高性能InP/InGaAs宽光谱红外探测器

史衍丽，李 龙，杨绍培，刘文波，范明国，龚燕妮，葛 鹏，李 雪



高性能InP/InGaAs宽光谱红外探测器

史衍丽1,2，李 龙1，杨绍培1，刘文波1，范明国1，龚燕妮1，葛 鹏1，李 雪1

（1.北方夜视科技集团有限公司，云南 昆明 650223；2.微光夜视技术重点实验室，陕西 西安 710065）

InP/In0.53Ga0.47As短波红外探测器是一种高性能的近室温工作器件，从200K到室温下都能获得较好的器件性能，从而大大降低了对制冷的要求。为了充分利用目标在可见光和短波波段的光谱信息，通过特殊的材料结构设计和器件背减工艺，成功实现了320×256InP/InGaAs宽光谱红外探测器，能够同时对可见光和短波红外响应，并从77K到263K工作温度下实现了对人脸、计算机及室外2.3km处的景物成像。测试样管平均峰值探测率为2×1012cmHz1/2/W，光谱响应为0.6～1.7mm，光谱响应测试和成像结果同时验证了InP/InGaAs宽光谱探测器对可见光信号的探测。相比标准的InP/In0.53Ga0.47As短波探测器，InP/InGaAs宽光谱探测器显示了可见/短波双波段探测的效果，大大丰富了探测目标的信息量，可显著提升对目标的识别率。

InP/InGaAs；高性能；宽光谱；可见/短波；双波段探测

0 引言

InP/In0.53Ga0.47As探测器是一种高性能的短波红外探测器，已报道的器件规格达2k×2k，器件性能在室温下可达到1×1014cmHz1/2/W，是迄今为止性能最好的短波红外探测器[1-4]，具有高性能、高性价比的优势，可广泛应用于高性能夜视、人眼安全激光主被动探测、航天航空、水上搜救、居民安防、工业生产监视等领域[5-9]。

InP/In0.53Ga0.47As焦平面探测器工作时目标反射的光子从探测器背面入射，其响应波段由InP衬底、In0.53Ga0.47As吸收层材料决定其前截止和后截止波长。室温下InP材料的禁带宽度为1.35eV，大于该能量的辐射光子都能被InP材料吸收，从而限制了探测器的前截止波长为0.92mm；In0.53Ga0.47As吸收层室温下的禁带宽度为0.75eV，对应于探测器的后截止波长1.7mm，因此探测器的响应波段为0.9～1.7mm，称之为标准InGaAs探测器。考虑到夜天光光谱能量包含可见光和短波红外，为了充分利用夜天光辐射能量中的可见光部分，需要把标准InGaAs探测器的光谱向可见光延伸，以提高对夜天光能量的利用率。目前国际上常用的方法是把InP衬底全部去除，从而把器件前截止波长延伸到0.9mm以前，即可见光部分，实现对可见光和短波都响应的宽光谱探测。通过宽光谱探测，利用目标对2个波段的反射信息，能够增加探测目标的信息量，可望显著地提高对目标的识别率[10-13]。

为了实现高性能InP/InGaAs宽光谱探测器，在去除衬底的基础上还需要结合材料优化设计，提高在可见光波段的吸收和量子效率。相比标准InGaAs探测器，InP/InGaAs宽光谱探测器材料层数增加，InP/InGaAs异质界面增加，结构变得复杂，材料生长中对InP/InGaAs异质界面的晶格匹配控制也更困难，要求也更高。

通过对InP/InGaAs宽光谱探测器材料结构和器件工艺的优化研究，研制出高性能的320×256宽光谱探测器，测试配管性能显示300K工作温度下器件暗电流密度1.1×10－7A/cm2，器件平均峰值探测2×1012cmHz1/2/W，器件光谱响应0.6～1.7mm；另外采用市售的可见光、短波可透的光学镜头对室外建筑物、室内人脸和计算机等典型目标实现了从低温77K到263K温度的成像，220K工作温度下对2.3km建筑物的成像与77K温度下的成像效果相当，都显示了清晰的成像细节。

