高性能短波紅外InGaAs焦平面探測(cè)器研究進(jìn)展

邵秀梅，龔海梅，李 雪，方家熊，唐恒敬，李 淘，黃松壘，黃張成

?

高性能短波紅外InGaAs焦平面探測(cè)器研究進(jìn)展

邵秀梅1,2，龔海梅1,2，李 雪1,2，方家熊1,2，唐恒敬1,2，李 淘1,2，黃松壘1,2，黃張成1,2

（1.中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所傳感技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200083；2.中國(guó)科學(xué)院紅外成像材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200083）

中科院上海技物所近十年來開展了高性能短波紅外InGaAs焦平面探測(cè)器的研究。0.9～1.7mm近紅外InGaAs焦平面探測(cè)器已實(shí)現(xiàn)了256×1、512×1、1024×1等多種線列規(guī)格，以及320×256、640×512、4000×128等面陣，室溫暗電流密度＜5nA/cm2，室溫峰值探測(cè)率優(yōu)于5×1012cm×Hz1/2/W。同時(shí)，開展了向可見波段拓展的320×256焦平面探測(cè)器研究，光譜范圍0.5～1.7mm，在0.8mm的量子效率約20%，在1.0mm的量子效率約45%。針對(duì)高光譜應(yīng)用需求，上海技物所開展了1.0～2.5mm短波紅外InGaAs探測(cè)器研究，暗電流密度小于10nA/cm2@200K，形成了512×256、1024×128等多規(guī)格探測(cè)器，峰值量子效率高于75%，峰值探測(cè)率優(yōu)于5×1011cm×Hz1/2/W。

InGaAs；焦平面；短波紅外；暗電流；探測(cè)率

0 引言

短波紅外探測(cè)在航天遙感、微光夜視、軍事偵察、空間天文等領(lǐng)域有重要需求[1-2]。In1－GaAs是III-V族直接帶隙半導(dǎo)體材料，具有體系穩(wěn)定、器件制備工藝過程與Si工藝兼容、材料與器件的抗輻照性能好的特點(diǎn)[3]。當(dāng)In組分為0.53時(shí)，In0.53Ga0.47As和InP襯底可以實(shí)現(xiàn)完全晶格匹配，有利于生長(zhǎng)出高質(zhì)量的外延材料。短波紅外InGaAs探測(cè)器具有近室溫工作、高量子效率、低暗電流和良好的抗輻照特性等優(yōu)點(diǎn)，成為高靈敏度、低功耗、小型化、高可靠性短波紅外系統(tǒng)的理想選擇。

近年來，美國(guó)國(guó)防部國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）相繼執(zhí)行了多個(gè)計(jì)劃，開展高性能InGaAs短波紅外焦平面探測(cè)器研究[4-8]。美國(guó)GoodRich公司在InGaAs焦平面探測(cè)器的研發(fā)和短波紅外成像方面處于世界領(lǐng)先的地位，2012年該公司被全球軍工銷售排名前十位的美國(guó)UTC Aerospace Systems公司并購(gòu)，目前正在向多規(guī)格、高性能、多領(lǐng)域應(yīng)用方向發(fā)展。2015年，UTC Aerospace Systems公司推出了640 CSX型微型低功耗短波紅外InGaAs成像機(jī)芯，重量小于45g，功耗小于1.5W，其核心器件640×512焦平面的像元尺寸為12.5mm×12.5mm，目前正在向軍民領(lǐng)域推廣應(yīng)用[9]。

此外，美國(guó)Teledyne Technologies公司下屬的Judson公司[10]、比利時(shí)XenICs公司[11]、日本Hamamatsu公司等也長(zhǎng)期致力于InGaAs焦平面探測(cè)器的研制與應(yīng)用，法國(guó)Sofradir公司于2012年底將法國(guó)III-V實(shí)驗(yàn)室關(guān)于短波紅外InGaAs焦平面探測(cè)器的研究進(jìn)行了技術(shù)轉(zhuǎn)移，現(xiàn)已推出Cactus 640 SW、Snake SW等多款相應(yīng)的InGaAs焦平面探測(cè)器產(chǎn)品[12]。

