在國家重點基礎研究發展計劃及其他相關科研項目的支持下，中國科學院上海技術物理研究所研究團隊聯合相關單位，開展了2.5微米波長InGaAs探測材料及器件關鍵科學問題研究，實現了延伸波長InGaAs探測器的自主研發及應用演示成像，為航天應用提供科學支撐。

航天遙感領域是當今世界最具挑戰性和引領性的高技術領域之一，積極發展航天遙感應用是增強國家經濟實力、科技實力乃至綜合國力的重要舉措。為了提高遙感衛星的應用水平，推動遙感產業的發展，應用部門對后續航天遙感儀器提出了越來越高的要求。

光電遙感是對目標在不同波段的輻射進行光電轉換，來獲得圖像等遙感信息，光電轉換的核心是光電探測器。光電探測器作為航天遙感儀器的核心部件，制約著航天光學遙感儀器的水平和發展。隨著航天遙感應用對探測目標的波段特性、空間分辨率、輻射分辨率、時間分辨率以及可靠性等要求的不斷提高，如空間分辨率由幾百米提高到l米量級，光譜分辨率由幾十納米提高到一兩納米等，遙感儀器的信噪比必須不斷提升。針對航天遙感儀器不斷推進技術進步的要求，光電探測器需要向擴展波長范圍、提高光電性能、改善光譜形狀、減小光敏元尺寸、增加器件規模、提高壽命和可靠性等方向發展。

為了中國航天遙感儀器跨代發展和未來世界一流光電探測系統的需要，以中國已部署的高分辨率對地觀測系統、載人航天和探月工程兩大重大專項中多種光電遙感儀器對高性能近紅外核心探測器的需求為牽引，開展低缺陷、高光電轉換效率的近紅外核心探測材料基礎研究，解決航天應用需求的具有極低暗電流、高量子效率近紅外探測器的瓶頸問題，對中國經濟、社會、國家安全和科學技術的自身發展都具有重大意義。

光譜中波長0.76～400微米的部分稱為紅外線，其中能通過大氣的3個波段劃分為：近紅外波段，波長1～3微米；中紅外波段，波長3～5微米；遠紅外波段，波長8～14微米。近紅外波段是重要的大氣窗口，地球上的物質通過反射環境中的太陽光表現出獨特的光譜特性，如巖石、礦物中含有的氫氧根，農作物中的水，大氣中的二氧化碳、氨氣、硫化氫、水蒸氣等。近紅外探測可以提供可見光、中波、長波紅外探測所不能提供的信息。與可見光探測相比，近紅外在氣溶膠、大氣粉塵、霧霾等條件下具有更好的探測能力，有利于獲得更為豐富的信息。

在近紅外探測領域，可應用于1～3微米波段的材料體系主要有碲鎘汞（HgCdTe）、銻化銦（InSb）和銦鎵砷（InGaAs）等。III-V族InGaAs外延材料具有較好的均勻性和穩定性，InGaAs探測器在較高的工作溫度下具有較高的探測率，器件制備工藝過程與硅（Si）工藝兼容，材料與器件的抗輻照性能好。基于InGaAs探測器的這些優點，中國航天領域跨代發展和中長期規劃的先進光電遙感儀器，如“高分辨率對地觀測系統”重大專項的國土資源與氣候衛星寬視場光譜成像儀、高精度超光譜相機，“載人航天和探月工程”重大專項的短波紅外光譜儀，以及新一代氣象衛星、環境衛星等溫室氣體探測儀，都對其提出了明確需求。

三元化合物In_1-xGa_xAs是III-V族的贗二元系半導體材料，是直接帶隙材料，具有較高的電子遷移率、良好的穩定性和抗輻照性能。In_1-xGa_xAs化合物可以由InAs和GaAs以任何配比形成，隨著組分x的變化，其禁帶寬度在0.35～1.43電子伏特范圍內變化，截止波長在3.5微米和0.87微米之間變化，可覆蓋1～3微米的近紅外波段。In_0.53Ga_0.47As外延材料和磷化銦（InP）襯底具有相同的晶格常數，此時禁帶寬度為0.75電子伏特，與InP材料完全晶格匹配。InGaAs探測器可在室溫下工作。增大In組分，可減小禁帶寬度，增大截止波長。為了滿足航天遙感領域截止波長延伸到2.5微米的需要，必須將In_xGa_1-xAs材料的In組分x提高至0.80，以實現響應波長向長波方向擴展。

但當In的含量x大于0.53時，In_xGa_1-xAs與InP襯底的晶格將不再匹配，而且兩者之間的晶格失配隨In含量的增加而增大，這會在外延層中引入位錯，形成較多缺陷，嚴重影響材料性能。極低暗電流和高量子效率問題是制約中國航天領域光電探測系統發展的瓶頸問題，該問題的解決強烈依賴于新材料的發現和材料性能的突破。因此，開展近紅外核心探測材料的基礎研究，探索由材料走向器件過程中的新現象、新效應及其航天適應性具有重要意義。

