InGaAs 材料

2023年12月13日發(fā)(作者：今年高考分?jǐn)?shù))

常識(shí)：近紅外波段 0.78-3μm，中紅外波段 3-6μm，中遠(yuǎn)紅外波段 6-20μm，遠(yuǎn)紅外波段 20-1000μm。粗略地認(rèn)為有 1~3μm、3~5μm 和 8~14μm 三個(gè)大氣窗口

短波紅外是指 1~3μm 波段的紅外輻射. ，其廣泛存在于自然界中

1.探測(cè)材料的比較

InSb 和 InAs:

材料禁帶寬度較小，都是窄禁帶半導(dǎo)體，探測(cè)器性能穩(wěn)定，

但室溫條件下暗電流很大，探測(cè)率較低，需要低溫制冷進(jìn)行工作.

HgCdTe :HgCdTe 材料制備的紅外探測(cè)器在短波紅外波段也有較好的性能。但是

HgCdTe 材料也存在一些局限性：在短波紅外波段，Hg 組分較大，材料生長(zhǎng)難度較大，均勻性較難

控制；HgCdTe 材料的本征缺陷濃度較高，在溫度較高或輻射的作用下性能不穩(wěn)

定；HgCdTe 材料存在嚴(yán)重的隧道效應(yīng)，必須工作在低溫致冷條件下，以抑制熱

噪聲，才能達(dá)到良好的紅外探測(cè)效果

（最優(yōu)短波紅外材料）InGaAs:三元化合物 In1-xGaxAs 是 III-V 族的贗二元系、直接帶隙的半導(dǎo)體材料可由 InAs 與 GaAs 以任何配比形成。，InxGa1－xAs 材料為閃鋅礦立方晶體結(jié)構(gòu)如圖 1.3.1 所示，

隨著組分 x 的變化，其晶格常數(shù)從 GaAs 的 5.6533? 變化到 InAs 的 6.0583?，禁帶寬度從 1.43eV 變化到0.35eV，相應(yīng)的，截止波長(zhǎng)從 0.87μm 變化到 3.5μm，很好的覆蓋了 1-3μm 的大氣窗口，因此是制備短波紅外探測(cè)器的合適材料。In1-xGaxAs 材料具有高遷移率、良好的抗輻照特性等優(yōu)點(diǎn)，而且 InGaAs 材料制備技術(shù)非常成熟，包括氣相外延、液相外延、金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相淀積、分子束外延技術(shù)等，可以生長(zhǎng)出高質(zhì)量的 InGaAs 外延材料。因此 InGaAs 探測(cè)器是小型化、低成本和高可靠性

的短波紅外探測(cè)系統(tǒng)的最佳選擇之一。

2. InGaAs器件：

采用ＩｎｘＧａ１－ｘＡｓ材料的探測(cè)器有很多， 如ＩｎＧａＡｓ光伏探測(cè)器，

伏探測(cè)器，有時(shí)也稱ＩｎｘＧａ１－ｘＡｓＰＩＮ探測(cè)器。ＩｎＧａＡｓ雪崩探測(cè)器，ＩｎＧａＡｓ肖特基探測(cè)器和量子阱探測(cè)器等等。優(yōu)化的探測(cè)器應(yīng)該滿足以下幾點(diǎn)：①輕摻雜吸收層；②電極無(wú)暗電流貢獻(xiàn)；③吸收層表面不暴露；④光生載流子遠(yuǎn)離表面等。異質(zhì)結(jié)Ｎ＋ －ｐ－Ｐ＋和Ｐ＋ －ｎ－ｎ＋光伏探測(cè)器可以滿足以上幾個(gè)條件，其結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)時(shí)簡(jiǎn)單，生長(zhǎng)也方便。基于ＩｎｘＧａ１－ｘＡｓ吸收層的Ｎ＋ －ｐ－Ｐ＋或Ｐ＋ －ｎ－ｎ＋光

應(yīng)用：

短波紅外 InGaAs 探測(cè)器以其在相對(duì)較高溫度下仍有較好的性能、遷移率

高、可靠性好等特點(diǎn)，在系統(tǒng)小型化、低成本等方面具有較大的優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)

用于空間遙感、天文觀測(cè)以及光譜成像（可以加適當(dāng)?shù)牟鍒D）等領(lǐng)域，而通過(guò)可見(jiàn)拓展可以進(jìn)一步加強(qiáng)其在軍事和商業(yè)特別是微光夜視等方面的應(yīng)用。

短波紅外探測(cè)和成像技術(shù)在航空航天、醫(yī)學(xué)成像、產(chǎn)業(yè)測(cè)溫、安全

防范等民用領(lǐng)域和精確武器制導(dǎo)、紅外報(bào)警與識(shí)別、偵察與監(jiān)視等軍事領(lǐng)域有廣

泛的應(yīng)用前景。而且在黑暗環(huán)境中僅有的自然光，包括月光、星光、大氣輝光等，

大部分能量集中在這個(gè)波段，因此短波紅外在微光夜視領(lǐng)域也有著重要的作用。

4.近紅外 InGaAs 探測(cè)器可見(jiàn)拓展的難點(diǎn)：

傳統(tǒng)的 PIN 型 InGaAs 外延材料包括 InP 襯底、InGaAs 吸收層和 InP 帽層。

InP 的禁帶寬度為 1.35eV，對(duì)應(yīng)的截止波長(zhǎng)為 920nm。 In0.53Ga0.47As 的禁帶寬度為 0.75eV，對(duì)應(yīng)的截止波長(zhǎng)為 1700nm。由于 InP 帽層或者襯底的吸收，傳統(tǒng)的InGaAs 探測(cè)器的探測(cè)范圍為 0.9-1.7μm。對(duì)于 InGaAs 面陣探測(cè)器，采用背照射的工作模式，因此要使探測(cè)器響應(yīng)波長(zhǎng)拓展到可見(jiàn)光，需要減薄或者去除 InP 襯

底。所以首先要尋找到去除 InP 襯底的合適手段，要保證減薄后芯片表面均勻一

致，且對(duì)器件造成的損傷和產(chǎn)生的應(yīng)力較小。

其次，確定需要減薄的 InP 的厚度，研究 InP 層在短波紅外和可見(jiàn)光波段的透過(guò)率。

第三， InP 與 In0.53Ga0.47As 晶格匹配，為保證減薄后的器件性能，需要保留一定厚度的 InP 層作為表面鈍化層，InGaAs 的工藝特點(diǎn)也決定需要 InP 層提供共用陰極接觸，這對(duì)減薄的方法提出了進(jìn)一步的要求。

第四，在 InP 襯底減薄的過(guò)程中，外延芯片的厚度僅剩幾個(gè)微米，很容易碎裂，無(wú)法再進(jìn)行圖形刻畫，需要對(duì)探測(cè)器的工藝流程進(jìn)行調(diào)整。

第五，在對(duì)器件進(jìn)行襯底減薄之后，考慮表面漏電的增大而使器件的暗電流增大， 需要考慮表面鈍化，為了提高器件的量子效率，需要進(jìn)行增透膜，并且要綜合考

慮生長(zhǎng)增透膜對(duì)可見(jiàn)波段和近紅外波段的量子效率的影響。

最后，在向可見(jiàn)進(jìn)行拓展的過(guò)程中，對(duì)外延結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改變，在提高可見(jiàn)波段量子效率的同時(shí)保證探測(cè)器在短波紅外波段的良好性能。