InGaAs短波红外探测器研究进展

InxGa1-xAs材料属于Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体合金材料,随In组分含量的不同,其光谱响应的截止波长可在0.87～3.5μm范围内变化,并具有高量子效率,加之成熟的MBE和MOVCD材料生长方式,很容易获得大面积高质量的外延材料,InGaAs材料因此成为一种重要的短波红外探测材料。InGaAs探测器可以在室温或近室温下工作,且具有较高的灵敏度和探测率,是小型化、低成本和高可靠性的短波红外探测系统的最佳选择,因此InGaAs短波红外探测器获得了飞速的发展和广泛的应用。同时对国内外InGaAs焦平面探测器发展状况和趋势进行了介绍。     

256元InGaAs线列红外焦平面及扫描成像

报道了用分子束外延(MBE)方法生长掺杂InGaAs的PIN InP/InGaAs/InP外延材料,通过台面制作、硫化处理、ZnS/聚酰亚胺双层钝化、电极生长等工艺,制备了256元正照射台面InGaAs线列探测器,278K时平均峰值探测率为1.33×1012 cmHz1/2W-1.测试了不同钝化方式探测器典型Ⅰ-Ⅴ曲线和探测率,硫化可以减小探测器暗电流,ZnS/聚酰亚胺双层钝化效果最好.并对ZnS/聚酰亚胺双层钝化InGaAs探测器进行了电子辐照研究.256元InGaAs探测器阵列与两个CTIA结构128读出电路互连并封装,在室温时,焦平面响应率不均匀性为19.3%.成功实现了室温扫描成像,图像比较清晰.     

基于N-on-P结构的背照射延伸波长640×1线列InGaAs探测器

在N-on-P型In0.78Al0.22As/In0.78Ga0.22As外延材料上,采用感应耦合等离子体(ICP)刻蚀技术制备了背照射640×1线列InGaAs探测器芯片,研究了探测器光电性能.结果表明,室温下单元器件响应截止波长和峰值波长分别为2.36μm和1.92μm,平均优值因子(R0A)为16.0Ω.cm2,峰值量子效率达到了37.5%;在1 ms积分时间下焦平面探测器平均峰值探测率达到了2.01×1011 cmHz1/2/W,响应非均匀性为8.77%,盲元率约为0.6%.     

Extended-wavelength 640 × 1 linear InGaAs detector arrays using N-on-P configuration for back illumination

在N-on-P型In0.78Al0.22As/In0.78Ga0.22As外延材料上,采用感应耦合等离子体(ICP)刻蚀技术制备了背照射640×1线列InGaAs探测器芯片,研究了探测器光电性能.结果表明,室温下单元器件响应截止波长和峰值波长分别为2.36 μm和1.92 μm,平均优值因子(R0A)为16.0Ω·cm2,峰值量子效率达到了37.5％;在1 ms积分时间下焦平面探测器平均峰值探测率达到了2.01×1011 cmHz1/2/W,响应非均匀性为8.77％,盲元率约为0.6％.     

128×1线列InGaAs短波红外焦平面的研究

报道了用分子束外延(MBE)方法生长的掺杂InGaAs吸收层PIN InP/InGaAs/InP双异质结外延材料,通过干法刻蚀和湿法腐蚀相结合制作台面、硫化和聚酰亚胺钝化、电极生长等工艺,制备了128×1台面正照射InGaAs探测器阵列.测试了器件的变温I-V、响应光谱和探测率,在278K时平均峰值探测率为1.03×1012cmHz1/2W-1.实现了128元InGaAs探测器阵列与CTIA结构L128读出电路相互连,经封装后,在室温(291K)时成功测出128元响应信号.焦平面响应的不均匀性为18.3%,并对不均匀性产生的原因进行了分析.     

