InGaAs探测器：先进航天遥感仪器之核心

在国家重点基础研究发展计划及其他相关科研项目的支持下，中国科学院上海技术物理研究所研究团队联合相关单位，开展了2.5微米波长InGaAs探测材料及器件关键科学问题研究，实现了延伸波长InGaAs探测器的自主研发及应用演示成像，为航天应用提供科学支撑。

航天遥感领域是当今世界最具挑战性和引领性的高技术领域之一，积极发展航天遥感应用是增强国家经济实力、科技实力乃至综合国力的重要举措。为了提高遥感卫星的应用水平，推动遥感产业的发展，应用部门对后续航天遥感仪器提出了越来越高的要求。

光电遥感是对目标在不同波段的辐射进行光电转换，来获得图像等遥感信息，光电转换的核心是光电探测器。光电探测器作为航天遥感仪器的核心部件，制约着航天光学遥感仪器的水平和发展。随着航天遥感应用对探测目标的波段特性、空间分辨率、辐射分辨率、时间分辨率以及可靠性等要求的不断提高，如空间分辨率由几百米提高到l米量级，光谱分辨率由几十纳米提高到一两纳米等，遥感仪器的信噪比必须不断提升。针对航天遥感仪器不断推进技术进步的要求，光电探测器需要向扩展波长范围、提高光电性能、改善光谱形状、减小光敏元尺寸、增加器件规模、提高寿命和可靠性等方向发展。

为了中国航天遥感仪器跨代发展和未来世界一流光电探测系统的需要，以中国已部署的高分辨率对地观测系统、载人航天和探月工程两大重大专项中多种光电遥感仪器对高性能近红外核心探测器的需求为牵引，开展低缺陷、高光电转换效率的近红外核心探测材料基础研究，解决航天应用需求的具有极低暗电流、高量子效率近红外探测器的瓶颈问题，对中国经济、社会、国家安全和科学技术的自身发展都具有重大意义。

光谱中波长0.76～400微米的部分称为红外线，其中能通过大气的3个波段划分为：近红外波段，波长1～3微米；中红外波段，波长3～5微米；远红外波段，波长8～14微米。近红外波段是重要的大气窗口，地球上的物质通过反射环境中的太阳光表现出独特的光谱特性，如岩石、矿物中含有的氢氧根，农作物中的水，大气中的二氧化碳、氨气、硫化氢、水蒸气等。近红外探测可以提供可见光、中波、长波红外探测所不能提供的信息。与可见光探测相比，近红外在气溶胶、大气粉尘、雾霾等条件下具有更好的探测能力，有利于获得更为丰富的信息。

在近红外探测领域，可应用于1～3微米波段的材料体系主要有碲镉汞（HgCdTe）、锑化铟（InSb）和铟镓砷（InGaAs）等。III-V族InGaAs外延材料具有较好的均匀性和稳定性，InGaAs探测器在较高的工作温度下具有较高的探测率，器件制备工艺过程与硅（Si）工艺兼容，材料与器件的抗辐照性能好。基于InGaAs探测器的这些优点，中国航天领域跨代发展和中长期规划的先进光电遥感仪器，如“高分辨率对地观测系统”重大专项的国土资源与气候卫星宽视场光谱成像仪、高精度超光谱相机，“载人航天和探月工程”重大专项的短波红外光谱仪，以及新一代气象卫星、环境卫星等温室气体探测仪，都对其提出了明确需求。

三元化合物In_1-xGa_xAs是III-V族的赝二元系半导体材料，是直接带隙材料，具有较高的电子迁移率、良好的稳定性和抗辐照性能。In_1-xGa_xAs化合物可以由InAs和GaAs以任何配比形成，随着组分x的变化，其禁带宽度在0.35～1.43电子伏特范围内变化，截止波长在3.5微米和0.87微米之间变化，可覆盖1～3微米的近红外波段。In_0.53Ga_0.47As外延材料和磷化铟（InP）衬底具有相同的晶格常数，此时禁带宽度为0.75电子伏特，与InP材料完全晶格匹配。InGaAs探测器可在室温下工作。增大In组分，可减小禁带宽度，增大截止波长。为了满足航天遥感领域截止波长延伸到2.5微米的需要，必须将In_xGa_1-xAs材料的In组分x提高至0.80，以实现响应波长向长波方向扩展。

但当In的含量x大于0.53时，In_xGa_1-xAs与InP衬底的晶格将不再匹配，而且两者之间的晶格失配随In含量的增加而增大，这会在外延层中引入位错，形成较多缺陷，严重影响材料性能。极低暗电流和高量子效率问题是制约中国航天领域光电探测系统发展的瓶颈问题，该问题的解决强烈依赖于新材料的发现和材料性能的突破。因此，开展近红外核心探测材料的基础研究，探索由材料走向器件过程中的新现象、新效应及其航天适应性具有重要意义。

美国Sensor Unlimited公司研制了2.5微米波长1024元InGaAs探测器，应用在了欧洲空间局新一代环境卫星（ENVISAT）的有效载荷大气分布扫描成像吸收光谱仪中，这是2.5微米波长InGaAs探测器件首次在卫星遥感上应用，已在全球温室气体探测方面发挥了很大作用。去年以色列航空工业公司报道了一种抑制暗电流的npin结构InGaAs探测器，采用InGaAs/GaAsSb数字超晶格作为吸收层，采用暗电流密度在室温下降低至100纳安/平方厘米以下，但零偏下响应较低。国外从事2.5微米波长InGaAs探测材料和器件的主要机构还有美国Judson公司、比利时XenIcs公司、土耳其中东技术大学等，后续研究重点仍然是进一步降低器件暗电流，并研制大规模焦平面探测器。

