史衍麗，李 龍，楊紹培，劉文波，范明國(guó)，龔燕妮，葛 鵬，李 雪

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高性能InP/InGaAs寬光譜紅外探測(cè)器

史衍麗1,2，李 龍1，楊紹培1，劉文波1，范明國(guó)1，龔燕妮1，葛 鵬1，李 雪1

（1.北方夜視科技集團(tuán)有限公司，云南 昆明 650223；2.微光夜視技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710065）

InP/In0.53Ga0.47As短波紅外探測(cè)器是一種高性能的近室溫工作器件，從200K到室溫下都能獲得較好的器件性能，從而大大降低了對(duì)制冷的要求。為了充分利用目標(biāo)在可見光和短波波段的光譜信息，通過(guò)特殊的材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和器件背減工藝，成功實(shí)現(xiàn)了320×256InP/InGaAs寬光譜紅外探測(cè)器，能夠同時(shí)對(duì)可見光和短波紅外響應(yīng)，并從77K到263K工作溫度下實(shí)現(xiàn)了對(duì)人臉、計(jì)算機(jī)及室外2.3km處的景物成像。測(cè)試樣管平均峰值探測(cè)率為2×1012cmHz1/2/W，光譜響應(yīng)為0.6～1.7mm，光譜響應(yīng)測(cè)試和成像結(jié)果同時(shí)驗(yàn)證了InP/InGaAs寬光譜探測(cè)器對(duì)可見光信號(hào)的探測(cè)。相比標(biāo)準(zhǔn)的InP/In0.53Ga0.47As短波探測(cè)器，InP/InGaAs寬光譜探測(cè)器顯示了可見/短波雙波段探測(cè)的效果，大大豐富了探測(cè)目標(biāo)的信息量，可顯著提升對(duì)目標(biāo)的識(shí)別率。

InP/InGaAs；高性能；寬光譜；可見/短波；雙波段探測(cè)

0 引言

InP/In0.53Ga0.47As探測(cè)器是一種高性能的短波紅外探測(cè)器，已報(bào)道的器件規(guī)格達(dá)2k×2k，器件性能在室溫下可達(dá)到1×1014cmHz1/2/W，是迄今為止性能最好的短波紅外探測(cè)器[1-4]，具有高性能、高性價(jià)比的優(yōu)勢(shì)，可廣泛應(yīng)用于高性能夜視、人眼安全激光主被動(dòng)探測(cè)、航天航空、水上搜救、居民安防、工業(yè)生產(chǎn)監(jiān)視等領(lǐng)域[5-9]。

InP/In0.53Ga0.47As焦平面探測(cè)器工作時(shí)目標(biāo)反射的光子從探測(cè)器背面入射，其響應(yīng)波段由InP襯底、In0.53Ga0.47As吸收層材料決定其前截止和后截止波長(zhǎng)。室溫下InP材料的禁帶寬度為1.35eV，大于該能量的輻射光子都能被InP材料吸收，從而限制了探測(cè)器的前截止波長(zhǎng)為0.92mm；In0.53Ga0.47As吸收層室溫下的禁帶寬度為0.75eV，對(duì)應(yīng)于探測(cè)器的后截止波長(zhǎng)1.7mm，因此探測(cè)器的響應(yīng)波段為0.9～1.7mm，稱之為標(biāo)準(zhǔn)InGaAs探測(cè)器?？紤]到夜天光光譜能量包含可見光和短波紅外，為了充分利用夜天光輻射能量中的可見光部分，需要把標(biāo)準(zhǔn)InGaAs探測(cè)器的光譜向可見光延伸，以提高對(duì)夜天光能量的利用率。目前國(guó)際上常用的方法是把InP襯底全部去除，從而把器件前截止波長(zhǎng)延伸到0.9mm以前，即可見光部分，實(shí)現(xiàn)對(duì)可見光和短波都響應(yīng)的寬光譜探測(cè)。通過(guò)寬光譜探測(cè)，利用目標(biāo)對(duì)2個(gè)波段的反射信息，能夠增加探測(cè)目標(biāo)的信息量，可望顯著地提高對(duì)目標(biāo)的識(shí)別率[10-13]。

為了實(shí)現(xiàn)高性能InP/InGaAs寬光譜探測(cè)器，在去除襯底的基礎(chǔ)上還需要結(jié)合材料優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高在可見光波段的吸收和量子效率。相比標(biāo)準(zhǔn)InGaAs探測(cè)器，InP/InGaAs寬光譜探測(cè)器材料層數(shù)增加，InP/InGaAs異質(zhì)界面增加，結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，材料生長(zhǎng)中對(duì)InP/InGaAs異質(zhì)界面的晶格匹配控制也更困難，要求也更高。

