1 中国科学院上海技术物理研究所，上海200083红外探测全国重点实验室，上海200083
2 中国科学院上海技术物理研究所，上海200083红外探测全国重点实验室，上海200083无锡中科德芯感知科技有限公司，江苏 无锡214135
人类的探索欲望及数千年来的不断积累促成了20世纪60年代的四大天文发现，而大气层对天文观测的一些根本性限制促使人们在20世纪冲出地球进入太空。在宽广的波段进行天文观测有着极为苛刻的要求，新猜想和模型的提出也要求进行新的验证，这些都促进了观测设备及器件的性能趋于极致。本文旨在对此进行简要的回顾分析并列举一些典型实例，侧重考察其探测波段、主镜或天线的口径、探测仪器及所用器件的类型和性能等，以便进行纵向和横向的比较，温故而思新。
天文观测 红外 太赫兹 毫米波 射频与微波 astronomical observation infrared terahertz millimeter wave radio frequency and microwave
1 中国科学院上海技术物理研究所 传感技术国家重点实验室，上海 200083
2 中国科学院红外成像材料与器件重点实验室，上海 200083
3 中国科学院研究生院，北京 100039
系统研究了快速热退火对锌扩散的In0.53Ga0.47As/InP PIN探测器的影响。利用电化学电容电压和二次离子质谱技术分析了退火前后Zn和净受主的浓度分布，结果表明退火过程会影响杂质浓度，但不影响扩散深度。制备了不同退火条件的In0.53Ga0.47As/InP PIN探测器。器件测试反映，未退火的探测器在260~300K具有更低的器件电容和更高的激活能。通过暗电流成分拟合对器件暗电流机制进行分析，未退火器件表现出更低的肖克利-里德-霍尔产生复合电流和扩散电流，因而室温下未退火器件具有更高的峰值探测率。为了制备高性能低掺杂吸收层结构的平面型InGaAs探测器，快速热退火是不必要的工艺。
短波红外 铟镓砷探测器 快速热退火 扩散 shortwave infrared InGaAs detector rapid thermal annealing diffusion
1 哈尔滨理工大学 电气与电子工程学院，黑龙江 哈尔滨 150080
2 中国科学院上海技术物理研究所 传感技术国家重点实验室，上海 200083
3 中国科学院上海技术物理研究所 红外物理国家重点实验室，上海 200083
研究了分子束外延生长条件对高铟组分InGaAs材料性能的影响，分析了生长温度、V/III比和As分子束形态对In0.74Ga0.26As材料光致发光和X射线衍射峰强度、本底载流子浓度和迁移率的影响。测试结果表明：适中的生长温度和V/III比可以提高材料晶格质量，减少非辐射复合，降低本底杂质浓度。As分子束为As2时In0.74Ga0.26As材料质量优于As4分子束。当生长温度为570 ℃，As分子束形态为As2，V/III比为18时，可以获得较高的光致发光和X射线衍射峰强度，室温和77 K下的本底载流子浓度分别达到6.3×1014 cm-3和4.0×1014 cm-3，迁移率分别达到13 400 cm2/Vs和45 160 cm2/Vs。
InGaAs 高铟组分 短波红外 分子束外延 迁移率 InGaAs high indium composition short-wave infrared molecular beam epitaxy（MBE） mobility
1 中国科学院上海技术物理研究所 传感技术国家重点实验室，上海 200083
2 中国科学院上海技术物理研究所 中国科学院红外成像材料与器件重点实验室，上海 200083
三五族化合物半导体具有丰富的特性，使其在电子学、光电子学以及光子学领域获得了各种应用，这些都源自于三族元素和五族元素构成之二元系的各种魔幻组合形成的多变特性。本文基于二元系砷化物、磷化物及锑化物，对其构成的各种三元系、四元系和五元系的特征进行了几何图示阐述，主要涉及其带隙、晶格常数及其与不同衬底的晶格匹配区域。对氮化物和稀氮、铋化物和稀铋以及硼化物的一些特性也进行了简要讨论。通过对整个三五族化合物半导体的全面了解将有助于深入了解其潜力和可持续发展态势，包括存在的诸多挑战。
