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
3 中国科学院研究生院，北京 100039
系统研究了快速热退火对锌扩散的In0.53Ga0.47As/InP PIN探测器的影响。利用电化学电容电压和二次离子质谱技术分析了退火前后Zn和净受主的浓度分布，结果表明退火过程会影响杂质浓度，但不影响扩散深度。制备了不同退火条件的In0.53Ga0.47As/InP PIN探测器。器件测试反映，未退火的探测器在260~300K具有更低的器件电容和更高的激活能。通过暗电流成分拟合对器件暗电流机制进行分析，未退火器件表现出更低的肖克利-里德-霍尔产生复合电流和扩散电流，因而室温下未退火器件具有更高的峰值探测率。为了制备高性能低掺杂吸收层结构的平面型InGaAs探测器，快速热退火是不必要的工艺。
短波红外 铟镓砷探测器 快速热退火 扩散 shortwave infrared InGaAs detector rapid thermal annealing diffusion
1 哈尔滨理工大学 电气与电子工程学院，黑龙江 哈尔滨 150080
2 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
3 中国科学院上海技术物理研究所 红外物理国家重点实验室，上海 200083
研究了分子束外延生长条件对高铟组分InGaAs材料性能的影响，分析了生长温度、V/III比和As分子束形态对In0.74Ga0.26As材料光致发光和X射线衍射峰强度、本底载流子浓度和迁移率的影响。测试结果表明：适中的生长温度和V/III比可以提高材料晶格质量，减少非辐射复合，降低本底杂质浓度。As分子束为As2时In0.74Ga0.26As材料质量优于As4分子束。当生长温度为570 ℃，As分子束形态为As2，V/III比为18时，可以获得较高的光致发光和X射线衍射峰强度，室温和77 K下的本底载流子浓度分别达到6.3×1014 cm-3和4.0×1014 cm-3，迁移率分别达到13 400 cm2/Vs和45 160 cm2/Vs。
InGaAs 高铟组分 短波红外 分子束外延 迁移率 InGaAs high indium composition short-wave infrared molecular beam epitaxy（MBE） mobility
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
3 中国科学院大学，北京 100049
采用闭管扩散的方法成功研制了截止波长2.2 μm的平面型延伸波长InGaAs探测器芯片。在分子束外延法（MBE）生长的In0.75Al0.25As/ In0.75Ga0.25As/ In0.75Al0.25As外延材料上，采用砷化锌作为扩散掺杂源、SiNx作为扩散掩膜层，实现了扩散成结。分析了扩散结深和载流子侧向收集宽度、I-V特性、光谱响应特性和探测率，结果表明：150 K温度下，器件暗电流密度0.69 nA/cm2@-10 mV，响应截止波长和峰值波长分别为2.12 μm和1.97 μm，峰值响应率为1.29 A/W，峰值量子效率达82%，峰值探测率为1.01×1012 cmHz1/2/W。这些结果对后续进一步优化平面型延伸波长InGaAs焦平面探测器有重要的指导意义。
延伸波长 InAlAs/InGaAs 扩散 暗电流密度 量子效率 wavelength-extended InAlAs/InGaAs diffusion dark current density quantum efficiency
1 中国科学院上海技术物理研究所 传感器技术国家重点实验室，上海 200083
2 中国科学院上海技术物理研究所 红外成像材料与器件重点实验室，上海 200083
3 中国科学院大学，北京 100049
采用In0.74Al0.26As / In0.74Ga0.26As / InxAl1-xAs异质结构多层半导体作为半导体层，制备了金属-绝缘体-半导体（MIS）电容器。其中，SiNx和SiNx / Al2O3分别作为MIS电容器的绝缘层。高分辨率透射电子显微镜和X射线光电子能谱的测试结果表明，与通过电感耦合等离子体化学气相沉积生长的SiNx相比，通过原子层沉积生长的Al2O3可以有效地抑制Al2O3和In0.74Al0.26As界面的In2O3的含量。根据MIS电容器的电容-电压测量结果，计算得到SiNx / Al2O3 / In0.74Al0.26As的快界面态密度比SiNx / In0.74Al0.26As的快界面态密度低一个数量级。因此，采用原子层沉积生长的Al2O3作为钝化膜可以有效地降低Al2O3和In0.74Al0.26As之间的快界面态密度，从而降低In0.74Ga0.26As探测器的暗电流。
