红外与激光工程
2023, 52(4): 20220655
1 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
2 上海科技大学 信息学院，上海 201210
本文基于长波InAs / GaSb II类超晶格红外焦平面阵列（Focal Plane Array，FPA）设计和生长了由ZnS和Ge组成的多层薄膜结构。与没有多层薄膜的FPA相比，多层薄膜使其响应峰位置从8.7 μm和10.3 μm分别移动到9.8 μm和11.7 μm，50％响应截止波长从11.6 μm移动至12.3 μm，并且在波长为12 μm处的响应强度增加了69％。总之，优化的多层薄膜可以调控FPA的响应波长，这为实现更高灵敏度和更高成像能力的长波红外探测提供了更好的平台。
II类超晶格 焦平面阵列 多层薄膜 响应调控 Type-II superlattices FPAs multi-coatings tunable response
吕衍秋 1,2,3,*彭震宇 1,2,3曹先存 1,2,3何英杰 1,3[ ... ]朱旭波 1,2,3
1 中国空空导弹研究院, 河南 洛阳 471099
2 红外探测器技术航空科技重点实验室, 河南 洛阳 471099
3 河南省锑化物红外探测器工程技术研究中心, 河南 洛阳 471099
InAs/GaSb超晶格材料制备的新型红外器件在最近十几年得到了迅速发展。文中开展了InAs/GaSb二类超晶格中/短波双色焦平面探测器组件研制, 设计了中/短波双色叠层背靠背二极管芯片结构, 用分子束外延技术生长出结构完整、表面平整、低缺陷密度的PNP结构超晶格材料, 制备出性能优良的320×256双色焦平面探测器组件, 对探测器组件进行了测试分析。结果显示, 在77 K下中波二极管RA值达到26.0 kΩ·cm2, 短波的RA值为562 kΩ·cm2。光谱响应特性表明短波响应波段为1.7~3 μm, 中波为3~5 μm, 满足设计要求。双色峰值探测率达到中波3.12×1011 cm·Hz1/2W-1, 短波1.34×1011 cm·Hz1/2W-1。响应非均匀性中波为9.9%, 短波为9.7%。中波有效像元率为98.46%, 短波为98.06%。
InAs/GaSb超晶格 双色 中短波 焦平面阵列 红外探测器 InAs/GaSb superlattice dual-color mid-/short-wavelength FPAs infrared detector 红外与激光工程
2020, 49(1): 0103007
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 中国空空导弹研究院, 河南 洛阳 471099
2 红外探测器技术航空科技重点实验室, 河南 洛阳 471099
InAs/GaSb超晶格材料已经成为了第三代红外焦平面探测器的优选材料。开展了InAs/GaSb二类超晶格中/短波双色焦平面探测器器件结构设计、材料外延、芯片制备, 对钝化方法进行了研究, 制备出性能优良的320×256双色焦平面探测器。首先以双色叠层背靠背二极管电压选择结构作为基本结构, 设计了中/短波双色芯片结构, 然后采用分子束外延技术生长出结构完整、表面平整、低缺陷密度的PNP结构超晶格材料。采用硫化与SiO2复合钝化方法, 最终制备的器件在77 K下中波二极管的RA值达到13.6 kΩ·cm2, 短波达到538 kΩ·cm2。光谱响应特性表明短波响应波段为1.7~3 μm, 中波为3~5 μm。双色峰值探测率达到中波3.7×1011 cm·Hz1/2W-1以上, 短波2.2×1011 cm·Hz1/2W-1以上。响应非均匀性中波为9.9%, 短波为9.7%。中波有效像元率为98.46%, 短波为98.06%。
InAs/GaSb超晶格 双色 中短波 焦平面阵列 红外探测器 InAs/GaSb superlattice dual-color mid-/short-wavelength FPAs infrared detector 红外与激光工程
2019, 48(11): 1104001
1 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
2 中国科学院大学, 北京 100049