三五族化合物半导体 二元系 三元系 四元系 五元系 III-V compound semiconductors binary ternary quaternary quinary
1 中国科学院上海技术物理研究所 传感技术国家重点实验室，上海 200083
2 中国科学院红外成像材料与器件重点实验室，上海 200083
3 中国科学院大学，北京 100049
采用闭管扩散的方法成功研制了截止波长2.2 μm的平面型延伸波长InGaAs探测器芯片。在分子束外延法（MBE）生长的In0.75Al0.25As/ In0.75Ga0.25As/ In0.75Al0.25As外延材料上，采用砷化锌作为扩散掺杂源、SiNx作为扩散掩膜层，实现了扩散成结。分析了扩散结深和载流子侧向收集宽度、I-V特性、光谱响应特性和探测率，结果表明：150 K温度下，器件暗电流密度0.69 nA/cm2@-10 mV，响应截止波长和峰值波长分别为2.12 μm和1.97 μm，峰值响应率为1.29 A/W，峰值量子效率达82%，峰值探测率为1.01×1012 cmHz1/2/W。这些结果对后续进一步优化平面型延伸波长InGaAs焦平面探测器有重要的指导意义。
延伸波长 InAlAs/InGaAs 扩散 暗电流密度 量子效率 wavelength-extended InAlAs/InGaAs diffusion dark current density quantum efficiency
1 中国科学院上海技术物理研究所 传感器技术国家重点实验室，上海 200083
2 中国科学院上海技术物理研究所 红外成像材料与器件重点实验室，上海 200083
3 中国科学院大学，北京 100049
采用In0.74Al0.26As / In0.74Ga0.26As / InxAl1-xAs异质结构多层半导体作为半导体层，制备了金属-绝缘体-半导体（MIS）电容器。其中，SiNx和SiNx / Al2O3分别作为MIS电容器的绝缘层。高分辨率透射电子显微镜和X射线光电子能谱的测试结果表明，与通过电感耦合等离子体化学气相沉积生长的SiNx相比，通过原子层沉积生长的Al2O3可以有效地抑制Al2O3和In0.74Al0.26As界面的In2O3的含量。根据MIS电容器的电容-电压测量结果，计算得到SiNx / Al2O3 / In0.74Al0.26As的快界面态密度比SiNx / In0.74Al0.26As的快界面态密度低一个数量级。因此，采用原子层沉积生长的Al2O3作为钝化膜可以有效地降低Al2O3和In0.74Al0.26As之间的快界面态密度，从而降低In0.74Ga0.26As探测器的暗电流。
InAlAs 原子层沉积 Al2O3 SiNx 金属-绝缘体-半导体电容器 界面态密度 InAlAs ALD Al2O3 SiNx MIS capacitor interface state density
1 中国科学院上海技术物理研究所 传感技术国家重点实验室，上海 200083
2 中国科学院上海技术物理研究所 中国科学院红外成像材料与器件重点实验室，上海 200083
围绕新一代遥感探测仪器应用需求，中国科学院上海技术物理研究所在短波红外InGaAs焦平面探测器领域取得了一系列进展。通过低缺陷外延材料、焦平面芯片制备工艺和低噪声读出电路技术研究，研制实现了最大规模达2560×2048元的10 μm中心距1~1.7 μm InGaAs焦平面探测器，峰值探测率优于1.0×1013 cmHz1/2/W，有效像素率达到99.7%；研制实现了1280×1024元15 μm中心距的1~2.5 μm延伸波长探测器，峰值探测率优于5.0×1011 cmHz1/2/W；发展了新体制新结构器件，研制了单片集成4向偏振功能的160×128元偏振焦平面探测器，消光比优于37：1；研制了64×64元盖革雪崩焦平面探测器，时间分辨率达到0.8 ns。
铟镓砷 焦平面 短波红外 暗电流 偏振探测 雪崩倍增 InGaAs focal plane array short wavelength infrared dark current polarization detection avalanche multiplication
