上海技物所在短波紅外InGaAs焦平面領(lǐng)域取得研究進(jìn)展

2023年12月13日發(fā)(作者：關(guān)于那件事)

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上海技物所在短波紅外InGaAs焦平面領(lǐng)域取得研究進(jìn)展

短波紅外光電材料與器件具有高性能、高可靠性、低功耗、低成本等顯著優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于智慧城市、駕駛視覺增

強(qiáng)、安防監(jiān)控、光伏芯片檢測、光譜檢測以及航天航空等諸多領(lǐng)域，具有重大的科學(xué)價值和經(jīng)濟(jì)效益。基于III-V族

InP/InGaAs材料體系的短波紅外InGaAs探測器，具有高靈敏度、高均勻性、高穩(wěn)定性等特點(diǎn)，具備室溫或近室溫工作

優(yōu)勢，是發(fā)展小型化、低功耗和高可靠性短波紅外光電系統(tǒng)的理想選擇之一。短波紅外InGaAs焦平面探測器的標(biāo)準(zhǔn)響

應(yīng)波段為0.9~1.7μm，可拓展至可見光波0.4μm，也可延伸至2.5μm。

自20世紀(jì)90年代開始開展InGaAs線列探測器研究，國際各大企業(yè)及研究機(jī)構(gòu)爭相在該領(lǐng)域先后取得顯著成果。因此圍

繞新一代遙感探測儀器應(yīng)用需求，中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究（以下簡稱：“上海技物所”）在短波紅外InGaAs焦平面

探測器領(lǐng)域取得了一系列進(jìn)展。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，上海技物所李雪研究員課題組在《紅外與毫米波學(xué)報》期刊上發(fā)表了以“短波紅外InGaAs焦

平面研究進(jìn)展”為主題的文章。李雪研究員主要從事短波紅外探測器、紅外組件集成技術(shù)等研究工作。

上海技物所通過低缺陷外延材料、焦平面芯片制備工藝和低噪聲讀出電路技術(shù)研究，研制實(shí)現(xiàn)了最大規(guī)模達(dá)2560×2048

元的10μm中心距1~1.7μm InGaAs焦平面探測器，峰值探測率優(yōu)于1.0×10 13 cmHz 1/2 /W，有效像素率達(dá)到99.7%；研

制實(shí)現(xiàn)了1280×1024元15μm中心距的1~2.5μm延伸波長探測器，峰值探測率優(yōu)于5.0×10 11 cmHz 1/2 /W；發(fā)展了新體

制新結(jié)構(gòu)器件，研制了單片集成4向偏振功能的160×128元偏振焦平面探測器，消光比優(yōu)于37:1；研制了64×64元蓋革雪

崩焦平面探測器，時間分辨率達(dá)到0.8ns。

上海技物所1.0~1.7μm InGaAs常規(guī)波長焦平面探測器發(fā)展

上海技物所自2007年起開展室溫近紅外InGaAs焦平面探測器的研究，取得了一系列重要進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)了800×2、

320×256、640×512、1024×128、4000×128、1280×1024、2560×2048等多個規(guī)格的0.9~1.7μm的近紅外InGaAs探測

器，像元中心距從30μm減小到10μm，如上圖。

短波InGaAs焦平面組件外場透霧成像驗(yàn)證：(a) 可見光照片；(b)短波紅外，距離1.8km；(c)短波紅外，距離9.9km。

面向微光夜視的應(yīng)用需求，上海技物所研究了高量子效率可見-短波紅外寬光譜InGaAs探測器。探索了制備高量子效率

可見-短波紅外寬光譜InGaAs焦平面探測器的關(guān)鍵工藝及各工藝對器件性能的影響。研究了不同擴(kuò)散條件下器件的I-V特

性變化和焦平面的暗噪聲變化。最近，提出了采用感應(yīng)耦合等離子體（InductivelyCoupled Plasma，ICP）刻蝕技術(shù)實(shí)

現(xiàn)超薄接觸層的精確控制，并成功制備了160×120元寬光譜InGaAs焦平面器件，獲得了從可見到短波紅外波段

（0.5~1.7μm）整體量子效率超過60%的寬光譜高量子效率水平。

上海技物所又研制了光敏元中心距15μm的背照射1280×1024光敏芯片結(jié)構(gòu)，采用高精度的工藝技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高密度窄間

隔淺隔離槽結(jié)構(gòu)；采用低損傷刻蝕臺面成型技術(shù)、低應(yīng)力鈍化技術(shù)，嚴(yán)格控制光敏芯片面型，獲得了平面度PV值小于

5μm的波長擴(kuò)展1280×1024光敏芯片。

上海技物所集成線偏振的InGaAs短波紅外焦平面發(fā)展

針對近紅外激光三維成像應(yīng)用需求，上海技物所研究發(fā)展了蓋革模式InGaAs雪崩焦平面探測器，像素規(guī)模64×64元。采

用InGaAs/InP雪崩探測器（APD）陣列光敏芯片，與高精度淬滅計(jì)時讀出電路耦合，形成精密制冷探測器組件。完成了

蓋革模式APD陣列光敏芯片設(shè)計(jì)與制備優(yōu)化技術(shù)、蓋革模式APD輸出信號與處理技術(shù)、大面積均勻制冷與高精度溫控組

裝封裝技術(shù)、激光三維成像機(jī)芯技術(shù)等研究，形成蓋革模式激光焦平面探測器成像樣機(jī)，具備單光子面陣探測、激光主

動測距等功能。

本研究概述了上海技物所近年在短波紅外InGaAs焦平面探測器領(lǐng)域取得的研究進(jìn)展，主要涉及響應(yīng)波長1~1.7μm

InGaAs大面陣、0.4~1.7μm高量子效率可見拓展、1.0~2.5μm延伸波長高光譜、像素級片上偏振集成和蓋革模式雪崩焦

平面等方向，突破了低缺陷InGaAs材料外延生長、高密度低暗電流焦平面芯片制備工藝、微納結(jié)構(gòu)及偏振光柵片上工

藝集成、蓋革雪崩器件和多模式多規(guī)格讀出電路等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了10μm像素焦平面最大規(guī)模達(dá)2560×2048元，有效

像元率達(dá)99.7%，峰值探測率達(dá)1.1×10 13 cmHz 1/2 /W，同時報道了可見光波段量子效率、延伸波長器件暗電流、偏振

消光比、單光子探測靈敏度等其他幾類器件的性能參數(shù)。相關(guān)器件的進(jìn)一步發(fā)展，將為新一代多功能、高分辨率、時間

敏感的短波紅外光電儀器研制提供探測器技術(shù)基礎(chǔ)。延伸閱讀：

《新興圖像傳感器技術(shù)、應(yīng)用及市場-2021版》

《飛行時間（ToF）傳感器技術(shù)及應(yīng)用-2020版》

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