报道了采用Cl2/N2电感耦合等离子(ICP)组合体刻蚀工艺在InAs/GaSb II类超晶格红外焦平面台面加工过程中的研究结果, 实验采用分子束外延技术在GaSb衬底上生长的PIN型超晶格材料。结果表明, 气体流量比例直接对刻蚀速率和刻蚀形貌产生影响, 氯气含量越高, 刻蚀速率越大, 当氮气含量增加, 刻蚀速率降低并趋于一定值。当氯气和氮气的流量比例和等离子腔体内压力等参数一定时, 随着温度升高, 刻蚀速率和选择比在有限范围内同时线性增大, 台面的倾角趋于直角, 台面轮廓层状纹理逐渐消失, 但沟道内变得粗糙不平, 并出现坑点。在实验研究范围内, 电感耦合等离子源的ICP功率和RF功率对刻蚀结果产生的影响较小。
电感耦合等离子 刻蚀 焦平面 inductively coupled plasma(ICP) etching InAs/GaSb II类超晶格 InAs/GaSb superlattices focal plane arrays (FPAs) 红外与毫米波学报
2019, 38(2): 02171
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。0.9～1.7 ?m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＜5 nA/cm2，室温峰值探测率优于5×1012 cm?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0.5～1.7 ?m，在0.8 ?m 的量子效率约20%，在1.0 ?m 的量子效率约45%。针对高光谱应用需求，上海技物所开展了1.0～2.5?m 短波红外InGaAs 探测器研究，暗电流密度小于10 nA/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5×1011 cm?Hz1/2/W。
焦平面 短波红外 暗电流 探测率 InGaAs InGaAs FPAs SWIR dark current detectivity
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033
2 中国科学院大学,北京 100049
为提高成像光谱仪的工作波长范围，提出了基于双波段焦平面探测器(FPAs)的双衍射级次全共路Offner成像光谱仪结构。该结构中凸面光栅的一级衍射光和二级衍射光完全重叠共路传输，并可由焦平面处的双波段红外焦平面探测器IR FPAs实现级次的自然分离和同时探测。分析了该结构的工作原理和设计方法，基于几何光线追迹法仿真了谱线弯曲和色畸变特性，基于Huygens点扩散函数(PSF)仿真了光谱响应函数(SRF)并导出了光谱带宽。实验显示: 双衍射级次共路Offner成像光谱仪的工作波段为3~6 μm(二级衍射)和6~12 μm(一级衍射)，谱线弯曲和色畸变均小于0.5个像元宽度，光谱带宽分别为13.2~14.3 nm(二级衍射)和28.3~33.3 nm(一级衍射)，两个工作波段内的衍射效率均大于或等于20%。整个系统结构简单紧凑、光谱范围宽，满足对地物或深空目标的中等分辨率的中远红外光谱探测需求。
成像光谱仪 双衍射级次 共光路探测 双波段红外焦平面探测器(IR FPAs) imaging spectrometer dual-order overlapped common-path detection dual-band IR Focal Plane Array(FPA)
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 红外成像材料和器件重点实验室， 上海 200083
采用分子束外延方法生长的PIN型InP/InGaAs/InP双异质结材料制备了正照射256×1元近红外探测器，并与128×1奇偶两路读出电路互连，制备了近红外256×1元焦平面探测器.针对近红外InGaAs焦平面探测器中的无效像元问题，通过光学显微镜、扫描电镜和电学测试将无效像元进行分类，并分析了无效像元产生的原因.研究结果表明光敏芯片较低的零偏电阻、键压过程引入的损伤和虚焊以及钝化膜侧面覆盖较薄导致了无效像元的产生，通过光敏芯片设计结构改进和钝化膜工艺优化，消除了近红外256×1元InGaAs焦平面探测器的无效像元.
近红外 焦平面 无效像元 near-infrared FPAs inoperable pixel
Dept. of Optoelectron. Eng., Huazhong University of Sci. and Techn., Wuhan 430074, CHN
