòu)探測(cè)器探索研究

3.1集成微納人工結(jié)構(gòu)的InGaAs焦平面探測(cè)器

針對(duì)寬光譜成像探測(cè)的應(yīng)用需求，InGaAs探測(cè)器研究的一個(gè)重要方向是將光譜響應(yīng)范圍向可見(jiàn)波段拓展。研制了集成InP納米柱陣列的320 × 256面陣焦平面，經(jīng)測(cè)試，該焦平面的光譜響應(yīng)范圍向可見(jiàn)波段拓展，前截止波長(zhǎng)由0.9 μm擴(kuò)展至0.45 μm，峰值波長(zhǎng)為1.569 μm，器件在0.5 μm的量子效率約40%，在0.8 μm的量子效率約60%，器件在可見(jiàn)波段的量子效率得到明顯提升，如圖9所示；所得到的信號(hào)分布如圖10所示，表面集成了InP納米柱的光敏元區(qū)域，明顯增強(qiáng)了響應(yīng)信號(hào)。

圖9 集成微納結(jié)構(gòu)的InGaAs焦平面量子效率

圖10 焦平面響應(yīng)信號(hào)分布示意圖

3.2集成亞波長(zhǎng)偏振近紅外InGaAs探測(cè)器

結(jié)合亞波長(zhǎng)金屬光柵的偏振特性和近紅外InGaAs探測(cè)器制備工藝的穩(wěn)定性，研究了片上集成亞波長(zhǎng)金屬光柵結(jié)構(gòu)的近紅外InGaAs偏振探測(cè)器，開展了光柵與器件集成結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與兼容性制備工藝研究，將不同偏振方向的微型偏振光柵直接集成到近紅外InGaAs焦平面探測(cè)器的相應(yīng)像元上，可同時(shí)獲取目標(biāo)的各偏振分量信息。集成四方向金屬光柵的InGaAs偏振焦平面探測(cè)器規(guī)模為128和512 ，探測(cè)率達(dá)1 × 1012cm·Hz1/2/W，其中0°、45°、90°、135°四個(gè)角度偏振光敏元的消光比均達(dá)到了20:1以上，并進(jìn)行了演示成像，見(jiàn)圖11和圖12。通過(guò)仿真結(jié)果，分析了光柵的高度、角度、寬度和占空比等結(jié)構(gòu)參數(shù)偏差對(duì)于偏振性能的影響，亞波長(zhǎng)金屬光柵的占空比是影響偏振器件消光比的關(guān)鍵因素，調(diào)整電子束光刻的版圖圖形以及曝光劑量是控制亞波長(zhǎng)金屬光柵的占空比的工藝方法。

圖11 集成偏振InGaAs焦平面對(duì)1310 nm波長(zhǎng)下不同角度線偏振光的響應(yīng)信號(hào)

圖12 (a)CMOS圖像傳感器，(b)常規(guī)InGaAs焦平面與(c)集成偏振InGaAs焦平面的演示成像結(jié)果

4結(jié)論

文中介紹了中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所在短波紅外InGaAs探測(cè)器方面的研究進(jìn)展，解決了大面積材料均勻性、器件量子效率、暗電流以及噪聲等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，推進(jìn)了該類焦平面向高性能、系列化方向發(fā)展及其在航天工程中的應(yīng)用。在常規(guī)波長(zhǎng)（0.9 ~ 1.7 μm）InGaAs焦平面方面，焦平面規(guī)格達(dá)到1280 × 1024元，室溫暗電流密度優(yōu)于5 nA/cm2，室溫峰值探測(cè)率優(yōu)于5 × 1012 cm·Hz1/2/W。在延伸波長(zhǎng)（1.0 ~ 2.5 μm）InGaAs探測(cè)器方面，規(guī)模達(dá)到1024 × 512元，暗電流密度優(yōu)于10 nA/cm2和峰值探測(cè)率優(yōu)于5 × 1011 cm·Hz1/2/W@200 K。在新型多功能InGaAs探測(cè)器方面，發(fā)展了微納結(jié)構(gòu)集成的寬譜段響應(yīng)的InGaAs探測(cè)器和片上集成亞波長(zhǎng)金屬光柵的InGaAs偏振探測(cè)器，消光比優(yōu)于20:1，并進(jìn)行了演示成像。