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短波红外InGaAs探测器研究进展

关键词:短波红外 探测器 焦平面

时间:2020-06-29 17:09:02      来源:网络

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。

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、1280 × 1024 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 1024 × 256、1024 × 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。

0 引言

短波红外探测广泛应用于航天遥感、微光夜视、医疗诊断、农业工业、安全监控等领域。基于 IIIV 族 InP / InGaAs 材料体系短波红外 InGaAs 探测器,具高探测率、高均匀性、高稳定性等特点,是发展小型化、低功耗和高可靠性短波红外光电系统的理想选择之一。

近年来,国内外研究机构在短波红外 InGaAs 焦平面探测领域开展了大量相关研究。2015 年,美国 UTC Aerospace Systems 公司推出了像元尺寸为 12.5 μm × 12.5 μm 的 640 × 512 型短波红外 InGaAs 成像机芯,重量小于 45 g,功耗小于 1.5 W。2018 年,该公司报道了规模 4000× 4000 的近红外 InGaAs 焦平面探测器及机芯,中心距为 5μm,相机系统的量子效率>70%。

美国 Teledyne Technologies 公司开展了中心距为 15、10 μm 的 1280 × 1024 元面阵研究。此外,英国的 Photonic Science Limited,法国 Sofradir 公司,以色列的 SCD 公司、比利时的 XenICs 公司等也长期致力于 InGaAs 焦平面探测器的研制和应用。

中国科学院上海技术物理研究所围绕航天遥感工程的应用需求,在高灵敏度常规波长(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、4000 × 128、1280 × 1024 元等多种规格面阵方面发展,探测率和暗电流水平不断提高。在延伸波长 InGaAs 探测器方面,发展高光谱高帧频 1024 × 256、1024 × 512 元焦平面。在新型多功能 InGaAs 探测器方面,发展了一种宽谱段响应的 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,实现了可见波段拓展和较高的量子效率;发展了片上集成亚波长金属光栅的 InGaAs 偏振探测器,提高偏振器件的消光比。

我国自主研制的短波红外 InGaAs 焦平面探测器已经进入了航天工程应用中,至今在轨稳定运行两年多,在对地观测、气象预报中发挥了重要作用。文中综述了十余年来,中国科学院上海技术物理研究所短波红外 InGaAs 焦平面探测器研究进展。

1 常规波长 0.9 ~ 1.7 μm 近红外 InGaAs 焦平面探测器

1.1 大面积 InP 基 InGaAs 探测材料

基于 InP 基多层异质 InGaAs 探测材料体系,采用分子束外延技术开展了大面积均匀、低掺杂浓度吸收层 InGaAs 外延材料。所生长的 In0.53Ga0.47As 外延材料本底电子浓度约 1E15 cm-3,室温迁移率大于 10000 cm2/Vs。图 1 为所生长的 InGaAs 材料本底浓度和迁移率与国际报道的对比,可以看出基本与国际报道相当。

为了获得高性能大规模焦平面,对外延材料的均匀性进行了研究。通过提升材料生长表面的温度均匀性,提高了外延材料参数的均匀性。采用 X 射线衍射对 4 in(1 in=2.54cm)InGaAs 外延材料的 In 组分进行了表征,非均匀性控制在约±0.1%,见图 2(a)所示,光致发光强度的分布波动则处于约±5%范围,见图 2(b)所示。

图 1 所生长 In0.53Ga0.47As 材料载流子浓度和迁移率与国际报道对比

 

图 2 所生长 In0.53Ga0.47As 材料的(a)组分非均匀性和(b)室温光致发光峰强度非均匀性

1.2 常规波长 InGaAs 焦平面探测器噪声研究

为发展大规模、低噪声短波红外 InGaAs 焦平面探测器,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 焦平面噪声特性,建立了焦平面噪声模型。如图 3 所示,测试分析了同一款读出电路、探测器输入参数不同的两种短波红外 InGaAs 焦平面在不同积分时间下的噪声。结果表明,基于 CTIA 输入级读出电路,研制的短波红外 InGaAs 焦平面噪声主要来源于焦平面耦合噪声和探测器噪声。其中焦平面耦合噪声受探测器电容和电路输入级积分电容影响,在较短积分时间条件下起主导作用;而探测器噪声受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。通过优化读出电路单元内的运放参数、探测器的结电容和暗电流以及外延材料吸收层掺杂浓度和少子寿命等参数,该类焦平面的噪声降低到 50e-。