1 上海理工大学 材料科学与工程学院，上海 200093
2 中国科学院上海技术物理研究所 红外物理国家重点实验室，上海 200083
3 上海师范大学 数理学院，上海 200234
4 中国科学院上海技术物理研究所 红外成像材料与器件重点实验室，上海 200083
在平面型InGaAs P-i-N短波红外探测结构中，p型杂质在材料中纵向和横向的扩散是决定pn结位置及其光电性能的主要因素，本文采用扫描电容显微方法（SCM）获得了扩散成结InGaAs/InAlAs像元剖面的二维载流子分布，从而实现对不同扩散条件下pn电场结的精确定位和分析。此外，对于InGaAs/InP探测器，SCM测量揭示了Zn杂质在各功能层中扩散行为的显著差异。在InGaAs吸收区中，Zn的侧向扩散速度是深度方向的3.3倍，远高于其在n-InP帽层中0.67的侧向与深度扩散比，这将对光敏元的边缘电容以及暗电流特性产生影响。
扫描电容显微（SCM） InGaAs平面型探测器 扩散行为 光电流响应 Scanning Capacitance Microscopy（SCM） planar InGaAs detector diffusion behavior photocurrent response
1 中国科学院上海技术物理研究所 传感技术国家重点实验室，上海 200083
2 中国科学院红外成像材料与器件重点实验室，上海 200083
高性能大规模小像元短波红外InGaAs焦平面探测器是新一代航天遥感仪器向高空间分辨率、高能量分辨率、高时间分辨率发展需要的核心器件。文中报道了高密度InGaAs探测器阵列设计与制备，并与匹配的Si-CMOS读出电路倒焊互连形成焦平面的最新研究进展，重点突破了高密度小像素探测器的暗电流和噪声抑制、百万像素焦平面倒焊互连等关键技术，解决了高平整度芯片面形控制、In柱凸点形貌和高度一致性控制、高密度倒焊偏移控制等倒焊新工艺，研制了像元中心距10 μm的2560×2048元焦平面探测器，其峰值探测率优于1.0×1013 cm·Hz1/2/W，响应不均匀性优于3%，有效像元率优于99.7%，动态范围优于120 dB。采用该焦平面进行了实验室演示成像，图片清晰。
InGaAs 焦平面 短波红外 探测率 暗电流 InGaAs focal plane short-wave infrared detectivity dark current 红外与激光工程
2022, 51(3): 20210941
1 中国科学院上海技术物理研究所 传感技术国家重点实验室，上海 200083
2 中国科学院红外成像材料与器件重点实验室，上海 200083
3 中国科学院大学，北京 100049
为了获得低噪声铟镓砷（InGaAs）焦平面，需要采用高质量的非故意掺杂InGaAs（u-InGaAs）吸收层进行探测器的制备。采用闭管扩散方式，实现了Zn元素在u-InGaAs吸收层晶格匹配InP/In0.53Ga0.47As异质结构材料中的P型掺杂，利用扫描电容显微技术(SCM)对Zn在材料中的扩散过程进行了研究，结果表明，随着扩散温度和时间增加，p-n结结深显著增加，u-InGaAs吸收层材料的扩散界面相比较高吸收层浓度材料（5×1016 cm−3）趋于缓变。根据实验结果计算了530 ℃下Zn在InP中的扩散系数为1.27×10−12cm2/s。采用微波光电导衰退法(μ-PCD)提取了InGaAs吸收层的少子寿命为5.2 μs。采用激光诱导电流技术(LBIC)研究了室温下u-InGaAs吸收层器件的光响应分布，结果表明：有效光敏面积显著增大，对实验数据的拟合求出了少子扩散长度LD为63 μm，与理论计算基本一致。采用u-InGaAs吸收层研制的器件在室温(296 K)下暗电流密度为7.9 nA/cm2，变温测试得到激活能Ea为0.66 eV，通过拟合器件的暗电流成分，得到器件的吸收层少子寿命τp约为5.11 μs，与微波光电导衰退法测得的少子寿命基本一致。
Zn 扩散 结深 少子扩散长度 InGaAs Zn diffusion junction depth minority carrier diffusion length InGaAs 红外与激光工程
2021, 50(11): 20210073
