高性能短波红外InGaAs焦平面探测器研究进展

邵秀梅，龚海梅，李 雪，方家熊，唐恒敬，李 淘，黄松垒，黄张成



高性能短波红外InGaAs焦平面探测器研究进展

邵秀梅1,2，龚海梅1,2，李 雪1,2，方家熊1,2，唐恒敬1,2，李 淘1,2，黄松垒1,2，黄张成1,2

（1.中国科学院上海技术物理研究所传感技术国家重点实验室，上海 200083；2.中国科学院红外成像材料与器件重点实验室，上海 200083）

中科院上海技物所近十年来开展了高性能短波红外InGaAs焦平面探测器的研究。0.9～1.7mm近红外InGaAs焦平面探测器已实现了256×1、512×1、1024×1等多种线列规格，以及320×256、640×512、4000×128等面阵，室温暗电流密度＜5nA/cm2，室温峰值探测率优于5×1012cm×Hz1/2/W。同时，开展了向可见波段拓展的320×256焦平面探测器研究，光谱范围0.5～1.7mm，在0.8mm的量子效率约20%，在1.0mm的量子效率约45%。针对高光谱应用需求，上海技物所开展了1.0～2.5mm短波红外InGaAs探测器研究，暗电流密度小于10nA/cm2@200K，形成了512×256、1024×128等多规格探测器，峰值量子效率高于75%，峰值探测率优于5×1011cm×Hz1/2/W。

InGaAs；焦平面；短波红外；暗电流；探测率

0 引言

短波红外探测在航天遥感、微光夜视、军事侦察、空间天文等领域有重要需求[1-2]。In1－GaAs是III-V族直接带隙半导体材料，具有体系稳定、器件制备工艺过程与Si工艺兼容、材料与器件的抗辐照性能好的特点[3]。当In组分为0.53时，In0.53Ga0.47As和InP衬底可以实现完全晶格匹配，有利于生长出高质量的外延材料。短波红外InGaAs探测器具有近室温工作、高量子效率、低暗电流和良好的抗辐照特性等优点，成为高灵敏度、低功耗、小型化、高可靠性短波红外系统的理想选择。

近年来，美国国防部国防高级研究计划局（DARPA）相继执行了多个计划，开展高性能InGaAs短波红外焦平面探测器研究[4-8]。美国GoodRich公司在InGaAs焦平面探测器的研发和短波红外成像方面处于世界领先的地位，2012年该公司被全球军工销售排名前十位的美国UTC Aerospace Systems公司并购，目前正在向多规格、高性能、多领域应用方向发展。2015年，UTC Aerospace Systems公司推出了640 CSX型微型低功耗短波红外InGaAs成像机芯，重量小于45g，功耗小于1.5W，其核心器件640×512焦平面的像元尺寸为12.5mm×12.5mm，目前正在向军民领域推广应用[9]。

此外，美国Teledyne Technologies公司下属的Judson公司[10]、比利时XenICs公司[11]、日本Hamamatsu公司等也长期致力于InGaAs焦平面探测器的研制与应用，法国Sofradir公司于2012年底将法国III-V实验室关于短波红外InGaAs焦平面探测器的研究进行了技术转移，现已推出Cactus 640 SW、Snake SW等多款相应的InGaAs焦平面探测器产品[12]。

近十年来，中科院上海技物所联合国内相关单位致力于短波红外InGaAs探测器的研究，在0.9～1.7mm近红外InGaAs焦平面探测器、1.0～2.5mm短波红外InGaAs焦平面探测器方面均取得了一系列重要进展[13-17]，从2010年的256×1、512×1、1024×1近红外线列焦平面发展到320×256、640×512、4000×128等面阵焦平面，器件响应光谱向可见波段0.5mm拓展、长波2.5mm拓展，器件暗电流水平不断降低，探测率指标逐步提升。在推进自研InGaAs焦平面探测器在航天有效载荷应用的同时，积极开展其在军民领域的工程化拓展应用，实现了320×256、640×512、256×1等规模的焦平面探测器组件的批量生产，形成了重量小于350g的微型近红外相机，在透水汽、雾霾、晨昏微光等恶劣条件下展现出优良的成像效果。

1 0.9～1.7mm近红外InGaAs焦平面探测器

1.1 暗电流与噪声研究

针对0.9～1.7mm近红外InGaAs焦平面探测器，为进一步提高探测器的性能，开展了小光敏元探测器暗电流抑制研究。明确近红外InGaAs探测器的暗电流机理，通过优化器件结构设计和有效钝化技术，实现器件暗电流的降低，室温下暗电流密度从2006年的2mA/cm2下降到5nA/cm2，如图1所示，接近国际先进水平，暗电流主要来源为探测器的扩散电流，有效地抑制了产生复合电流和表面漏电流。