通過(guò)對(duì)InP/InGaAs寬光譜探測(cè)器材料結(jié)構(gòu)和器件工藝的優(yōu)化研究，研制出高性能的320×256寬光譜探測(cè)器，測(cè)試配管性能顯示300K工作溫度下器件暗電流密度1.1×10－7A/cm2，器件平均峰值探測(cè)2×1012cmHz1/2/W，器件光譜響應(yīng)0.6～1.7mm；另外采用市售的可見光、短波可透的光學(xué)鏡頭對(duì)室外建筑物、室內(nèi)人臉和計(jì)算機(jī)等典型目標(biāo)實(shí)現(xiàn)了從低溫77K到263K溫度的成像，220K工作溫度下對(duì)2.3km建筑物的成像與77K溫度下的成像效果相當(dāng)，都顯示了清晰的成像細(xì)節(jié)。

1 材料設(shè)計(jì)和器件制備

通過(guò)理論優(yōu)化設(shè)計(jì)和工藝驗(yàn)證，采用的InP/InGaAs寬光譜探測(cè)器材料結(jié)構(gòu)如圖1所示。

為了得到高性能的寬光譜探測(cè)器，圖1中的4個(gè)InP/InGaAs界面生長(zhǎng)非常重要。由于腐蝕停層的加入，在吸收層下面引入了2個(gè)InP/InGaAs異質(zhì)結(jié)界面，因此InGaAs吸收層的生長(zhǎng)是在一個(gè)晶格發(fā)生變化的InP層上進(jìn)行，相對(duì)在一個(gè)晶格完整的InP層生長(zhǎng)，生長(zhǎng)過(guò)程中對(duì)InGaAs吸收層的晶格匹配和應(yīng)力控制更為困難，InGaAs吸收層的晶格質(zhì)量更難保障。另外，為了提高可見光部分的量子效率，除了徹底去除InP襯底，需要InP下電極層厚度盡可能薄，以減少InP電極層對(duì)可見光的吸收。通過(guò)理論計(jì)算，為了在可見光0.5mm處獲得10%的量子效率，InP下電極層厚度不大于0.3mm，具體的理論計(jì)算結(jié)果如圖2所示。

圖1 InP/InGaAs寬光譜探測(cè)器材料結(jié)構(gòu)

圖2 理論計(jì)算獲得的不同下電極層厚度和量子效率的對(duì)應(yīng)關(guān)系

從圖2的計(jì)算結(jié)果可見，在其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變的條件下，隨著InP下電極層厚度從0.5mm減少到0.1mm，InP/InGaAs器件在可見光0.5mm～0.8mm范圍的量子效率明顯提高，而在短波部分的量子效率基本沒(méi)有變化。計(jì)算結(jié)果顯示通過(guò)減少InP下電極層厚度能夠有效地提高InP/InGaAs器件在可見光波段探測(cè)的量子效率。

采用金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉積設(shè)備（MOCVD）在2英寸InP襯底上完成了InP/InGaAs寬光譜探測(cè)器材料的生長(zhǎng)，之后采用大片工藝，通過(guò)光刻、鈍化、臺(tái)面刻蝕等器件加工技術(shù)，在2英寸InP/InGaAs材料上直接進(jìn)行320×256探測(cè)器芯片的制備，制備的探測(cè)器芯片如圖3所示。像元中心距30mm×30mm，在每個(gè)320×256 InP/InGaAs探測(cè)器芯片上布有相應(yīng)的測(cè)試配管，其工藝與320×256探測(cè)器芯片完全相同，用于對(duì)工藝和器件性能進(jìn)行檢測(cè)分析。

對(duì)測(cè)試配管完成性能檢測(cè)后，挑選性能較好的探測(cè)器芯片與讀出電路互連，完成下填充后通過(guò)機(jī)化拋和腐蝕的方法去除InP襯底，余留芯片厚度小于4mm。由于減薄樣品已經(jīng)非常薄，在光學(xué)顯微鏡下觀測(cè)背減表面時(shí)能看到對(duì)面的像素分布，圖4給出了從背減表面看過(guò)去的320×256部分像素。減薄后的焦平面器件封裝到中測(cè)變溫杜瓦，進(jìn)行成像測(cè)試。