中国2.5微米波长InGaAs探测材料和器件的主要研究机构有中国科学院上海技术物理研究所（以下简称上海技物所）、上海微系统与信息技术研究所、长春光学精密机械与物理研究所、半导体研究所等。

在“十一五”期间，中科院上海技物所联合上海微系统所、长春光机所研制了2.4微米波长的256×1、640×1元InGaAs焦平面探测器，近室温探测率优于10¹¹厘米.赫兹^1/2/瓦；在“十二五”期间，在国家973计划的支持下，研究团队开展了2.5微米波长InGaAs探测材料及器件关键科学问题研究，创新性地引入宽禁带帽层、异质结界面数字超晶格、缓冲层数字合金结构及吸收层内数字超晶格电子阻挡层等结构，发展了微光敏区物理参数表征方法和抑制暗电流的低损伤器件工艺新方法，显著降低了器件暗电流，提高了器件量子效率，并实现了320×256元焦平面探测器。新型短波红外InGaAs焦平面探测器具有室温工作、探测率高、均匀性好等优点，有利于实现小型化、低功耗、高可靠性的短波红外系统，可应用于微光夜视、高光谱成像、红外天文探测等领域。

中国科学院上海技物所以航天应用需求的极低暗电流和高量子效率近红外InGaAs光电探测器为牵引，开展低缺陷密度、高光电转换效率的失配体系InGaAs异质探测材料的基础研究。

[该项目以国家重大需求为导向，着力解决航天应用近红外核心探测材料及器件的关键科学问题，在材料新结构、新机理和新方法方面取得了有鲜明特色和自主知识产权的科学研究成果。与国内外同类研究相比，主要创新点和特色表现在以下几个方面。]

（1）抑制缺陷密度的外延材料缓冲层新结构：研究高In组分异质探测材料的能带结构和少数非平衡载流子输运的物理过程，提出并获得了宽禁带铟铝砷（InAlAs）组分非单调变化及非线性递变的缓冲层、改进界面特性的短周期数字递变超晶格异质界面过渡层和宽禁带铟砷磷（InAsP）组分递变缓冲层新结构，改善表面界面特性，获得了高质量低缺陷多层异质外延材料；

（2）高灵敏度的亚波长局域增强新结构：研究SPP在微纳尺度的金属/InGaAs界面上光场增强和局域化物理机理，提出并获得集成亚波长的局域增强新结构和低缺陷的薄吸收层外延材料，建立SPP吸收增强特性评价方法，在降低多层异质结的扩散和产生-复合电流的同时，提高量子效率，从而提高探测灵敏度；

（3）多层异质材料微光敏区物理参数表征新方法：建立了光电导衰退、微波反射法等应用于多层InGaAs异质材料微光敏区物理参数(少子寿命、迁移率等)表征新方法，结合异质材料缺陷密度、成结深度、成结区域和掺杂浓度等微纳尺度物性分析，明确材料性能与器件关键性能的关联，指导材料结构和材料生长的改进；

（4）多层InGaAs异质探测材料辐照机理：应用表征新方法研究空间辐照对InGaAs异质探测新材料、新结构的作用机理，获得材料的晶格完整性、界面特性、缺陷状态及光电性能参数的演变行为，提出材料结构改进思路和材料损伤抑制方法，验证新型材料航天应用的适应性。

目前，采用项目研究的高性能InGaAs外延材料，已实现了截止波长为2.5微米的延伸波长InGaAs探测器，暗电流密度降低至10纳安/平方厘米@200开尔文，优于国际同类探测器公开报道的水平。在220开尔文以上，以扩散电流为主导；220开尔文以下，以欧姆电流和复合电流为主导。

已实现了单元、640×1、512×256、1024×256等多个规格的1.0～2.5微米短波红外InGaAs探测器组件，峰值量子效率高于75％，峰值探测率优于（5×10¹¹）厘米.赫兹^1/2/瓦。其中，1024×128探测器组件已应用于短波红外成像仪中，获得了清晰成像图片。其中，单元器件已经应用于探月工程CE5月球矿物分析仪正样研制中。

综上所述，中科院上海技物所研究团队联合相关单位，开展了2.5微米波长InGaAs探测材料及器件关键科学问题研究，实现了单元、320×256、1024×128等规模的探测器，实现了延伸波长InGaAs探测器的自主研发及应用演示成像，为航天应用提供科学支撑。该研究成果可进一步向微光夜视、安全监测等领域推广应用，具有重大的经济效益和社会效益。

项目组下一步的计划是：开展延伸波长InGaAs大面积高性能探测材料及器件研究，构建关键科学问题-关键技术-典型应用的一体化研究链，引入低维量子结构进行能带及界面应力调控，研究应变异质外延层失配位错抑制的微观机制和低损伤成结微观物理机制及有效钝化机理，建立材料微光敏区核心参数与器件关键性能参数之间的关联性，解决室温工作百万像素级InGaAs焦平面探测器所面临的大面积异变外延材料及器件工艺均匀性、芯片及焦平面噪声抑制等关键技术，使外延材料性能达到国际先进水平，并研制2.5微米波长1024×1024探测器，且峰值探测率优于（5×10¹¹）厘米·赫兹^1/2/瓦，实现演示成像，为中国高端短波红外光探测器件的发展奠定坚实的科学技术基础。

致谢：感谢国家973计划项目“高性能近红外InGaAs探测材料基础研究及其航天应用验证”（课题编号：2012CB619200）的支持。

专家简介

龚海梅：中科院上海技术物理研究所研究员。
张永刚：中科院上海微系统与信息技术研究所研究员。
缪国庆：中科院长春精密机械与物理研究所研究员。
韦欣：中科院半导体研究所研究员。
李雪：中科院上海技术物理研究所。