近十年來，中科院上海技物所聯(lián)合國(guó)內(nèi)相關(guān)單位致力于短波紅外InGaAs探測(cè)器的研究，在0.9～1.7mm近紅外InGaAs焦平面探測(cè)器、1.0～2.5mm短波紅外InGaAs焦平面探測(cè)器方面均取得了一系列重要進(jìn)展[13-17]，從2010年的256×1、512×1、1024×1近紅外線列焦平面發(fā)展到320×256、640×512、4000×128等面陣焦平面，器件響應(yīng)光譜向可見波段0.5mm拓展、長(zhǎng)波2.5mm拓展，器件暗電流水平不斷降低，探測(cè)率指標(biāo)逐步提升。在推進(jìn)自研InGaAs焦平面探測(cè)器在航天有效載荷應(yīng)用的同時(shí)，積極開展其在軍民領(lǐng)域的工程化拓展應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了320×256、640×512、256×1等規(guī)模的焦平面探測(cè)器組件的批量生產(chǎn)，形成了重量小于350g的微型近紅外相機(jī)，在透水汽、霧霾、晨昏微光等惡劣條件下展現(xiàn)出優(yōu)良的成像效果。

1 0.9～1.7mm近紅外InGaAs焦平面探測(cè)器

1.1 暗電流與噪聲研究

針對(duì)0.9～1.7mm近紅外InGaAs焦平面探測(cè)器，為進(jìn)一步提高探測(cè)器的性能，開展了小光敏元探測(cè)器暗電流抑制研究。明確近紅外InGaAs探測(cè)器的暗電流機(jī)理，通過優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和有效鈍化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)器件暗電流的降低，室溫下暗電流密度從2006年的2mA/cm2下降到5nA/cm2，如圖1所示，接近國(guó)際先進(jìn)水平，暗電流主要來源為探測(cè)器的擴(kuò)散電流，有效地抑制了產(chǎn)生復(fù)合電流和表面漏電流。

圖1 近紅外InGaAs探測(cè)器暗電流密度

為了抑制近紅外InGaAs焦平面探測(cè)器的噪聲，研究降低焦平面讀出電路噪聲的方法，提出了提高電路的負(fù)載電容和降低輸入端失調(diào)電壓的方式，降低來自輸入級(jí)放大器的熱噪聲。將CCD噪聲模型中的PTC分析曲線，引入到CMOS耦合的近紅外InGaAs焦平面中（見圖2），并推導(dǎo)了焦平面探測(cè)器噪聲電壓與積分時(shí)間的關(guān)系，見圖3。明確了不同積分時(shí)間區(qū)域內(nèi)，近紅外InGaAs焦平面探測(cè)器的噪聲主要來源，從圖中可以看出，積分時(shí)間10ms之前，噪聲基本以讀出噪聲為主?？鄢x出噪聲后，計(jì)算得到光敏芯片自身的噪聲，其斜率為0.476，接近0.5。

圖2 近紅外InGaAs探測(cè)器噪聲模型

1.2 高密度低串音研究

為了提高近紅外InGaAs焦平面探測(cè)器的成像質(zhì)量，開展了調(diào)制傳遞函數(shù)MTF研究，分析了器件的串音與MTF間的關(guān)系。采用激光誘導(dǎo)電流（LBIC）進(jìn)行器件串音研究，分析了串音的主要來源，優(yōu)化材料與器件結(jié)構(gòu)，有效抑制器件串音（見圖4）。為了滿足測(cè)試需求，成功搭建了InGaAs焦平面探測(cè)器的串音、MTF專用測(cè)試系統(tǒng)，可滿足不同規(guī)格焦平面探測(cè)器的測(cè)試需求。對(duì)8元線列InGaAs焦平面器件進(jìn)行了測(cè)試，器件串音值為3%，MTF優(yōu)于0.5，如圖5所示。

圖3 焦平面探測(cè)器噪聲電壓與積分時(shí)間的關(guān)系

1.3 可見-近紅外焦平面

關(guān)于InGaAs探測(cè)器研究的一個(gè)重要方向是將光譜響應(yīng)范圍向可見波段拓展，將可見光和短波紅外探測(cè)集成到一個(gè)探測(cè)器芯片，可大大簡(jiǎn)化成像系統(tǒng)，成為微光成像的理想選擇。