圖3 在2英寸材料上制備的320×256 InGaAs探測(cè)器芯片

2 InP/InGaAs寬光譜探測(cè)器性能測(cè)試分析

把InP/InGaAs寬光譜探測(cè)器測(cè)試陪管封裝于檢測(cè)杜瓦，進(jìn)行電流-電壓（-）特性、探測(cè)率、光譜響應(yīng)測(cè)試，對(duì)材料質(zhì)量和器件工藝進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。電流-電壓特性的測(cè)試結(jié)果如圖5所示。由測(cè)試結(jié)果可知，器件在室溫300K、－100mV偏壓時(shí)的暗電流40pA，對(duì)應(yīng)的電流密度1.1×10－7A/cm2，相比之前研制器件的暗電流顯著降低[14]。另外，器件光電性能測(cè)試結(jié)果顯示，室溫下器件平均峰值探測(cè)率2×1012cmHz1/2/W，暗電流和探測(cè)率的測(cè)試結(jié)果表明目前器件研制達(dá)到了國(guó)內(nèi)報(bào)道的較好水平[15-16]。對(duì)器件進(jìn)行了光譜響應(yīng)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖6所示。通過(guò)測(cè)試結(jié)果可看到光譜響應(yīng)0.6～1.7mm，表明器件響應(yīng)波長(zhǎng)已擴(kuò)展到可見光；同時(shí)，器件對(duì)可見光部分的響應(yīng)還有待提高，InP電極層厚度需要進(jìn)一步減少。

在陪管性能測(cè)試的基礎(chǔ)上，把320×256 InP/InGaAs焦平面探測(cè)器封裝于中測(cè)檢測(cè)杜瓦，加上市售的可見光、短波可透的光學(xué)鏡頭（#＝1.3，焦距75mm），對(duì)室內(nèi)外的景物進(jìn)行了簡(jiǎn)單的成像演示。通過(guò)成像演示研究，也能清晰地看到InP/InGaAs寬光譜探測(cè)器對(duì)可見光信號(hào)的探測(cè)。中測(cè)杜瓦的溫度從77K到室溫連續(xù)可調(diào)，通過(guò)調(diào)節(jié)中測(cè)杜瓦溫度，對(duì)InP/InGaAs焦平面探測(cè)器進(jìn)行了從77K到263K（零下10℃）的成像實(shí)驗(yàn)研究。對(duì)距離2.3km的建筑物成像效果來(lái)看，目前研制的焦平面探測(cè)器從77K到263K都能成像，在低溫77K和220K溫度下的成像效果相當(dāng)，進(jìn)一步升高溫度，超過(guò)220K溫度后成像噪聲變大，圖像質(zhì)量逐步變差。圖7(a)、圖7(b)給出了77K、220K溫度下對(duì)2.3km處塔尖的成像，從成像效果來(lái)看2幅圖成像細(xì)節(jié)沒(méi)有明顯的差別，都能清晰地看到天空中的云彩、塔尖和背后的樹林。圖中成像效果與可見光成像非常類似，成像細(xì)節(jié)清晰，反映了InP/InGaAs探測(cè)器對(duì)室溫目標(biāo)反射成像的機(jī)理。對(duì)近距離人臉的成像結(jié)果如圖8所示，圖中人的眼睛細(xì)節(jié)包括黑色眼珠清晰可見。需要說(shuō)明的是以上圖中的成像結(jié)果只進(jìn)行了簡(jiǎn)單的背景扣除，沒(méi)有進(jìn)行圖像增強(qiáng)處理。

圖4 襯底全部去除后從背減表面看到的320×256 InP/InGaAs部分像素分布

圖5 寬光譜InP/InGaAs探測(cè)器測(cè)試配管的I-V特性

圖6 寬光譜探測(cè)器測(cè)試配管的光譜響應(yīng)測(cè)試結(jié)果

圖7 77K和220K溫度下對(duì)2.3km處塔尖的成像效果（沒(méi)有進(jìn)行圖像增強(qiáng)處理，只進(jìn)行了簡(jiǎn)單的背景扣除）

