短波红外InGaAs焦平面探测器研究进展

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、1 280×1 024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1 024×256、1 024×512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。     

双色量子阱红外探测器大面阵芯片的研制

采用GaAs/AlGaAs和InGaAs/AlGaAs多量子阱，研制出了双色同像素读取结构的中波/长波量子阱红外探测器及160×128元中波/长波双色多量子阱红外探测器芯片。器件的材料结构生长是采用分子束外延技术，在5.08 cm半绝缘GaAs衬底上完成的。发展了双色大面阵制备工艺，二维光栅的制备使用标准光刻和离子束刻蚀技术。在77 K时，对量子阱红外探测器测试，得到中、长波段峰值探测率分别为Dλ*=（1.61～1.90）×1010 cmHz1/2W-1和（1.54～2.67）×1010 cmHz1/2W-1。中、长波段峰值波长分别为(2.7~3.8) μm和8.3 μm。     

256×1甚长波量子阱红外焦平面研究

GaAs/AlGaAs量子阱红外探测器由于其所依据的GaAs基材料较为成熟的材料生长和器件制备工艺，使其特别适合于高均匀性、大面积红外焦平面的应用。报道了甚长波256×1元GaAs/AlGaAs多量子阱红外焦平面器件的研制成果, 探测器的峰值波长为15 μm,响应带宽大于1.5 μm。在40 K工作温度下，器件的平均黑体响应率Rp=3.96×106 V/W, 平均黑体探测率为D*=1.37×109 cm·Hz1/2/W, 不均匀性为11.3%, 并应用研制的器件获得了物体的热像图。     

基于MOCVD技术的长波AlGaAs/GaAs 量子阱红外焦平面探测器

采用n型掺杂背面入射AlGaAs/GaAs量子阱结构，用MOCVD外延生长和GaAs集成电路工艺，设计制作了大面积AlGaAs/GaAs QWIP单元测试器件和128×128、128×160、256×256 AlGaAs/GaAs QWIP焦平面探测器阵列。 用液氮温度下的暗电流和傅里叶红外响应光谱对单元测试器件进行了评估，针对不同材料结构，实现了9 μm和10.9 μm的截止波长; 黑体探测率最高达到2.6×109 cm·Hz1/ 2·W-1 。 将128×128 AlGaAs/GaAs QWIP阵列芯片与CMOS读出电路芯片倒装焊互连，成功演示了室温环境下目 标的红外热成像；并进一步讨论了提高QWIP组件成像质量的途径。     

160×128元多量子阱长波红外焦平面探测器件研制

报道了新研制出的160×128元GaAs/AlGaAs多量子阱长波红外焦平面器件。使用MBE的方法在半绝缘的GaAs衬底上生长器件结构；开发了用普通光刻技术和离子束刻蚀法制备2D光栅技术，以及探测器芯片与读出电路互联技术。在77 K时测试，器件的平均峰值探测率Dλ*=1.28×1010 cmW-1Hz1/2，峰值波长为λp=8.1 μm，截止波长为λc=8.47 μm。器件的非盲元率≥98.8％，不均匀性10％。     

短/中波双色碲镉汞红外探测器性能分析研究

介绍了国内外双色红外探测器的发展现状,并报道了中国电子科技集团公司第十一研究所（以下简称“中电十一所”）自行研制的像元间距为30 μm的Si基320×256短/中波双色红外探测器的性能。在77 K测试条件下,短波和中波两个波段的盲元率分别为0.88%和1.47%,平均峰值探测率分别为2.21×10¹² cm·Hz^1/2·W^-1和2.13×10¹¹ cm·Hz^1/2·W^-1,后截止波长分别为3.129 μm和 5.285 μm,且短波向中波波段的光谱串音为1.38%,中波向短波波段的光谱串音为2.82%。同时,该探测器在双波段具有较好的成像效果,为后续更大面阵、更佳性能的多波段探测器研究提供了基础。     

