摘要：短波紅外InGaAs焦平面探測器具有探測率高、均勻性好等優點，在航天遙感、微光夜視、醫療診斷等領域具有廣泛應用。近十年來，中國科學院上海技術物理研究所圍繞高靈敏度常規波長（0.9 ~ 1.7 μm）InGaAs焦平面、延伸波長（1.0 ~ 2.5 μm）InGaAs焦平面以及新型多功能InGaAs探測器取得了良好進展。在常規波長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元等多種規格面陣方面發展，室溫暗電流密度優于5 nA/cm2，室溫峰值探測率優于5 × 1012 cm·Hz1/2/W。在延伸波長InGaAs探測器方面，發展了高光譜高幀頻1024 × 256、1024 × 512元焦平面，暗電流密度優于10 nA/cm2和峰值探測率優于5 × 1011 cm·Hz1/2/W@200 K。在新型多功能InGaAs探測器方面，發展了一種可見近紅外響應的InGaAs探測器，通過具有阻擋層結構的新型外延材料和片上集成微納陷光結構，實現0.4 ~ 1.7 μm寬譜段響應，研制的320 × 256、640 × 512焦平面組件的量子效率達到40%@0.5 m、80%@0.8 m、90%@1.55 m；發展了片上集成亞波長金屬光柵的InGaAs偏振探測器，其在0°、45°、90°、135°的消光比優于20:1。

0引言

短波紅外探測廣泛應用于航天遙感、微光夜視、醫療診斷、農業工業、安全監控等領域。基于IIIV族InP / InGaAs材料體系短波紅外InGaAs探測器，具高探測率、高均勻性、高穩定性等特點，是發展小型化、低功耗和高可靠性短波紅外光電系統的理想選擇之一。

近年來，國內外研究機構在短波紅外InGaAs焦平面探測領域開展了大量相關研究。2015年，美國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成像機芯，重量小于45 g，功耗小于1.5 W。2018年，該公司報道了規模4000× 4000的近紅外InGaAs焦平面探測器及機芯，中心距為5μm，相機系統的量子效率>70%。

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

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

我國自主研制的短波紅外InGaAs焦平面探測器已經進入了航天工程應用中，至今在軌穩定運行兩年多，在對地觀測、氣象預報中發揮了重要作用。文中綜述了十余年來，中國科學院上海技術物理研究所短波紅外InGaAs焦平面探測器研究進展。

1常規波長0.9 ~ 1.7 μm近紅外InGaAs焦平面探測器

1.1大面積InP基InGaAs探測材料

基于InP基多層異質InGaAs探測材料體系，采用分子束外延技術開展了大面積均勻、低摻雜濃度吸收層InGaAs外延材料。所生長的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為所生長的InGaAs材料本底濃度和遷移率與國際報道的對比，可以看出基本與國際報道相當。

為了獲得高性能大規模焦平面，對外延材料的均勻性進行了研究。通過提升材料生長表面的溫度均勻性，提高了外延材料參數的均勻性。采用X射線衍射對4 in（1 in=2.54cm）InGaAs外延材料的In組分進行了表征，非均勻性控制在約±0.1%，見圖2(a)所示，光致發光強度的分布波動則處于約±5%范圍，見圖2(b)所示。

圖1 所生長In0.53Ga0.47As材料載流子濃度和遷移率與國際報道對比

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

1.2常規波長InGaAs焦平面探測器噪聲研究

為發展大規模、低噪聲短波紅外InGaAs焦平面探測器，通過研究不同材料參數、器件性能與焦平面噪聲的關系，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，測試分析了同一款讀出電路、探測器輸入參數不同的兩種短波紅外InGaAs焦平面在不同積分時間下的噪聲。結果表明，基于CTIA輸入級讀出電路，研制的短波紅外InGaAs焦平面噪聲主要來源于焦平面耦合噪聲和探測器噪聲。其中焦平面耦合噪聲受探測器電容和電路輸入級積分電容影響，在較短積分時間條件下起主導作用；而探測器噪聲受探測器暗電流和工作溫度影響，該噪聲在長積分時間下決定了焦平面的總噪聲水平。通過優化讀出電路單元內的運放參數、探測器的結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，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間270 K的變化

1.3常規波長InGaAs焦平面探測器研究進展

經過材料、光敏芯片、讀出電路、焦平面模塊、組件封裝技術的一系列關鍵技術攻關，該類焦平面在像元規模、中心距、暗電流、噪聲、峰值探測器等多個性能指標上不斷提升。常規波長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元焦平面探測器，突破了高密度小光敏元探測器暗電流與噪聲抑制和百萬像素焦平面倒焊關鍵技術，研制的1280 × 1024元組件的平均峰值探測率達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 中國科學院上海技術物理研究所1.7 μm近紅外InGaAs焦平面探測器組件及成像圖片