研制了具有阻擋層結(jié)構(gòu)的320×256面陣焦平面，開展了光譜拓展研究，生長(zhǎng)了針對(duì)可見波段的增透膜，使用單色儀系統(tǒng)對(duì)器件的響應(yīng)光譜進(jìn)行測(cè)量，經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器進(jìn)行光譜校正，得到的歸一化相對(duì)響應(yīng)光譜如圖6所示，器件在0.5～1.0mm波段的相對(duì)響應(yīng)有所提高。通過標(biāo)準(zhǔn)器件校正后得到可見波段的量子效率，器件在0.8mm的量子效率約20%，在1.0mm的量子效率約45%，器件在可見波段的量子效率得到明顯提升。

圖4 LBIC測(cè)試研究線列器件的有效光敏區(qū)

圖5 8×1元近紅外InGaAs探測(cè)器串音與MTF測(cè)試

對(duì)器件進(jìn)行了-特性測(cè)量，測(cè)量溫度為室溫293K，器件在襯底減薄前后的-特性曲線如圖7所示。在光譜拓展前后，器件正向電流的理想因子均接近1，以擴(kuò)散電流成分為主，暗電流基本沒有變化。

經(jīng)過對(duì)編號(hào)為F60-320-2的320×256焦平面綜合性能測(cè)試，發(fā)現(xiàn)該焦平面探測(cè)器在光譜拓展后，盲元率有小幅增加，器件的響應(yīng)非均勻性略有增大（見表1）。

1.4 近紅外焦平面探測(cè)器的多規(guī)模發(fā)展

在應(yīng)用需求的牽引下，近室溫近紅外InGaAs焦平面探測(cè)器的規(guī)模不斷提升，從2010年的256×1、512×1、1024×1近紅外線列焦平面發(fā)展到320×256、640×512、4000×128等面陣焦平面，開展了相應(yīng)的高可靠性封裝技術(shù)研究。特別針對(duì)超長(zhǎng)大規(guī)模組件，在封裝零部件平行度和平面度檢測(cè)基礎(chǔ)上，開展高精度組裝工藝方法研究，在4000×128大規(guī)模組件封裝上，實(shí)現(xiàn)橫向?qū)χ衅睢?0mm。

中科院上海技物所已實(shí)現(xiàn)了800×2、320×256、640×512、1024×128、4000×128等多個(gè)規(guī)格的近紅外InGaAs探測(cè)器組件（見圖8），形成了近紅外焦平面探測(cè)器組件的系列化。目前，已有部分產(chǎn)品應(yīng)用于航天工程項(xiàng)目，通過了相關(guān)可靠性試驗(yàn)。0.9～1.7mm近紅外InGaAs探測(cè)器組件的室溫暗電流密度小于5nA/cm2，室溫峰值探測(cè)率優(yōu)于5×1012cm×Hz1/2/W。

圖6 襯底減薄前后的歸一化響應(yīng)光譜

表1 320×256焦平面探測(cè)器在襯底減薄前后的性能對(duì)比

圖8 上海技物所近紅外InGaAs焦平面探測(cè)器組件

2 1.0～2.5mm短波紅外InGaAs焦平面探測(cè)器

2.1 延伸波長(zhǎng)探測(cè)器的暗電流抑制

在應(yīng)用需求的牽引下，關(guān)于InGaAs探測(cè)器研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)是將光譜響應(yīng)范圍向2.5mm波長(zhǎng)延伸，發(fā)展高性能1.0～2.5mm短波紅外InGaAs探測(cè)器成為一個(gè)重要研究發(fā)展方向。上海技物所在高In組分外延材料驗(yàn)證、器件暗電流機(jī)理、低頻噪聲機(jī)理以及器件工藝新方法等方面開展了創(chuàng)新研究，取得了顯著進(jìn)展。目前，已獲得了截止波長(zhǎng)為2.5mm的高In組分InGaAs探測(cè)器，暗電流密度降低至10nA/cm2@200K（見圖9），優(yōu)于國(guó)際同類探測(cè)器公開報(bào)道的水平（見圖10）。分析了器件的暗電流機(jī)制，在220K以上，以擴(kuò)散電流為主導(dǎo)；220K以下，以歐姆電流和復(fù)合電流為主導(dǎo)。