2μm像元间距GaAs／AIGaAs量子阱红外焦平面探测器

量子阱焦平面探测器具有大面阵焦平面探测器重复性和均匀性好、成品率高、成本低等明显的产业化优势,在军民两用领域获得了广泛而重要的应用。为了尽快研制出全国产化高性能量子阱红外焦平面探测器,通过完全正向的器件设计,采用常规光刻和反应离子刻蚀方法,成功研制出87．1％的高占空比320×256长波量子阱焦平面探测器,峰值波长9μm,平均峰值探测率1．6×10^10cm·Hz^1/2·W^-1。第一支样管的噪声等效温差为33．2mK,响应率不均应性8．9％,面阵盲元率1％。在70K温度下获得了1km和4．2km处的建筑物的清晰成像。实验结果充分显示了器件设计的正确性及研制技术的可控性。     

高探测率的GaAs/AlGaAs多量子阱长波长红外探测器

探测器采用50周期GaAs/Al_(0.3)Ga_(0.7)As多量子阱结构的分子束外延材料,并制成直径为320μm的台面型式单管.其器件主要性能和指标如下:探测峰值波长为 9.2 μm,工作温度为77 K,峰值电压响应率 R_v= 9.7× 10~5V/W,峰值探测率 D~*= 6.2 × 10~(10)cmHz~(1/2)/W.     

InAs/GaSb II类超晶格长波红外焦平面探测器研究

InAs/GaSb II类超晶格材料是第三代红外焦平面探测器的优选材料。报道了一种面阵规模为320×256、像元中心距为30 μm的InAs/GaSb II类超晶格长波红外焦平面器件。在77 K时,该器件的平均峰值探测率为7.6×10¹⁰ cm·Hz^1/2·W^-1,盲元率为1.46%,响应非均匀性为7.55%,噪声等效温差(Noise Equivalent Temperature Difference, NETD)为25.5 mK。经计算可知,这种器件的峰值量子效率为26.2%,50%截止波长为9.1 μm。最后对该器件进行了成像演示。结果表明,该研究为后续的相关器件研制奠定了基础。     

用CMOS工艺方法制作的低成本非致冷红外探测器（上）

本文介绍用标准的 n 阱 CMOS 工艺方法实现的两种低成本非致冷红外微测辐射热计探测器，并对它们的性能进行了比较，其中一种探测器基于悬置式 n 阱电阻器，它是用0.8μm 的 CMOS 工艺方法制作的，其像元尺寸为80μm×80μm,占空因数为13%；另一种探测器基于悬置的p~+激活/n 阱二极管，这是用0.35μm 的 CMOS 工艺方法制作的，其像元尺寸为 40μm×40μm，占空因数为44%,在 CMOS 制作之后，这些探测器用简单的整体微机械加工方法即可获得，无需任何复杂的平版印刷或者淀积工序，在20μA 的偏置电流和'80毫乇的真空条件下，测得的二极管型探测器的响应率(π)为4970V/W，热时间常数为35.8ms，在带宽为4kHz 时，测得的均方根噪声为0.52μV，结果其探测率(D~#)为9.7×10~8cmHz~1/2/W.与二极管型探测器相比，电阻器型 n 阱探测器在1.68V 的偏压下能达到同样的直流响应率，但其自热却10倍于二极管型探测器，在带宽为4kHz 时，这种探测器的均方根噪声为0.81μV，由此得出的探测率(D~*)为8.9×10~8cmHz~1/2/W。如果给电阻器型 n 阱探测器施加更高的偏压，其探测率还可提高，但其自热会更高，由于二极管型探测器在像元尺寸较小和所加偏压更低的情况下仍具有比较高的响应率，因此更适用于低成本大规格红外探测器列     