1 材料设计和器件制备

通过理论优化设计和工艺验证，采用的InP/InGaAs宽光谱探测器材料结构如图1所示。

为了得到高性能的宽光谱探测器，图1中的4个InP/InGaAs界面生长非常重要。由于腐蚀停层的加入，在吸收层下面引入了2个InP/InGaAs异质结界面，因此InGaAs吸收层的生长是在一个晶格发生变化的InP层上进行，相对在一个晶格完整的InP层生长，生长过程中对InGaAs吸收层的晶格匹配和应力控制更为困难，InGaAs吸收层的晶格质量更难保障。另外，为了提高可见光部分的量子效率，除了彻底去除InP衬底，需要InP下电极层厚度尽可能薄，以减少InP电极层对可见光的吸收。通过理论计算，为了在可见光0.5mm处获得10%的量子效率，InP下电极层厚度不大于0.3mm，具体的理论计算结果如图2所示。

图1 InP/InGaAs宽光谱探测器材料结构

图2 理论计算获得的不同下电极层厚度和量子效率的对应关系

从图2的计算结果可见，在其他结构参数不变的条件下，随着InP下电极层厚度从0.5mm减少到0.1mm，InP/InGaAs器件在可见光0.5mm～0.8mm范围的量子效率明显提高，而在短波部分的量子效率基本没有变化。计算结果显示通过减少InP下电极层厚度能够有效地提高InP/InGaAs器件在可见光波段探测的量子效率。

采用金属有机化合物化学气相沉积设备（MOCVD）在2英寸InP衬底上完成了InP/InGaAs宽光谱探测器材料的生长，之后采用大片工艺，通过光刻、钝化、台面刻蚀等器件加工技术，在2英寸InP/InGaAs材料上直接进行320×256探测器芯片的制备，制备的探测器芯片如图3所示。像元中心距30mm×30mm，在每个320×256 InP/InGaAs探测器芯片上布有相应的测试配管，其工艺与320×256探测器芯片完全相同，用于对工艺和器件性能进行检测分析。

对测试配管完成性能检测后，挑选性能较好的探测器芯片与读出电路互连，完成下填充后通过机化抛和腐蚀的方法去除InP衬底，余留芯片厚度小于4mm。由于减薄样品已经非常薄，在光学显微镜下观测背减表面时能看到对面的像素分布，图4给出了从背减表面看过去的320×256部分像素。减薄后的焦平面器件封装到中测变温杜瓦，进行成像测试。

图3 在2英寸材料上制备的320×256 InGaAs探测器芯片

2 InP/InGaAs宽光谱探测器性能测试分析

把InP/InGaAs宽光谱探测器测试陪管封装于检测杜瓦，进行电流-电压（-）特性、探测率、光谱响应测试，对材料质量和器件工艺进行综合评价。电流-电压特性的测试结果如图5所示。由测试结果可知，器件在室温300K、－100mV偏压时的暗电流40pA，对应的电流密度1.1×10－7A/cm2，相比之前研制器件的暗电流显著降低[14]。另外，器件光电性能测试结果显示，室温下器件平均峰值探测率2×1012cmHz1/2/W，暗电流和探测率的测试结果表明目前器件研制达到了国内报道的较好水平[15-16]。对器件进行了光谱响应测试，测试结果如图6所示。通过测试结果可看到光谱响应0.6～1.7mm，表明器件响应波长已扩展到可见光；同时，器件对可见光部分的响应还有待提高，InP电极层厚度需要进一步减少。

