短波红外InGaAs探测器
2013-09-14 22:39:10   来源：微迷   评论：0   点击：

上海芯晨科技有限公司 李成，上海新微技术研发中心 王懿

红外线是波长介于微波与可见光之间的电磁波，波长在0.75~1000μm之间，其在军事、通讯、探测、医疗等方面有广泛的应用。目前对红外线的分类还没有统一的标准，各个专业根据应用的需要，有着自己的一套分类体系。一般使用者对红外线的分类为（1）近红外(NIR, IR-A DIN)：波长在0.75~1.4μm；（2）短波红外(SWIR, IR-B DIN)：波长在1.4~3μm；（3）中波红外(MWIR, IR-C DIN)：波长在3~8μm；（4）长波红外(LWIR, IR-C DIN)：波长在8~15μm；（5）远红外(FIR)：波长在15~1000μm。

根据Maxwell电磁方程，红外线在空气等物质内部和界面传播会发生吸收、反射和透射等，其中吸收是影响传播的最主要因素。空气中的一些气体分子如CO₂，H₂O等有着与其物质分子结构相对应的特征吸收谱线，对某些波长的红外线产生强烈地吸收，而对另外一些红外线则不产生吸收，从而表现出很高的透射率。大气中对红外辐射吸收比较少的波段称为“大气窗口”，主要包括三个：1~3μm，3~5μm，8~14μm，图1描述了红外线在大气中传播的透射曲线。

图1 红外波段大气透射谱线

1. 红外探测器

从1800年英国W. Herschel发现红外线到现在已有二百多年历史。人们通过不断地技术开发和创新，使红外应用从军事国防迅速朝着资源勘探、气象预报、环境监测、医学诊治、海洋研究等关系到国计民生的各个领域扩展。在这些应用中红外探测又显得特别重要，因为要更好地研究红外线必须先对其进行探测。理论上任何形态的物质只要在红外辐射作用下发生某种性质或物理量的变化，都可以被用来进行红外探测。

目前来说按照工作机理不同, 红外探测器常被分为热探测器和光子型探测器。热探测器利用红外光的热效应及材料对温度的敏感性来测量红外辐射，其原理是热敏材料吸收红外光后温度升高，利用材料的温度敏感特性将温度的变化转变为电信号。目前主要利用温差电效应、热释电效应、金属、气体等热胀冷缩现象、超导体在Tc附近升高温度电阻急剧变化等等。热探测的响应速度较慢，但其波长响应范围宽。光子型探测器是利用光电效应原理设计和制作的，光电效应可分为光电子发射效应、光电导效应、光生伏特效应和光磁电效应。光电子发射效应是指在光辐射作用下产生的光电子逸出被照射材料的表面，称为外光电效应，多发生在金属材料中。光电导效应，光生伏特效应和光电磁效应是在材料内部产生的，电子并不逸出材料的表面，也称为内光电效应。半导体材料具有明显的光电效应，因此大多数的红外探测器都采用了半导体材料制作，其中基于内光电效应，特别是光生伏特效应的半导体红外探测器特别普遍。光生伏特探测器件中包含一个PN结（包括PN同质结型，异质结型，肖特基型等），在无光照的情况下，结内存在着自建电场，当红外光照到PN结上或附近时，产生的光生载流子在结电场的作用下分别向两边移动，从而在PN结两端形成光生电动势。常见的一些光伏型探测器包括光电池，光电二极管，光电三极管，雪崩探测器，MSM探测器等。

当全面考察半导体红外探测器件发展时，可以看到其表现出从单元到多元、从单色到多色、从线列到面阵的明显趋势。目前应用在军事和民用上的多元探测器阵列有两种显著的系统：扫描系统(scanning systems)和凝视系统(staring systems)。其区别在于扫描系统采用时间延迟积分(TDI)技术，通过串行方式对电信号进行读取；而凝视型系统则直接形成一张二维图像，采用并行方式对电信号进行读取。凝视型成像速度比扫描型成像速度快，但是成本高，电路也复杂。这些改进提高了输出信噪比，展宽了探测功能并简化了成像系统。最初人们只能以单个探测单元通过光机扫描的方式实现图像探测，即第一代红外系统；后来出现了探测像元数目在10⁴以上，且自带有信号读出电路的二维M×N元焦平面阵列(FPA)探测器，即第二代红外系统；现今集成了探测器后续信号处理电路，包括信号读出电路、前放、模数转换器等第三代大阵列焦平面已开始应用到军事和民用领域。图2简要地列出了上个世纪以来整个红外探测发展史上的重要进程。