InAlAs 原子层沉积 Al2O3 SiNx 金属-绝缘体-半导体电容器 界面态密度 InAlAs ALD Al2O3 SiNx MIS capacitor interface state density
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 中国科学院上海技术物理研究所 中国科学院红外成像材料与器件重点实验室，上海 200083
围绕新一代遥感探测仪器应用需求，中国科学院上海技术物理研究所在短波红外InGaAs焦平面探测器领域取得了一系列进展。通过低缺陷外延材料、焦平面芯片制备工艺和低噪声读出电路技术研究，研制实现了最大规模达2560×2048元的10 μm中心距1~1.7 μm InGaAs焦平面探测器，峰值探测率优于1.0×1013 cmHz1/2/W，有效像素率达到99.7%；研制实现了1280×1024元15 μm中心距的1~2.5 μm延伸波长探测器，峰值探测率优于5.0×1011 cmHz1/2/W；发展了新体制新结构器件，研制了单片集成4向偏振功能的160×128元偏振焦平面探测器，消光比优于37：1；研制了64×64元盖革雪崩焦平面探测器，时间分辨率达到0.8 ns。
铟镓砷 焦平面 短波红外 暗电流 偏振探测 雪崩倍增 InGaAs focal plane array short wavelength infrared dark current polarization detection avalanche multiplication
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
高性能大规模小像元短波红外InGaAs焦平面探测器是新一代航天遥感仪器向高空间分辨率、高能量分辨率、高时间分辨率发展需要的核心器件。文中报道了高密度InGaAs探测器阵列设计与制备，并与匹配的Si-CMOS读出电路倒焊互连形成焦平面的最新研究进展，重点突破了高密度小像素探测器的暗电流和噪声抑制、百万像素焦平面倒焊互连等关键技术，解决了高平整度芯片面形控制、In柱凸点形貌和高度一致性控制、高密度倒焊偏移控制等倒焊新工艺，研制了像元中心距10 μm的2560×2048元焦平面探测器，其峰值探测率优于1.0×1013 cm·Hz1/2/W，响应不均匀性优于3%，有效像元率优于99.7%，动态范围优于120 dB。采用该焦平面进行了实验室演示成像，图片清晰。
InGaAs 焦平面 短波红外 探测率 暗电流 InGaAs focal plane short-wave infrared detectivity dark current 红外与激光工程
2022, 51(3): 20210941
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
3 中国科学院大学，北京 100049
为了获得低噪声铟镓砷（InGaAs）焦平面，需要采用高质量的非故意掺杂InGaAs（u-InGaAs）吸收层进行探测器的制备。采用闭管扩散方式，实现了Zn元素在u-InGaAs吸收层晶格匹配InP/In0.53Ga0.47As异质结构材料中的P型掺杂，利用扫描电容显微技术(SCM)对Zn在材料中的扩散过程进行了研究，结果表明，随着扩散温度和时间增加，p-n结结深显著增加，u-InGaAs吸收层材料的扩散界面相比较高吸收层浓度材料（5×1016 cm−3）趋于缓变。根据实验结果计算了530 ℃下Zn在InP中的扩散系数为1.27×10−12cm2/s。采用微波光电导衰退法(μ-PCD)提取了InGaAs吸收层的少子寿命为5.2 μs。采用激光诱导电流技术(LBIC)研究了室温下u-InGaAs吸收层器件的光响应分布，结果表明：有效光敏面积显著增大，对实验数据的拟合求出了少子扩散长度LD为63 μm，与理论计算基本一致。采用u-InGaAs吸收层研制的器件在室温(296 K)下暗电流密度为7.9 nA/cm2，变温测试得到激活能Ea为0.66 eV，通过拟合器件的暗电流成分，得到器件的吸收层少子寿命τp约为5.11 μs，与微波光电导衰退法测得的少子寿命基本一致。