 

图 3 短波红外 InGaAs 焦平面噪声随积分时间 270 K 的变化

1.3 常规波长 InGaAs 焦平面探测器研究进展

经过材料、光敏芯片、读出电路、焦平面模块、组件封装技术的一系列关键技术攻关,该类焦平面在像元规模、中心距、暗电流、噪声、峰值探测器等多个性能指标上不断提升。常规波长 InGaAs 焦平面从 256 × 1、512× 1 等小线列开始,到 2012 年,研制了成像用 30 μm 中心距的 320 × 256 面阵、25 μm 中心距的 640 × 512 面阵,到 2018 年已研制出 15 μm 中心距的 1280 × 1024 元焦平面探测器,突破了高密度小光敏元探测器暗电流与噪声抑制和百万像素焦平面倒焊关键技术,研制的 1280 × 1024 元组件的平均峰值探测率达 5.3 × 1012cm·Hz1/2/W,盲元率小于 1%,非均匀性为 6.4%,如图 4 所示。

 

图 4 中国科学院上海技术物理研究所 1.7 μm 近红外 InGaAs 焦平面探测器组件及成像图片

2 延伸波长短波红外 InGaAs 焦平面探测器

2.1 延伸波长 InGaAs 探测器表面钝化的研究

基于 InP 基多层异质 InGaAs 探测材料体系,增加 InGaAs 吸收层中 In 组分,可将短波红外 InGaAs 探测器的响应波长拓展到 2.5 μm。在高 In 组分 InGaAs 吸收层与 InP 衬底之间由于晶格失配的存在,高质量外延材料和器件制备是研制难点。发展了台面型延伸波长 InGaAs 探测器制备方法,研究了器件表面侧面钝化工艺,以降低器件表面产生复合电流。以吸收层 In0.76Ga0.24As 外延材料为例,研究了低温 SiNx 钝化、低温低应力 SiNx 钝化和 Al2O3/SiNx 复合钝化三种不同的钝化方法对探测器暗电流的影响,其中探测器采用变面积周长比的测试结构,Al2O3 膜采用 ALD 沉积方法。对制备的器件进行变温 I-V 测试并计算得到 200 K 温度下器件的暗电流密度随偏压的变化,如图 5 所示。可以看出在反向偏压下,三种钝化膜制备的大光敏元(200 μm × 200 μm)的暗电流密度几乎不变,而小光敏元(20 μm × 20 μm)的暗电流密度却有很大差别。其中,采用 Al2O3/SiNx 双层钝化膜制备的器件的暗电流密度是最低的,表明 ALD 积的 Al2O3 会减小 InGaAs 表面的 As 的氧化物,可以降低表面态密度;但是由于 ALD 的自限制性,ALD 沉积的自限制性导致沉积速率非常缓慢,所以采用 Al2O3/SiNx 双层钝化膜作为钝化膜。

 

图 5 200 K 温度下(a)200 μm × 200 μm 探测器和(b)20 μm × 20 μm 探测器的暗电流密度

2.2 延伸波长 2.2 μm InGaAs 焦平面探测器

在台面型延伸波长 InGaAs 器件的钝化新工艺研究的基础上,设计并研制了规模为 1024 × 32 元的长线列探测器,像元中心距为 30 μm,采用 In 组分为 0.74 的 In0.74Ga0.26As 外延材料,器件对应的截止波长 2.2 μm。采用 ICP 刻蚀技术进行台面成型工艺,对光敏元进行精确定义,并采用 ICPCVD 镀膜方法进行钝化。用傅里叶光谱仪测试单元器件的相对响应光谱,如图 6 所示,器件在室温的截止波长约为 2.23 μm,随温度变化系数为 1.13 nm/K。采用该批次光敏芯片研制了 1024 × 32 元焦平面组件,在 200 K 温度下进行性能测试,焦平面的盲元率为 0.44%,响应非均匀性约 5.7%,在 1.6μm 峰值波长处的量子效率达到 81.7%,峰值探测率达到 2.5 ×1012 cm·Hz1/2/W,其信号分布及组件照片如图 7 所示。

