InGaAs探测器：先进航天遥感仪器之核心

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