长波双色Al_xGa_(1-x)As/GaAs量子阱红外探测器的研制

介绍了长波双色AlxGa1-xAs/GaAs多量子阱红外探测器单元的设计、制作和测试。器件光敏面面积为300μm×300μm,光吸收峰值波长分别为10.8、11.6μm;采用垂直入射光耦合的工作模式,65K温度2V偏压下,两个多量子阱区的暗电流分别为4.23×10-6、4.19×10-6A;黑体探测率分别为1.5×109、6.7×109cm.Hz1/2/W;响应率分别为0.063、0.282A/W。GaAs基量子阱红外探测器(QWIP)材料生长和加工工艺成熟、大面积均匀性好、成本低、不同波段之间的光学串音小,使得AlGaAs/GaAsQWIP在制作多色大面阵方面具有明显的优势。     

多晶锗硅室温微测辐射热计线性阵列的研制

采用超高真空气相淀积系统 ( UHVCVD)制备了多晶锗硅薄膜 ( poly-Si0 .7Ge0 .3) ,研究了它的退火特性和电阻温度特性。将多晶锗硅薄膜电阻作为微测辐射热计的敏感元件 ,采用体硅微机械加工技术制作了 8× 1桥式微测辐射热计线性阵列 ,优化设计的微桥由两臂支撑 ,支撑臂的长和宽分别为 2 2 0 μm和 8μm,桥面面积为 80μm× 80μm。测试结果表明 ,在 773 K黑体源 8～ 1 4μm红外辐射下 ,调制频率为 3 0 Hz时 ,阵列中各单元的电压响应率为 6.2 3 k V/W～ 6.40 k V/W,探测率为 2 .2 4× 1 0 8cm Hz1 /2 W- 1～ 2 .3 3× 1 0 8cm Hz1 /2 W- 1 ,热响应时间为2 1 .2 ms～ 2 2 .1 ms,表明了器件具有较高的性能及较好的一致性。     

Surface breakdown in silicon planar junctions—A computer-aided experimental determination of the critical field

Surface breakdown in silicon planar junctions is analysed with emphasis on the evaluation of the critical field (i.e., the maximum electric field within the depletion region at breakdown). This parameter is determined by a computer-aided experimental procedure consisting in relaxation field calculations with boundary conditions governed by junction breakdown voltage (at given gate voltage) as measured on specially processed gate-controlled diodes. The idealization (infinite doping) of the highly doped side of the junction, encountered in previous works, has been eliminated. Values of the critical field determined are in the range of 1 × 10⁶ V/cm (1·0 × 10⁶ V/cm for 1·0 μm gate-oxide and 1·4 × 10⁶ V/cm for 0·3 μm gate-oxide). These values are substantially higher than those estimated by other authors (5–6 × 10⁵ V/cm) and are consistent with independent experimental findings on avalanche (hot-carrier) injection in silicon diodes.     

320×256 InAs/GaSb超晶格中/短波双色探测器组件研制

InAs/GaSb超晶格材料制备的新型红外器件在最近十几年得到了迅速发展。文中开展了InAs/GaSb二类超晶格中/短波双色焦平面探测器组件研制,设计了中/短波双色叠层背靠背二极管芯片结构,用分子束外延技术生长出结构完整、表面平整、低缺陷密度的PNP结构超晶格材料,制备出性能优良的320×256双色焦平面探测器组件,对探测器组件进行了测试分析。结果显示,在77 K下中波二极管RA值达到26.0 kΩ·cm2,短波的RA值为562 kΩ·cm2。光谱响应特性表明短波响应波段为1.7~3 μm,中波为3~5 μm,满足设计要求。双色峰值探测率达到中波3.12×1011 cm·Hz1/2W-1,短波1.34×1011 cm·Hz1/2W-1。响应非均匀性中波为9.9%,短波为9.7%。中波有效像元率为98.46%,短波为98.06%。     