通過優(yōu)化器件鈍化工藝，有利于進(jìn)一步降低器件的表面復(fù)合電流。同時(shí)，研究了不同鈍化工藝對(duì)器件低頻噪聲的影響。圖11是兩種器件在0.1～0.5V反向偏壓下的低頻噪聲譜，可以看出，優(yōu)化后的鈍化工藝降低了器件的1/噪聲。MIS器件的研究結(jié)果表明（見圖12、圖13），優(yōu)化的鈍化方法主要降低了慢界面態(tài)，器件慢界面態(tài)密度從3.61×1012cm－2降低為1.74×1012cm－2。而已有報(bào)道表明，慢界面態(tài)的降低會(huì)導(dǎo)致1/噪聲的降低，與低頻噪聲研究結(jié)果一致。

圖9 2.5mm短波紅外InGaAs暗電流密度

圖10 2.5mm短波紅外InGaAs暗電流變溫特性

圖11 2.5mm短波紅外器件在不同偏壓下的低頻噪聲譜

2.2 短波紅外探測(cè)器的高幀頻研究

為實(shí)現(xiàn)焦平面的高幀頻應(yīng)用，研究了延伸波長(zhǎng)InGaAs匹配讀出電路的設(shè)計(jì)。針對(duì)延伸波長(zhǎng)InGaAs器件暗電流隨偏置電壓變化較大的特點(diǎn)，其輸入級(jí)運(yùn)放采用了對(duì)稱結(jié)構(gòu)以減小輸入失調(diào)電壓；采用四路同步輸出以提高幀頻；電路可工作在先積分后讀出模式（ITR），或者邊積分邊讀出模式（IWR）。明確了InGaAs焦平面弱信號(hào)的高幀頻讀出的技術(shù)方案，采用多路輸出等技術(shù)設(shè)計(jì)制備了高幀頻低噪聲512×256元、以及單片1024×128元讀出電路。

為了測(cè)試讀出電路的最大讀出速率，改變列時(shí)鐘的頻率，從200kHz增加到4MHz、24MHz，此時(shí)面陣的幀頻分別為1.4Hz、27Hz、164Hz。通過示波器觀察模塊的輸出波形。時(shí)鐘頻率越高時(shí)，上升沿與下降沿時(shí)間（r＋f）占時(shí)鐘周期的比例越大，但在幀頻164Hz下輸出信號(hào)沒有明顯的變形。示波器測(cè)試電路正常工作狀態(tài)結(jié)果如圖14所示，可見幀頻可達(dá)158Hz。

圖12 兩種MIS器件在不同掃面偏壓范圍內(nèi)C-V回滯曲線

圖13 界面態(tài)密度在禁帶中的分布

圖14 示波器測(cè)試幀頻達(dá)到158Hz

2.3 短波紅外探測(cè)器組件進(jìn)展及應(yīng)用

中科院上海技物所已實(shí)現(xiàn)了640×1、512×256、1024×256等多個(gè)規(guī)格的1.0～2.5mm短波紅外InGaAs探測(cè)器組件，峰值量子效率高于75%，峰值探測(cè)率優(yōu)于5×1011cm×Hz1/2/W。其中，1024×128探測(cè)器組件已應(yīng)用于短波紅外成像儀中，獲得了清晰成像圖片。

3 小結(jié)

本文介紹了中科院上海技物所在短波紅外InGaAs探測(cè)器方面的研究進(jìn)展。0.9～1.7mm近紅外InGaAs焦平面探測(cè)器已實(shí)現(xiàn)了800×2、320×256、640×512、1024×128、4000×128等多個(gè)規(guī)格的線列與面陣焦平面組件，室溫暗電流密度小于5nA/cm2，室溫峰值探測(cè)率優(yōu)于5×1012cm×Hz1/2/W。同時(shí)，開展了向可見波段拓展的320×256焦平面探測(cè)器研究，光譜范圍0.5～1.7mm，在0.8mm的量子效率約20%，在1.0mm的量子效率約45%。開展了1.0～2.5mm短波紅外InGaAs探測(cè)器研究，暗電流密度＜10nA/cm2@200K，形成了640×1、512×256、1024×128等多規(guī)格探測(cè)器，峰值量子效率高于75%，峰值探測(cè)率優(yōu)于5×1011cm×Hz1/2/W。

致謝

特別感謝中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所張永剛研究員課題團(tuán)隊(duì)、中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所繆國(guó)慶研究員課題團(tuán)隊(duì)、中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所韋欣研究員課題團(tuán)隊(duì)在延伸波長(zhǎng)InGaAs外延材料方面的支持。

[1] MacDougal Michael, Hood Andrew, Geske Jon, et al. InGaAs focal plane arrays for low light level SWIR imaging[C]//, 2011, 8012: 801221.