2延伸波長短波紅外InGaAs焦平面探測器

2.1延伸波長InGaAs探測器表面鈍化的研究

基于InP基多層異質InGaAs探測材料體系，增加InGaAs吸收層中In組分，可將短波紅外InGaAs探測器的響應波長拓展到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，高質量外延材料和器件制備是研制難點。發展了臺面型延伸波長InGaAs 探測器制備方法，研究了器件表面側面鈍化工藝，以降低器件表面產生復合電流。以吸收層In0.76Ga0.24As外延材料為例，研究了低溫SiNx鈍化、低溫低應力SiNx鈍化和Al2O3/SiNx復合鈍化三種不同的鈍化方法對探測器暗電流的影響，其中探測器采用變面積周長比的測試結構，Al2O3膜采用ALD沉積方法。對制備的器件進行變溫I-V測試并計算得到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會減小InGaAs表面的As的氧化物，可以降低表面態密度；但是由于ALD的自限制性，ALD沉積的自限制性導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探測器和(b)20 μm × 20 μm探測器的暗電流密度

2.2延伸波長2.2 μm InGaAs焦平面探測器

在臺面型延伸波長InGaAs器件的鈍化新工藝研究的基礎上，設計并研制了規模為1024 × 32元的長線列探測器，像元中心距為30 μm，采用In組分為0.74的In0.74Ga0.26As外延材料，器件對應的截止波長2.2 μm。采用ICP刻蝕技術進行臺面成型工藝，對光敏元進行精確定義，并采用ICPCVD鍍膜方法進行鈍化。用傅里葉光譜儀測試單元器件的相對響應光譜，如圖6所示，器件在室溫的截止波長約為2.23 μm，隨溫度變化系數為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溫度下進行性能測試，焦平面的盲元率為0.44%，響應非均勻性約5.7%，在1.6μm峰值波長處的量子效率達到81.7%，峰值探測率達到2.5 ×1012 cm·Hz1/2/W，其信號分布及組件照片如圖7所示。

圖6 (a) 變溫下InGaAs探測器的相對響應光譜及(b)截止波長隨溫度變化圖

圖7 (a) 1024 × 32焦平面組件測試的信號統計分布圖和(b) 1024 × 32和組件實物照片(b)

2.3延伸波長2.5 μm InGaAs焦平面探測器

針對短波紅外高光譜探測的應用需求，研制了響應波段在0.95 ~ 2.5μm的1024 × 256元超光譜用InGaAs焦平面組件，如圖8所示，平均峰值探測率達5 × 1011 cm·Hz1/2/W、響應非均勻性10%、盲元率1%、幀頻達150 Hz。在此基礎上，設計并研制了單片規模為1024 × 512元短波紅外InGaAs焦平面組件，對應的截止波長2.5 μm，像元中心距為30 μm，峰值探測率達到8 × 1011 cm·Hz1/2/W，響應不均勻性為6%，工作幀頻達到250 Hz以上。

圖8 (a)1024 × 256延伸波長InGaAs焦平面探測器組件及(b)其信號統計分布圖

3 InGaAs新結構探測器探索研究

3.1集成微納人工結構的InGaAs焦平面探測器

針對寬光譜成像探測的應用需求，InGaAs探測器研究的一個重要方向是將光譜響應范圍向可見波段拓展。研制了集成InP納米柱陣列的320 × 256面陣焦平面，經測試，該焦平面的光譜響應范圍向可見波段拓展，前截止波長由0.9 μm擴展至0.45 μm，峰值波長為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%，器件在可見波段的量子效率得到明顯提升，如圖9所示；所得到的信號分布如圖10所示，表面集成了InP納米柱的光敏元區域，明顯增強了響應信號。

圖9 集成微納結構的InGaAs焦平面量子效率

圖10 焦平面響應信號分布示意圖

3.2集成亞波長偏振近紅外InGaAs探測器

結合亞波長金屬光柵的偏振特性和近紅外InGaAs探測器制備工藝的穩定性，研究了片上集成亞波長金屬光柵結構的近紅外InGaAs偏振探測器，開展了光柵與器件集成結構的設計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焦平面探測器的相應像元上，可同時獲取目標的各偏振分量信息。集成四方向金屬光柵的InGaAs偏振焦平面探測器規模為128和512 ，探測率達1 × 1012cm·Hz1/2/W，其中0°、45°、90°、135°四個角度偏振光敏元的消光比均達到了20:1以上，并進行了演示成像，見圖11和圖12。通過仿真結果，分析了光柵的高度、角度、寬度和占空比等結構參數偏差對于偏振性能的影響，亞波長金屬光柵的占空比是影響偏振器件消光比的關鍵因素，調整電子束光刻的版圖圖形以及曝光劑量是控制亞波長金屬光柵的占空比的工藝方法。

圖11 集成偏振InGaAs焦平面對1310 nm波長下不同角度線偏振光的響應信號

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

4結論

文中介紹了中國科學院上海技術物理研究所在短波紅外InGaAs探測器方面的研究進展，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關鍵技術，推進了該類焦平面向高性能、系列化方向發展及其在航天工程中的應用。在常規波長（0.9 ~ 1.7 μm）InGaAs焦平面方面，焦平面規格達到1280 × 1024元，室溫暗電流密度優于5 nA/cm2，室溫峰值探測率優于5 × 1012 cm·Hz1/2/W。在延伸波長（1.0 ~ 2.5 μm）InGaAs探測器方面，規模達到1024 × 512元，暗電流密度優于10 nA/cm2和峰值探測率優于5 × 1011 cm·Hz1/2/W@200 K。在新型多功能InGaAs探測器方面，發展了微納結構集成的寬譜段響應的InGaAs探測器和片上集成亞波長金屬光柵的InGaAs偏振探測器，消光比優于20:1，并進行了演示成像。