图1 近红外InGaAs探测器暗电流密度

为了抑制近红外InGaAs焦平面探测器的噪声，研究降低焦平面读出电路噪声的方法，提出了提高电路的负载电容和降低输入端失调电压的方式，降低来自输入级放大器的热噪声。将CCD噪声模型中的PTC分析曲线，引入到CMOS耦合的近红外InGaAs焦平面中（见图2），并推导了焦平面探测器噪声电压与积分时间的关系，见图3。明确了不同积分时间区域内，近红外InGaAs焦平面探测器的噪声主要来源，从图中可以看出，积分时间10ms之前，噪声基本以读出噪声为主。扣除读出噪声后，计算得到光敏芯片自身的噪声，其斜率为0.476，接近0.5。

图2 近红外InGaAs探测器噪声模型

1.2 高密度低串音研究

为了提高近红外InGaAs焦平面探测器的成像质量，开展了调制传递函数MTF研究，分析了器件的串音与MTF间的关系。采用激光诱导电流（LBIC）进行器件串音研究，分析了串音的主要来源，优化材料与器件结构，有效抑制器件串音（见图4）。为了满足测试需求，成功搭建了InGaAs焦平面探测器的串音、MTF专用测试系统，可满足不同规格焦平面探测器的测试需求。对8元线列InGaAs焦平面器件进行了测试，器件串音值为3%，MTF优于0.5，如图5所示。

图3 焦平面探测器噪声电压与积分时间的关系

1.3 可见-近红外焦平面

关于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，将可见光和短波红外探测集成到一个探测器芯片，可大大简化成像系统，成为微光成像的理想选择。

研制了具有阻挡层结构的320×256面阵焦平面，开展了光谱拓展研究，生长了针对可见波段的增透膜，使用单色仪系统对器件的响应光谱进行测量，经过标准探测器进行光谱校正，得到的归一化相对响应光谱如图6所示，器件在0.5～1.0mm波段的相对响应有所提高。通过标准器件校正后得到可见波段的量子效率，器件在0.8mm的量子效率约20%，在1.0mm的量子效率约45%，器件在可见波段的量子效率得到明显提升。

图4 LBIC测试研究线列器件的有效光敏区

图5 8×1元近红外InGaAs探测器串音与MTF测试

对器件进行了-特性测量，测量温度为室温293K，器件在衬底减薄前后的-特性曲线如图7所示。在光谱拓展前后，器件正向电流的理想因子均接近1，以扩散电流成分为主，暗电流基本没有变化。

经过对编号为F60-320-2的320×256焦平面综合性能测试，发现该焦平面探测器在光谱拓展后，盲元率有小幅增加，器件的响应非均匀性略有增大（见表1）。

1.4 近红外焦平面探测器的多规模发展

在应用需求的牵引下，近室温近红外InGaAs焦平面探测器的规模不断提升，从2010年的256×1、512×1、1024×1近红外线列焦平面发展到320×256、640×512、4000×128等面阵焦平面，开展了相应的高可靠性封装技术研究。特别针对超长大规模组件，在封装零部件平行度和平面度检测基础上，开展高精度组装工艺方法研究，在4000×128大规模组件封装上，实现横向对中偏差≤10mm。

中科院上海技物所已实现了800×2、320×256、640×512、1024×128、4000×128等多个规格的近红外InGaAs探测器组件（见图8），形成了近红外焦平面探测器组件的系列化。目前，已有部分产品应用于航天工程项目，通过了相关可靠性试验。0.9～1.7mm近红外InGaAs探测器组件的室温暗电流密度小于5nA/cm2，室温峰值探测率优于5×1012cm×Hz1/2/W。

图6 衬底减薄前后的归一化响应光谱

表1 320×256焦平面探测器在衬底减薄前后的性能对比

图8 上海技物所近红外InGaAs焦平面探测器组件

2 1.0～2.5mm短波红外InGaAs焦平面探测器

2.1 延伸波长探测器的暗电流抑制

在应用需求的牵引下，关于InGaAs探测器研究的热点和难点是将光谱响应范围向2.5mm波长延伸，发展高性能1.0～2.5mm短波红外InGaAs探测器成为一个重要研究发展方向。上海技物所在高In组分外延材料验证、器件暗电流机理、低频噪声机理以及器件工艺新方法等方面开展了创新研究，取得了显著进展。目前，已获得了截止波长为2.5mm的高In组分InGaAs探测器，暗电流密度降低至10nA/cm2@200K（见图9），优于国际同类探测器公开报道的水平（见图10）。分析了器件的暗电流机制，在220K以上，以扩散电流为主导；220K以下，以欧姆电流和复合电流为主导。

通过优化器件钝化工艺，有利于进一步降低器件的表面复合电流。同时，研究了不同钝化工艺对器件低频噪声的影响。图11是两种器件在0.1～0.5V反向偏压下的低频噪声谱，可以看出，优化后的钝化工艺降低了器件的1/噪声。MIS器件的研究结果表明（见图12、图13），优化的钝化方法主要降低了慢界面态，器件慢界面态密度从3.61×1012cm－2降低为1.74×1012cm－2。而已有报道表明，慢界面态的降低会导致1/噪声的降低，与低频噪声研究结果一致。