為了進(jìn)一步比較短波成像和寬光譜成像的差別，在光學(xué)鏡頭前放置濾可見光透短波的濾光片，通過(guò)把目標(biāo)反射的可見光信號(hào)濾掉，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行了短波成像。圖9給出了計(jì)算機(jī)屏幕在短波和寬光譜成像條件下的成像結(jié)果。從圖9中可見，采用寬光譜探測(cè)器成像（不加濾光片）時(shí)，可見光和短波信號(hào)都采集的條件下，計(jì)算機(jī)屏幕及屏幕上的字同時(shí)都能看到，顯示了可見光和短波2個(gè)波段的信息。而加上濾可見光的濾光片進(jìn)行成像時(shí)只能看到計(jì)算機(jī)屏幕，人眼可見的屏幕上的字卻看不到，這是因?yàn)槟壳癐nP/InGaAs探測(cè)器只能探測(cè)計(jì)算機(jī)屏幕反射的短波信息，而屏幕上文字反射的可見光信號(hào)被濾光片濾掉，InP/InGaAs探測(cè)器探測(cè)不到文字顯示的可見光信息，由于成像信息里可見光信號(hào)缺失，成像結(jié)果只能顯示探測(cè)到的計(jì)算機(jī)的短波信息，即計(jì)算機(jī)的外形；從以上成像結(jié)果可看到，通過(guò)拓展探測(cè)可見光信號(hào)，InP/InGaAs寬光譜探測(cè)器成像信息里既包含了目標(biāo)的可見光信息也含有短波信息，是目標(biāo)在2個(gè)波段信息的融合狀態(tài)，獲得了類似可見光和短波雙波段探測(cè)的效果。相比標(biāo)準(zhǔn)InGaAs短波探測(cè)器，InP/InGaAs寬光譜探測(cè)器增加了目標(biāo)的可見光信息，大大地豐富了對(duì)目標(biāo)的探測(cè)和成像信息，可望顯著提高對(duì)目標(biāo)的識(shí)別率。

圖8 InP/InGaAs寬光譜探測(cè)器對(duì)人臉的成像效果

3 結(jié)論

采用材料結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)合襯底背減薄的技術(shù)，成功研制了320×256 InP/InGaAs寬光譜探測(cè)器，室溫下器件暗電流密度1.1×10－7A/cm2，器件平均峰值探測(cè)率大于1×1012cmHz1/2/W。從低溫77K到近室溫220K的工作溫度下都獲得了對(duì)室外景物、室內(nèi)人臉和計(jì)算機(jī)清晰的成像，反映了InP/InGaAs寬光譜探測(cè)器對(duì)室溫目標(biāo)反射成像的原理，驗(yàn)證了InP/InGaAs寬光譜紅外探測(cè)器高溫、高性能工作的優(yōu)勢(shì)。從短波成像和寬光譜成像的比較結(jié)果來(lái)看，通過(guò)把光譜響應(yīng)延伸到可見光，相比標(biāo)準(zhǔn)InGaAs短波紅外探測(cè)器，InP/InGaAs寬光譜探測(cè)器增加了目標(biāo)對(duì)可見光的反射信息，大大豐富了目標(biāo)的探測(cè)信息，實(shí)現(xiàn)了類似可見/短波雙波段探測(cè)的效果，可有效提高對(duì)目標(biāo)的探測(cè)和識(shí)別能力。

圖9 利用短波和寬光譜探測(cè)對(duì)計(jì)算機(jī)屏幕成像的差別

致謝

感謝上海技術(shù)物理研究所胡偉達(dá)研究員、徐嬌博士在器件理論計(jì)算工作方面的合作和支持。

[1] H. Figgemeier, M. Benecke, K. Hofmann, R. Oelmaier, et al. SWIR detectors for night vision at AIM[C]//, 2014, 9070: 907008-1.

[2] Alan Hoffman, Todd Sessler, Joseph Rosbeck, et al. Megapixel InGaAs arrays for low background applications[C]//, 2005, 5783: 32-38.

[3] Anne Rouvié, Jean-Luc Reverchon, Odile Huet, et al. InGaAs focal plane arrays developments at III-VLab[C]//, 2012, 8353: 835308.

[4] S. Seshadri, D.M. Cole, B. Hancock, et al. Comparing the low- temperature performance of megapixel NIR InGaAs and HgCdTe imager arrays[C]//, 2007, 6690: 669006-1.

[5] CHANG Shiuan-Ho, FANG Yean-Kuen, TING Shyh-Fann, et al. Ultra high performance planar InGaAs PIN photodiodes for high speed optical fiber communication[J]., 2007, 133: 9-12.

[6] 史衍麗, 胡銳, 張衛(wèi)鋒, 等. InGaAs 固體微光器件研究進(jìn)展[J]. 紅外技術(shù), 2014, 36(2): 81-88.