分子束外延AlGaN/GaN异质结场效应晶体管材料

用自组装的氨源分子束外延 (NH3-MBE)系统和射频等离子体辅助分子束外延 (PA-MBE)系统在 C面蓝宝石衬底上外延了优质 Ga N以及 Al Ga N/Ga N二维电子气材料。Ga N膜 (1 .2 μm厚 )室温电子迁移率达3 0 0 cm2 /V· s,背景电子浓度低至 2× 1 0 1 7cm- 3。双晶 X射线衍射 (0 0 0 2 )摇摆曲线半高宽为 6arcmin。 Al Ga N/Ga N二维电子气材料最高的室温和 77K二维电子气电子迁移率分别为 73 0 cm2 /V·s和 1 2 0 0 cm2 /V· s,相应的电子面密度分别是 7.6× 1 0 1 2 cm- 2和 7.1× 1 0 1 2 cm- 2 ;用所外延的 Al Ga N/Ga N二维电子气材料制备出了性能良好的 Al Ga N/Ga N HFET(异质结场效应晶体管 ) ,室温跨导为 5 0 m S/mm(栅长 1 μm) ,截止频率达 1 3 GHz(栅长 0 .5μm)。该器件在 3 0 0°C出现明显的并联电导 ,这可能是材料中的深中心在高温被激活所致     

中波-长波双色量子阱红外探测器

采用n型掺杂的AlGaAs/GaAs和AlGaAs/InGaA多量子阱材料,基于MOCVD外延生长技术,利用成熟的GaAs集成电路加工工艺,设计并制作了不同结构的中波-长波双色量子阱红外探测器(QWIP)器件,器件采用正面入射二维光栅耦合,光栅周期设计为4μm,宽度2μm;对制作的500μm×500μm大面积双色QWIP单元器件暗电流、响应光谱、探测率进行了测试和分析。在-3V偏压、77K温度和300K背景温度下长波(LWIR)和中波(MWIR)QWIP的暗电流密度分别为0.6、0.02mA/cm2;-3V偏压、80K温度下MWIR和LWIR QWIP的响应光谱峰值波长分别为5.2、7.8μm;在2V偏压、65K温度下,LWIR和MWIR QWIP的峰值探测率分别为1.4×1011、6×1010cm.Hz1/2/W。     

Carbon-black thixotropic thermal pastes for improving thermal contacts

This paper addresses thermal interface materials for thermal conduction of excess heat for microelectronic applications. Carbon black (30 nm) thixotropic paste based on polyol ethers is comparable to carbon black fluidic paste based on polyethylene glycol (PEG) in its effectiveness as a thermal paste, and in its dependence on pressure history. Prior pressure (up to 0.69 MPa) application is helpful. The optimum carbon black content is 2.4 vol.% for the thixotropic paste. The thermal contact conductance across copper surfaces is 30 × 10⁴ and 11 × 10⁴ W/m²-°C for surface roughness of 0.05 μm and 15 μm, respectively. The volume electrical resistivity is 3 × 10³ Ω-cm. Boron nitride (BN) (5–11 μm) and graphite (5 μm) thixotropic pastes are less effective than carbon black thixotropic paste by up to 70% and 25%, respectively, in thermal contact conductance, due to low conformability.     

4H-SiC同质外延层的质量表征

在高纯半绝缘4H-SiC偏8°衬底上同质外延生长了高质量的外延层,利用X射线双晶衍射、原子力显微镜(AFM)、汞探针C-V以及霍尔效应等测试方法,对样品的结晶质量、表面粗糙度、掺杂浓度以及电子迁移率进行了分析测试,证实外延层的结晶质量相对于衬底有着很大的改善。在同质外延7.5μm的外延层后,其半高宽从衬底的30.55arcsec减小到27.85arcsec;外延层表面10μm×10μm的粗糙度(RMS)为0.271nm;室温下,样品的掺杂浓度为1×1015cm-3时,霍尔迁移率高达987cm2/(V.s);浓度为1.5×1016cm-3时,霍尔迁移率为821cm2/(V.s)。77K时,霍耳迁移率分别为1.82×104cm2/(V.s)和1.29×104cm2/(V.s)。掺杂浓度的汞探针C-V测试结果与霍尔效应的实验数据一致。