 

图 6 (a) 变温下 InGaAs 探测器的相对响应光谱及(b)截止波长随温度变化图

 

图 7 (a) 1024 × 32 焦平面组件测试的信号统计分布图和(b) 1024 × 32 和组件实物照片(b)

2.3 延伸波长 2.5 μm InGaAs 焦平面探测器

针对短波红外高光谱探测的应用需求,研制了响应波段在 0.95 ~ 2.5μm 的 1024 × 256 元超光谱用 InGaAs 焦平面组件,如图 8 所示,平均峰值探测率达 5 × 1011 cm·Hz1/2/W、响应非均匀性 10%、盲元率 1%、帧频达 150 Hz。在此基础上,设计并研制了单片规模为 1024 × 512 元短波红外 InGaAs 焦平面组件,对应的截止波长 2.5 μm,像元中心距为 30 μm,峰值探测率达到 8 × 1011 cm·Hz1/2/W,响应不均匀性为 6%,工作帧频达到 250 Hz 以上。

 

图 8 (a)1024 × 256 延伸波长 InGaAs 焦平面探测器组件及(b)其信号统计分布图

3 InGaAs 新结构探测器探索研究

3.1 集成微纳人工结构的 InGaAs 焦平面探测器

针对宽光谱成像探测的应用需求,InGaAs 探测器研究的一个重要方向是将光谱响应范围向可见波段拓展。研制了集成 InP 纳米柱阵列的 320 × 256 面阵焦平面,经测试,该焦平面的光谱响应范围向可见波段拓展,前截止波长由 0.9 μm 扩展至 0.45 μm,峰值波长为 1.569 μm,器件在 0.5 μm 的量子效率约 40%,在 0.8 μm 的量子效率约 60%,器件在可见波段的量子效率得到明显提升,如图 9 所示;所得到的信号分布如图 10 所示,表面集成了 InP 纳米柱的光敏元区域,明显增强了响应信号。

 

图 9 集成微纳结构的 InGaAs 焦平面量子效率

 

图 10 焦平面响应信号分布示意图

3.2 集成亚波长偏振近红外 InGaAs 探测器

结合亚波长金属光栅的偏振特性和近红外 InGaAs 探测器制备工艺的稳定性,研究了片上集成亚波长金属光栅结构的近红外 InGaAs 偏振探测器,开展了光栅与器件集成结构的设计与兼容性制备工艺研究,将不同偏振方向的微型偏振光栅直接集成到近红外 InGaAs 焦平面探测器的相应像元上,可同时获取目标的各偏振分量信息。集成四方向金属光栅的 InGaAs 偏振焦平面探测器规模为 128 和 512 ,探测率达 1 × 1012cm·Hz1/2/W,其中 0°、45°、90°、135°四个角度偏振光敏元的消光比均达到了 20:1 以上,并进行了演示成像,见图 11 和图 12。通过仿真结果,分析了光栅的高度、角度、宽度和占空比等结构参数偏差对于偏振性能的影响,亚波长金属光栅的占空比是影响偏振器件消光比的关键因素,调整电子束光刻的版图图形以及曝光剂量是控制亚波长金属光栅的占空比的工艺方法。

 

图 11 集成偏振 InGaAs 焦平面对 1310 nm 波长下不同角度线偏振光的响应信号

 

图 12 (a)CMOS 图像传感器,(b)常规 InGaAs 焦平面与(c)集成偏振 InGaAs 焦平面的演示成像结果

4 结论

文中介绍了中国科学院上海技术物理研究所在短波红外 InGaAs 探测器方面的研究进展,解决了大面积材料均匀性、器件量子效率、暗电流以及噪声等多项关键技术,推进了该类焦平面向高性能、系列化方向发展及其在航天工程中的应用。在常规波长(0.9 ~ 1.7 μm)InGaAs 焦平面方面,焦平面规格达到 1280 × 1024 元,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(1.0 ~ 2.5 μm)InGaAs 探测器方面,规模达到 1024 × 512 元,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,发展了微纳结构集成的宽谱段响应的 InGaAs 探测器和片上集成亚波长金属光栅的 InGaAs 偏振探测器,消光比优于 20:1,并进行了演示成像。

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