SHI Yanli, HU Rui, ZHANG Weifeng, et al. Progress of InGaAs Solid-State Low-Light Devices[J]., 2014, 36(2): 81-88.

[7] Bora M Onat1a, Wei Huanga, Navneet Masauna, et al. Ultra low dark current InGaAs technology for focal plane arrays for low-light level visible-shortwave infrared imaging[C]//, 2007, 6542: L-1-L9.

[8] Michael MacDougal, Andrew Hood, JonGeske, et al. InGaAs focal plane arrays for low light level SWIR imaging[C]//, 2011, 8012: 801221-1-10.

[9] 張衛(wèi)鋒, 張若嵐, 史衍麗, 等. InGaAs短波紅外探測(cè)器研究進(jìn)展[J]. 紅外技術(shù), 2012, 34(6): 361-365.

ZHANG Weifeng, ZHANG Ruolan, SHI Yanli, et al. Development Progress of InGaAs Short-wave Infrared Focal Plane Arrays[J]., 2012, 34(6): 361-365.

[10] Devon G Turner, Timothy C Bakker, Peter Dixon, et al. The development of, and applications for extended response (0.7 to 1.7μm) InGaAs focal plane arrays s[C]//, 2008, 6940: 694037-1-8.

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

[12] Tara J Martin, Marshall J Cohen, J Christopher Dries, et al. InGaAs/InP focal plane arrays for visible light imaging[C]//, 2004, 5406: 38-44.

[13] Jonathan Getty, Ellie Hadjiyska, David Acton, et al. VIS/SWIR Focal Plane and Detector Development at Raytheon Instruments Performance Data and Future Developments at Raytheon[C]//, 2007, 6660: 66600C-1.

[14] SHI Yanli, LU Qiang, HU Rui, et al. 320×256 InGaAs Solid-State Low-Light Devices[C]//, 2014, 9300: 930004.

[15] 高新江, 張秀川, 唐遵烈, 等. 320×256 InGaAs短波紅外焦平面陣列探測(cè)器[J]. 半導(dǎo)體光電, 2009, 30(2): 178-190.

GAO Xinjiang, ZHANG Xiuchuan, TANG Zunlie, et al. 320×256 InGaAs short wave infrared focal plane arrays detector[J]., 2009, 30(2): 178-190.

[16] LI Xue, TANG Hengjinga, FAN Guangyua, et al. 256×1 element linear InGaAs short wavelength near-infrared detector arrays[C]//, 2007, 6835: 68350501-08.

High Performance InP/InGaAs Wide Spectrum Infrared Detectors

SHI Yanli1,2，LI Long1，YANG Shaopei1，LIU Wenbo1，F(xiàn)AN Mingguo1，GONG Yanni1，GE Peng1，LI Xue1

(1.,650223,; 2.,710065,)

InP/In0.53Ga0.47As short wavelength detectors can work under or near room temperature with high performance, so requirement for cooling was largely decreased, then reduced size and cost and so on. In order to fully utilize the energy of visible light and short wavelength reflected from targets, the InP/In0.53Ga0.47As short wavelength detectors was adopted to extend response wavelength from short wavelength to visible light range. Special materials design and substrate thinning was combined to remove InP substrate, then 320×256 InGaAs wide spectrum detectors were prepared. Building positioned at 2.3km away, face and computer were imaged by the 320×256 InGaAs wide spectrum detector by using#＝1.3 optical lens from 77K to 263K. The imaging results showed both visible light and short wavelength information of targets were detected and collected. Further measurement results disclosed average peak detectivity 2×1012cmHz1/2/W under 300K temperature with spectrum response 0.6～1.7mm for the wide spectrum detector. It can be concluded that target information from both visible and short wavelength dual bands other than short wavelength band were gained by the wide spectrum detector, and it behaved as visible/short wavelength dual band detecting. Recognition rate of targets could be expected to improve with the InP/InGaAs wide spectrum detectors.

InP/InGaAs，high performance，wide spectrum response，visible/short wavelength，dual band detecting

TN215

A

1001-8891(2016)01-0001-05

2016-01-01；

2016-01-11.

史衍麗（1969-），女，山東鄆城人，博士，博導(dǎo)，研究員，主要從事探測(cè)器的設(shè)計(jì)和研制工作。E-mail: ylshikm@hotmail.com。

云南省重點(diǎn)基金項(xiàng)目（2015FA040）。