图2 红外探测技术发展简图

目前红外光电探测器发展速度迅猛，种类繁多，已经覆盖到从近红外到长波红外大部分波段。在三个主要的“大气窗口”中，1~3μm短波红外波段是重要的一个波段，其广泛存在于自然界中，主要来源有自然环境反射、高温物体主动辐射、人造短波红外光源等。除可见光外夜光的大部分能量都集中在短波红外波段，因此可以利用自然反射的短波红外光进行短波红外成像。另外在该波段中，很多物质具有独特的光谱特性，如岩石、矿物中含有的氢氧根，农作物中的水，空气中的CO2、H2S、NH3、N2O等。因此短波红外探测在如了解资源分布、土壤水分检测、大气成分分析、农作物分析、军事侦察和监视、工业多光谱成像分析、红外预警和夜视成像等众多民用和军事领域有着广阔的应用前景。常见的用于制造短波红外焦平面探测器的材料包括HgCdTe、InGaAs、InAs/GaSb、PtSi 等。经过长时间研究和应用，基本上形成了HgCdTe、InGaAs领军，GaSb、PtSi 等其它材料百花齐放的格局。随着材料工艺和集成电路研究低不断深入，采用HgCdTe 和InGaAs 等材料制造的短波红外焦平面探测器已经商品化并已广泛应用于多种领域。相对于HgCdTe来说，InGaAs更容易生长质量控制和工艺处理，并且有对应的大直径和高质量III-V族衬底，因此InGaAs红外焦平面探测器在短波红外波段的应用具有不可估量的前景。

2. InGaAs红外探测器

三元系材料InxGa1-xAs是由GaAs和InAs形成的混合固溶体，为闪锌矿结构，属于直接带隙半导体，其能带随合金的变化而变化，如图3所示。InxGa1-xAs的禁带宽度从InAs的0.35eV(3.5μm)到GaAs的1.42eV(0.87μm)，晶格常数由InAs的6.06Å到GaAs的5.65Å。其中与InP衬底(晶格常数为5.87Å)晶格匹配的In0.53Ga0.47As禁带宽度为0.74eV(1.7μm)，目前已经在0.9-1.7μm波段得到广泛的应用，如光纤通信，夜视等。如果要探测更长一点的波段，比如检测农作物中水分的吸收峰1.9μm，就需要增加InxGa1-xAs中In 的组分，不过随之带来的问题是没有合适的衬底与其晶格匹配。一种有效的方法是采用InP衬底，通过在其上淀积缓冲层形成“赝衬底”，然后再生长InxGa1-xAs，不过这样依然无法得到非常高性能的材料，存在着很多位错。目前有很多基于此的研究工作，也取得了一些可喜的结果。

2.1 InGaAs器件

目前采用InxGa1-xAs材料的探测器有很多，如InGaAs光伏探测器，InGaAs雪崩探测器，InGaAs肖特基探测器和量子阱探测器等等。优化的探测器应该满足以下几点：轻掺杂吸收层；电极无暗电流贡献；吸收层表面不暴露；光生载流子远离表面等。异质结N⁺-p-P⁺和P⁺-n-n⁺光伏探测器可以满足以上几个条件，其结构在设计时简单，生长也方便。基于InxGa1-xAs吸收层的N⁺-p-P⁺或P⁺-n-n⁺光伏探测器，有时也称InxGa1-xAs PIN探测器。PIN 探测器材料可以通过MOCVD或者MBE等外延手段生长而成，器件目前主要有两种不同结构：台面型结构和平面型结构。台面型器件是在原位掺杂的P⁺-i-N⁺结构上通过刻蚀来隔离相邻的器件，这种方式的优点是工艺简单，重复性好，相邻器件之间的串音比较少；缺点是刻蚀使得器件侧面失去保护，器件的暗电流和噪声特性变差，因而需要有效的台面钝化技术，对于III-V化合物来说，目前还没有找到非常令人满意的钝化手段。平面型器件是在N-i-N⁺结构材料基础上采用离子注入或扩散的方法形成pn结，这种方法的优点是pn埋在材料内，与外界隔离从而暗电流和噪声相对较小；缺点是工艺较复杂并且像元之间可能存在较大的串音。