Zn 扩散 结深 少子扩散长度 InGaAs Zn diffusion junction depth minority carrier diffusion length InGaAs 红外与激光工程
2021, 50(11): 20210073
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
短波红外InGaAs 焦平面探测器具有探测率高、均匀性好等优点, 在航天遥感、微光夜视、医疗诊断等领域具有广泛应用。近十年来, 中国科学院上海技术物理研究所围绕高灵敏度常规波长(0.9～1.7 μm)InGaAs焦平面、延伸波长(1.0～2.5 μm)InGaAs焦平面以及新型多功能InGaAs探测器取得了良好进展。在常规波长InGaAs焦平面方面, 从256×1、512×1元等线列向320×256、640×512、4 000×128、1 280×1 024元等多种规格面阵方面发展, 室温暗电流密度优于5 nA/cm2, 室温峰值探测率优于5×1012 cm·Hz1/2/W。在延伸波长InGaAs探测器方面, 发展了高光谱高帧频1 024×256、1 024×512元焦平面, 暗电流密度优于10 nA/cm2和峰值探测率优于5×1011 cm·Hz1/2/W@200 K。在新型多功能InGaAs探测器方面, 发展了一种可见近红外响应的InGaAs探测器, 通过具有阻挡层结构的新型外延材料和片上集成微纳陷光结构, 实现0.4～1.7 μm宽谱段响应, 研制的320×256、640×512焦平面组件的量子效率达到40%@0.5 m、80%@0.8 m、90%@1.55 m; 发展了片上集成亚波长金属光栅的InGaAs偏振探测器, 其在0 °、45 °、90 °、135 °的消光比优于20:1。
焦平面 短波红外 暗电流 探测率 InGaAs InGaAs FPAs SWIR dark current detectivity 红外与激光工程
2020, 49(1): 0103006
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 中国科学院上海技术物理研究所 红外成像材料与器件重点实验室, 上海 200083
3 中国科学院大学, 北京 100049
4 复旦大学, 上海 200433
采用ICP(inductively coupled plasma etching)刻蚀与湿法腐蚀相结合的方式, 研制了像元中心距为10 μm、截止波长2.6 μm的p-i-n型10 × 10元延伸波长InGaAs探测器.不同温度下的电流—电压特性研究和激活能分析, 显示了器件优异的暗电流特性.在室温下, -10 mV偏压时器件的暗电流和优质因子R0A分别为0.45 nA和14.7 Ω·cm2, 量子效率可达到63%.为了证实像元中心距减小并未影响器件性能, 与同种材料中心距30 μm的InGaAs焦平面阵列进行了对比分析.相似的实验结果进一步证明了工艺的可行性, 对今后实现高密度、大面阵延伸波长InGaAs探测器具有重要的指导意义.
延伸波长 InGaAs探测器 小像元 暗电流密度 量子效率 extended wavelength InGaAs detector small pixel dark current density quantum efficiency
1 传感技术国家重点实验室, 中国科学院上海技术物理研究所, 上海 200083
2 中国科学院红外成像材料与器件重点实验室, 中国科学院上海技术物理研究所, 上海 200083
3 中国科学院大学, 北京 100049
过去几十年中, 短波红外 InGaAs探测器被广泛用于近红外探测系统中, 通过将 InGaAs光电探测器与纳米光天线结合可以增强光吸收并提高量子效率。然而, 这种纳米光天线往往由聚焦离子束或电子束光刻制备而成, 制备成本较高。本文介绍了一种更经济的沉积法来制备纳米光天线。用沉积法制备了纳米 Ag颗粒阵列, Ag球平均半径为 200 nm。研究了 Ag纳米球阵列的表面等离子体效应对 InGaAs光电探测器光吸收性能的影响, 发现在整个近红外波段, InGaAs光电探测器帽层的透过率均显著提高。并且发现 SiO2涂层激发了局域表面等离子体共振, 分析了其对波长 1 .m附近的入射光的透过率增强效应。
InGaAs光电探测器 纳米光天线 表面等离子体 InGaAs photodetectors optical nano-antenna surface plasmas