[2] Battaglia J, Blessinger M, Enriquez M, et al. An uncooled 1280×1024 InGaAs focal plane array for small platform, shortwave infrared imaging[C]//, 2009, 7298: 72983C1-8.

[3] Cohen M J, Olsen Gregory H. Room temperature InGaAs camera for NIR imaging[C]//, 1993, 1946: 436-443.

[4] Tara Martin, Dixon Peter, Gagliardi Mari-Anne. 320×240 pixel InGaAs/InP focal plane array for short-wave infrared and visible light imaging[C]/, 2005, 5726: 85-91.

[5] Tara Martin, Brubaker Robert, Dixon Peter, et al. 640×512 InGaAs focal plane array camera for visible and SWIR imaging[C]//, 2005, 5783: 12-20.

[6] Cohen Marshall J, Lange Michael J, Ettenberg Martin H, et al. A thin film Indium Gallium Arsenide focal plane array for visible and near infrared hyperspectral imaging[C]//12on, 1999, 2: 744-745.

[7] Battaglia J, Blessinger M, Enriquez M, et al. An uncooled 1280×1024 InGaAs focal plane array for small platform, shortwave infrared imaging[C]//, 2009, 7298: 72983C.

[8] Onat Bora M, HUANG Wei, Masaun Navneet, et al. Ultra low dark current InGaAs technology for focal plane arrays for low-light level visible-shortwave infrared imaging[C]//, 2007, 6542: 65420L.

[9] Sensors Unlimited. Micro-SWIR 640 CSX Legacy Camera[EB/OL]. [2015]. http://www.sensorsinc.com/products/detail/legacy -640csx- swir -camera.

[10] Teledyne Judson Technologies. Indium Gallium Arsenide Detectors [EB/OL]. [2014]. http://www.teledynejudson.com/InGaAs. html.

[11] Xenics. PRODUCT SELECTOR GUIDE[EB/OL]. [2016]. http: //www.xenics.com/en/products/cameras?f[0]=field_technology_term% 3A624.

[12] Sofradir. SWIR DETECTORS[EB/OL]. [2016]. http://www. sofradir. com/ category_product/swir-detectors/.

[13] LI Xue, HUANG Songlei, CHEN Yu, et al. Noise characteristics of short wavelength infrared InGaAs linear focal plane arrays[J]., 2012, 112(6):1-5.

[14] 邵秀梅, 李淘, 鄧洪海, 等. 平面型24元InGaAs短波紅外探測(cè)器[J]. 紅外技術(shù), 2011, 33(9):501-504.

SHAO Xiumei, LI Tao, DENG Honghai, et al. Planar-type 24×1 InGaAs short wave infrared detectors[J]., 2011, 33(9): 501-504

[15] SHI M, TANGH J, SHAOX M, et al. Interface property of silicon nitride films grown by ICPCVD and PECVD on In0.82Al0.18As[J]., 2015, 71: 384-388.

[16] HUANG Xing, LI Xue, SHI Ming, et al. The 1/noise characteristics of In0.83Ga0.17As photodiodes with SiNpassivation films fabricated by two different techniques[J]., 2014, 67: 596-599.

[17] HUANG Xing, LI Xue, SHI Ming, et al. Effect of proton irradiation on extended wavelength In0.83Ga0.17As infrared detector[J]., 2015, 71: 514-517.

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

SHAO Xiumei1,2，GONG Haimei1,2，LI Xue1,2，F(xiàn)ANG 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，F(xiàn)PAs，SWIR，dark current，detectivity

TN215

A

1001-8891(2016)08-0629-07

2016-07-12；

2016-07-29.

邵秀梅，（1978-），女，研究員，博士，主要從事紅外探測(cè)器研究，E-mail：shaoxm@mail.sitp.ac.cn。

龔海梅，（1965-），男，研究員，博士生導(dǎo)師，長(zhǎng)期從事紅外探測(cè)器研究工作，E-mail：hmgong@mail.sitp.ac.cn。 李雪，（1976-），女，研究員，博士生導(dǎo)師，主要從事紅外探測(cè)器研究，E-mail：lixue@mail.sitp.ac.cn。

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（2012CB619200），國(guó)家自然科學(xué)基金（61376052，61475179）。