在陪管性能测试的基础上，把320×256 InP/InGaAs焦平面探测器封装于中测检测杜瓦，加上市售的可见光、短波可透的光学镜头（#＝1.3，焦距75mm），对室内外的景物进行了简单的成像演示。通过成像演示研究，也能清晰地看到InP/InGaAs宽光谱探测器对可见光信号的探测。中测杜瓦的温度从77K到室温连续可调，通过调节中测杜瓦温度，对InP/InGaAs焦平面探测器进行了从77K到263K（零下10℃）的成像实验研究。对距离2.3km的建筑物成像效果来看，目前研制的焦平面探测器从77K到263K都能成像，在低温77K和220K温度下的成像效果相当，进一步升高温度，超过220K温度后成像噪声变大，图像质量逐步变差。图7(a)、图7(b)给出了77K、220K温度下对2.3km处塔尖的成像，从成像效果来看2幅图成像细节没有明显的差别，都能清晰地看到天空中的云彩、塔尖和背后的树林。图中成像效果与可见光成像非常类似，成像细节清晰，反映了InP/InGaAs探测器对室温目标反射成像的机理。对近距离人脸的成像结果如图8所示，图中人的眼睛细节包括黑色眼珠清晰可见。需要说明的是以上图中的成像结果只进行了简单的背景扣除，没有进行图像增强处理。

图4 衬底全部去除后从背减表面看到的320×256 InP/InGaAs部分像素分布

图5 宽光谱InP/InGaAs探测器测试配管的I-V特性

图6 宽光谱探测器测试配管的光谱响应测试结果

图7 77K和220K温度下对2.3km处塔尖的成像效果（没有进行图像增强处理，只进行了简单的背景扣除）

为了进一步比较短波成像和宽光谱成像的差别，在光学镜头前放置滤可见光透短波的滤光片，通过把目标反射的可见光信号滤掉，对目标进行了短波成像。图9给出了计算机屏幕在短波和宽光谱成像条件下的成像结果。从图9中可见，采用宽光谱探测器成像（不加滤光片）时，可见光和短波信号都采集的条件下，计算机屏幕及屏幕上的字同时都能看到，显示了可见光和短波2个波段的信息。而加上滤可见光的滤光片进行成像时只能看到计算机屏幕，人眼可见的屏幕上的字却看不到，这是因为目前InP/InGaAs探测器只能探测计算机屏幕反射的短波信息，而屏幕上文字反射的可见光信号被滤光片滤掉，InP/InGaAs探测器探测不到文字显示的可见光信息，由于成像信息里可见光信号缺失，成像结果只能显示探测到的计算机的短波信息，即计算机的外形；从以上成像结果可看到，通过拓展探测可见光信号，InP/InGaAs宽光谱探测器成像信息里既包含了目标的可见光信息也含有短波信息，是目标在2个波段信息的融合状态，获得了类似可见光和短波双波段探测的效果。相比标准InGaAs短波探测器，InP/InGaAs宽光谱探测器增加了目标的可见光信息，大大地丰富了对目标的探测和成像信息，可望显著提高对目标的识别率。

图8 InP/InGaAs宽光谱探测器对人脸的成像效果

3 结论

采用材料结构优化设计结合衬底背减薄的技术，成功研制了320×256 InP/InGaAs宽光谱探测器，室温下器件暗电流密度1.1×10－7A/cm2，器件平均峰值探测率大于1×1012cmHz1/2/W。从低温77K到近室温220K的工作温度下都获得了对室外景物、室内人脸和计算机清晰的成像，反映了InP/InGaAs宽光谱探测器对室温目标反射成像的原理，验证了InP/InGaAs宽光谱红外探测器高温、高性能工作的优势。从短波成像和宽光谱成像的比较结果来看，通过把光谱响应延伸到可见光，相比标准InGaAs短波红外探测器，InP/InGaAs宽光谱探测器增加了目标对可见光的反射信息，大大丰富了目标的探测信息，实现了类似可见/短波双波段探测的效果，可有效提高对目标的探测和识别能力。

图9 利用短波和宽光谱探测对计算机屏幕成像的差别

致谢

感谢上海技术物理研究所胡伟达研究员、徐娇博士在器件理论计算工作方面的合作和支持。

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High Performance InP/InGaAs Wide Spectrum Infrared Detectors

SHI Yanli1,2，LI Long1，YANG Shaopei1，LIU Wenbo1，FAN 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.

史衍丽（1969-），女，山东郓城人，博士，博导，研究员，主要从事探测器的设计和研制工作。E-mail: ylshikm@hotmail.com。

云南省重点基金项目（2015FA040）。