320 × 256 InGaAs短波红外焦平面阵列探测器

研制了320×256 InGaAs焦平面阵列(FPA)探测器,它由InGaAs光电二极管阵列(PDA)与Si CMOS集成读出电路(ROIC)通过In凸点倒焊技术混合集成。背照射工作方式下其响应光谱范围为0.9~1.7μm。为实现InGaAs PDA与所设计的可调积分电容跨阻抗反馈放大器接口电路良好匹配,分析讨论了InGaAs光电二极管响应度、暗电流、结电容等光电特性对表征InGaAs FPA的主要性能指标的影响,优化了InGaAs光电二极管单元结构设计。采用优化结果研制的320×256 InGaAs FPA,在室温下的峰值探测率达到6×1012cm.Hz1/2.W-1,动态范围达到68 dB。     

空间遥感用近红外InGaAs焦平面组件

介绍了InGaAs PIN探测器的结构和主要性能指标,综述了InGaAs探测器的研究进展,特别是我国空间遥感用高均匀性长线列InGaAs焦平面组件的关键技术和主要性能结果.近年来,我国空间遥感用InGaAs得到了较快发展,研制出光谱响应为0.9～1.7μm的正照射和背照射256×1元InGaAs线列焦平面组件,室温下其峰值响应率分别为7.8×1011cm·Hz1/2/W和4.5×1011 cm·Hz1/2/W,而且利用正照射256×1元InGaAs线列焦平面组件实现了扫描成像,图像清晰.此外,研制了光谱响应延展至2.4μm的256×1元InGaAs线列平面组件,其室温下峰值探测率为2.5×1010cm·Hz1/2/W.这些研究结果为下一步更长线列焦平面组件的研制提供了坚实的基础,同时器件的性能需要进一步提高,以满足空间遥感应用的要求.     

256×1线列InGaAs短波红外焦平面的研究

利用分子束外延(MBE)方法生长的掺杂InGaAs吸收层PIN InP/InGaAs/InP双异质结外延材料,通过台面制作、硫化后覆盖聚酰亚胺钝化、电极生长等工艺,制作了台面构造的256×1正照射InGaAs探测器阵列。测试了器件的I-V特性与响应光谱,得出器件的暗电流Id、零偏压电阻R0、G因子;通过信号和噪声的测试,计算出了在278K时的平均峰值探测率为1.33×1012cmHz1/2W-1。256元InGaAs探测器阵列与CTIA结构L128读出电路相互连,经封装后成功制备256×1线列InGaAs短波红外焦平面,在室温(300K)时测得256元响应信号,其响应不均匀性为19.3%。     

短波红外InGaAs焦平面噪声特性

为研究铟镓砷焦平面的噪声特性,设计了两种不同吸收层掺杂浓度的InGaAs外延材料,采用标准工艺制备了平面型160×128元光敏芯片,并与相同结构的读出电路倒焊耦合形成160×128元焦平面,采用改变积分时间和改变器件温度的方法,测试焦平面的信号与噪声.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焦平面的噪声特性.结果表明,焦平面噪声主要来源于焦平面耦合噪声和探测器噪声,降低InGaAs外延材料吸收层的掺杂浓度,可以有效降低探测器电容,从而降低焦平面的耦合噪声;而探测器噪声由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.实现低暗电流、低电容特性的光敏芯片是降低焦平面噪声的有效途径.     

室温工作4.3微米量子级联探测器

本文提出了一种由分子束外延生长的应变补偿InP基InGaAs/InAlAs量子级联探测器。该探测器工作中心波长位于4.3微米,工作温度可达室温。在室温下其响应率为1.27 mA/W,热噪声限探测率为1.02×〖10〗^7 cm?〖Hz〗^(1?2) W^(-1)。在80K温度下,该探测器的响应率和热噪声限探测率分别为14.55 mA/W 和 1.26×〖10〗^10 cm?〖Hz〗^(1?2) W^(-1)。其响应波段与大气二氧化碳的最强吸收范围相对应,因此该探测器十分适合于温室气体检测。