图9 2.5mm短波红外InGaAs暗电流密度

图10 2.5mm短波红外InGaAs暗电流变温特性

图11 2.5mm短波红外器件在不同偏压下的低频噪声谱

2.2 短波红外探测器的高帧频研究

为实现焦平面的高帧频应用，研究了延伸波长InGaAs匹配读出电路的设计。针对延伸波长InGaAs器件暗电流随偏置电压变化较大的特点，其输入级运放采用了对称结构以减小输入失调电压；采用四路同步输出以提高帧频；电路可工作在先积分后读出模式（ITR），或者边积分边读出模式（IWR）。明确了InGaAs焦平面弱信号的高帧频读出的技术方案，采用多路输出等技术设计制备了高帧频低噪声512×256元、以及单片1024×128元读出电路。

为了测试读出电路的最大读出速率，改变列时钟的频率，从200kHz增加到4MHz、24MHz，此时面阵的帧频分别为1.4Hz、27Hz、164Hz。通过示波器观察模块的输出波形。时钟频率越高时，上升沿与下降沿时间（r＋f）占时钟周期的比例越大，但在帧频164Hz下输出信号没有明显的变形。示波器测试电路正常工作状态结果如图14所示，可见帧频可达158Hz。

图12 两种MIS器件在不同扫面偏压范围内C-V回滞曲线

图13 界面态密度在禁带中的分布

图14 示波器测试帧频达到158Hz

2.3 短波红外探测器组件进展及应用

中科院上海技物所已实现了640×1、512×256、1024×256等多个规格的1.0～2.5mm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5×1011cm×Hz1/2/W。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。

3 小结

本文介绍了中科院上海技物所在短波红外InGaAs探测器方面的研究进展。0.9～1.7mm近红外InGaAs焦平面探测器已实现了800×2、320×256、640×512、1024×128、4000×128等多个规格的线列与面阵焦平面组件，室温暗电流密度小于5nA/cm2，室温峰值探测率优于5×1012cm×Hz1/2/W。同时，开展了向可见波段拓展的320×256焦平面探测器研究，光谱范围0.5～1.7mm，在0.8mm的量子效率约20%，在1.0mm的量子效率约45%。开展了1.0～2.5mm短波红外InGaAs探测器研究，暗电流密度＜10nA/cm2@200K，形成了640×1、512×256、1024×128等多规格探测器，峰值量子效率高于75%，峰值探测率优于5×1011cm×Hz1/2/W。

致谢

特别感谢中国科学院上海微系统与信息技术研究所张永刚研究员课题团队、中国科学院长春光学精密机械与物理研究所缪国庆研究员课题团队、中国科学院半导体研究所韦欣研究员课题团队在延伸波长InGaAs外延材料方面的支持。

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Developments of High Performance Short-wave Infrared InGaAs Focal Plane Detectors

SHAO Xiumei1,2，GONG Haimei1,2，LI Xue1,2，FANG Jiaxiong1,2，TANG Hengjing1,2，LI Tao1,2，HUANG Songlei1,2，HUANG Zhangchen1,2

(1.,,,200083,; 2.,,,200083,)

High performance SWIR InGaAs FPAs have been studied in Shanghai Institute of Technical Physics (SITP) over the past ten years. Some typical linear 256×1, 512×1, 1024×1 FPAs and 2D format 320×256, 640×512, 4000×128 FPAs were obtained with relative spectral response in the range of 0.9mm to 1.70mm. The dark current density is about 5nA/cm2and the peak detectivity is superior to 5×1012cmHz1/2/W at room temperature. At the same time, 320×256 InGaAs FPAs with response extended to visible wavelength band have been studied and fabricated. The results indicated that the response of the FPAs covered the wavelength band from 0.5mm to 1.70mm. Quantum efficiency is approximately 20% at 0.8mm, and 45% at 1.0mm. The extended InGaAs FPAs with the response wavelength from 1.0mm to 2.5mm were also focused in SITP for hyperspectral applications. The dark current density dropped to about 10nA/cm2at 200K. 2D format 512×256, 1024×128 extended InGaAs FPAs were developed with peak detectivity superior to 5×1012cmHz1/2/W and quantum efficiency superior to 75%.

InGaAs，FPAs，SWIR，dark current，detectivity

TN215

A

1001-8891(2016)08-0629-07

2016-07-12；

2016-07-29.

邵秀梅，（1978-），女，研究员，博士，主要从事红外探测器研究，E-mail：shaoxm@mail.sitp.ac.cn。

龚海梅，（1965-），男，研究员，博士生导师，长期从事红外探测器研究工作，E-mail：hmgong@mail.sitp.ac.cn。 李雪，（1976-），女，研究员，博士生导师，主要从事红外探测器研究，E-mail：lixue@mail.sitp.ac.cn。

国家重点基础研究发展计划（2012CB619200），国家自然科学基金（61376052，61475179）。