图3 InxGa1-xAs能带图及晶格常数与截止波长的关系

2.2 InGaAs焦平面研究进展及发展趋势

国外对InGaAs红外焦平面器件的研究起步比较早，许多厂商都已经拥有成熟的系列产品，例如美国Goodrich下属的无线传感公司，美国Judson公司，日本滨松公司等。这些公司在InGaAs红外焦平面器件研发和生产领域都拥有雄厚的技术实力。

美国Goodrich(SUI)公司作为一家专业研制InGaAs探测器的公司，已经形成一系列的探测器产品，产品性能也在国际上一直处于领先地位。目前Goodrich公司的产品包括波长在0.9-1.7μm的320×240，650×512，1024×1024，1280×1024等面阵及512、1024元线阵。同时还提供短波扩展的0.4-1.7μm、长波扩展1.1-2.2μm和1.1-2.6μm的面阵。2005年Alan. Hoffman等报道了该公司规模为1280×1024和1024×1204的平面型InGaAs短波红外焦平面探测器，响应波长为0.9-1.7μm，光敏元中心距离20μm，其中1024×1024焦平面器件的优值因子R0A为1.5×107Ωcm2(265K)和8×106Ωcm2 (280K)。2007年B. M. Onat报道了该公司在DARPA(Defense Advance Research Projects Agency)项目下的640×512面阵，光敏元间距为20μm，通过移除InP衬底，响应波长拓宽到0.4-1.7μm，暗电流降低到2nA/cm²。同时还计划制作1280×1024，光敏元间距为15μm，暗电流小于2nA/cm²的InGaAs焦平面，以实现在微弱的光照下对100m外的人进行成像。到了2011年，新出的红外相机产品GA1280J使用了1280×1024的焦平面，光敏元间距15μm，帧速30Hz，在1-1.6μm之间的量子效率>65%，室温平均探测率达到1.4×1013 cm Hz1/2/W，响应波长处于0.7-1.7μm，如图4所示。

图4 SUI公司的红外相机和GA1280J产品的响应曲线

日本滨松光子公司(Hamamatsu Photonics)也是高性能非制冷红外光电探测器的领先设计者和制造商之一。该公司的InGaAs探测器包括高性能标准的单元器件，相应波段为0.9-1.7μm，光敏元直径为200-5000μm，峰值量子效率高达88%。相比于以前的陶瓷封装，2011该公司推出G11193-03R则采用了新颖的塑性封装。向长波方向扩展的探测器，截止波长可以达到1.9，2.1和2.6μm。同时该公司还推出了一系列256，512和1024元的线阵，最小的光敏元间距达到25μm。目前512和1024元线阵已经应用到海洋光学的NIRQuest等光谱仪上。

国内也有很多研究机构从事InGaAs探测器的研究工作，虽然国内在这方面研究起步较晚，但近几年来取得了很大地进步，与国外的差距逐步减小。国内相关的研究机构包括中科院上海微系统与信息技术研究所，中科院上海技术物理所，中科院长春光学精密机械与物理研究所，重庆光电技术研究所等。其中上海微系统与信息技术研究所一直专注于InGaAs材料的研究，通过分子束外延技术手段，已成功生长出一系列不同截止波长的高质量InGaAs材料。上海技术物理研究所基于前者生长的材料成功研制了台面型256×1正入射线阵芯片，278K峰值探测器为1.3×1012cmHz^1/2/W，通过与两个128元读出电路互连测得室温下响应率不均匀性为13.9%，并得到比较清晰的扫描图像。另外该所还研制了512×1的平面型及台面型线阵，平均峰值探测率大于6.1×1011cm Hz^1/2/W。

未来InGaAs焦平面探测器的发展将会集中在以下几个方面：(1) 小光敏元、大规模阵列：为提高系统的性能，InGaAs探测器将向更大面阵和更长线阵的大方向发展，目前很多公司都拥有了1280×1024规模的面阵，光敏元间距也减小到15μm。根据ADRPA-PCAR-III的计划，光敏元的间距要进一步减小到10μm，目前XenICs公司公布的最新产品则已经将光敏元间距减少到12.5μm。(2) 低暗电流、低噪声和非制冷工作：随着红外成像系统与功耗等要求的提高，非制冷型探测器已经成为一个发展趋势，这要求器件在室温下的暗电流噪声越来越低。Goodrich等公司目前努力在减低暗电流小于2nA/cm²，甚至降低到1nA/cm²。(3) 多波段工作。多波段工作可以获取更丰富、更精准、更可靠的目标信息。对于InGaAs阵列来说，多色也是其发展的一个重要方向。