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