美國Sensor Unlimited公司研制了2.5微米波長1024元InGaAs探測器，應用在了歐洲空間局新一代環境衛星（ENVISAT）的有效載荷大氣分布掃描成像吸收光譜儀中，這是2.5微米波長InGaAs探測器件首次在衛星遙感上應用，已在全球溫室氣體探測方面發揮了很大作用。去年以色列航空工業公司報道了一種抑制暗電流的npin結構InGaAs探測器，采用InGaAs/GaAsSb數字超晶格作為吸收層，采用暗電流密度在室溫下降低至100納安/平方厘米以下，但零偏下響應較低。國外從事2.5微米波長InGaAs探測材料和器件的主要機構還有美國Judson公司、比利時XenIcs公司、土耳其中東技術大學等，后續研究重點仍然是進一步降低器件暗電流，并研制大規模焦平面探測器。

中國2.5微米波長InGaAs探測材料和器件的主要研究機構有中國科學院上海技術物理研究所（以下簡稱上海技物所）、上海微系統與信息技術研究所、長春光學精密機械與物理研究所、半導體研究所等。

在“十一五”期間，中科院上海技物所聯合上海微系統所、長春光機所研制了2.4微米波長的256×1、640×1元InGaAs焦平面探測器，近室溫探測率優于10¹¹厘米.赫茲^1/2/瓦；在“十二五”期間，在國家973計劃的支持下，研究團隊開展了2.5微米波長InGaAs探測材料及器件關鍵科學問題研究，創新性地引入寬禁帶帽層、異質結界面數字超晶格、緩沖層數字合金結構及吸收層內數字超晶格電子阻擋層等結構，發展了微光敏區物理參數表征方法和抑制暗電流的低損傷器件工藝新方法，顯著降低了器件暗電流，提高了器件量子效率，并實現了320×256元焦平面探測器。新型短波紅外InGaAs焦平面探測器具有室溫工作、探測率高、均勻性好等優點，有利于實現小型化、低功耗、高可靠性的短波紅外系統，可應用于微光夜視、高光譜成像、紅外天文探測等領域。

中國科學院上海技物所以航天應用需求的極低暗電流和高量子效率近紅外InGaAs光電探測器為牽引，開展低缺陷密度、高光電轉換效率的失配體系InGaAs異質探測材料的基礎研究。

[該項目以國家重大需求為導向，著力解決航天應用近紅外核心探測材料及器件的關鍵科學問題，在材料新結構、新機理和新方法方面取得了有鮮明特色和自主知識產權的科學研究成果。與國內外同類研究相比，主要創新點和特色表現在以下幾個方面。]

（1）抑制缺陷密度的外延材料緩沖層新結構：研究高In組分異質探測材料的能帶結構和少數非平衡載流子輸運的物理過程，提出并獲得了寬禁帶銦鋁砷（InAlAs）組分非單調變化及非線性遞變的緩沖層、改進界面特性的短周期數字遞變超晶格異質界面過渡層和寬禁帶銦砷磷（InAsP）組分遞變緩沖層新結構，改善表面界面特性，獲得了高質量低缺陷多層異質外延材料；

（2）高靈敏度的亞波長局域增強新結構：研究SPP在微納尺度的金屬/InGaAs界面上光場增強和局域化物理機理，提出并獲得集成亞波長的局域增強新結構和低缺陷的薄吸收層外延材料，建立SPP吸收增強特性評價方法，在降低多層異質結的擴散和產生-復合電流的同時，提高量子效率，從而提高探測靈敏度；

（3）多層異質材料微光敏區物理參數表征新方法：建立了光電導衰退、微波反射法等應用于多層InGaAs異質材料微光敏區物理參數(少子壽命、遷移率等)表征新方法，結合異質材料缺陷密度、成結深度、成結區域和摻雜濃度等微納尺度物性分析，明確材料性能與器件關鍵性能的關聯，指導材料結構和材料生長的改進；

（4）多層InGaAs異質探測材料輻照機理：應用表征新方法研究空間輻照對InGaAs異質探測新材料、新結構的作用機理，獲得材料的晶格完整性、界面特性、缺陷狀態及光電性能參數的演變行為，提出材料結構改進思路和材料損傷抑制方法，驗證新型材料航天應用的適應性。

目前，采用項目研究的高性能InGaAs外延材料，已實現了截止波長為2.5微米的延伸波長InGaAs探測器，暗電流密度降低至10納安/平方厘米@200開爾文，優于國際同類探測器公開報道的水平。在220開爾文以上，以擴散電流為主導；220開爾文以下，以歐姆電流和復合電流為主導。

已實現了單元、640×1、512×256、1024×256等多個規格的1.0～2.5微米短波紅外InGaAs探測器組件，峰值量子效率高于75％，峰值探測率優于（5×10¹¹）厘米.赫茲^1/2/瓦。其中，1024×128探測器組件已應用于短波紅外成像儀中，獲得了清晰成像圖片。其中，單元器件已經應用于探月工程CE5月球礦物分析儀正樣研制中。

綜上所述，中科院上海技物所研究團隊聯合相關單位，開展了2.5微米波長InGaAs探測材料及器件關鍵科學問題研究，實現了單元、320×256、1024×128等規模的探測器，實現了延伸波長InGaAs探測器的自主研發及應用演示成像，為航天應用提供科學支撐。該研究成果可進一步向微光夜視、安全監測等領域推廣應用，具有重大的經濟效益和社會效益。

項目組下一步的計劃是：開展延伸波長InGaAs大面積高性能探測材料及器件研究，構建關鍵科學問題-關鍵技術-典型應用的一體化研究鏈，引入低維量子結構進行能帶及界面應力調控，研究應變異質外延層失配位錯抑制的微觀機制和低損傷成結微觀物理機制及有效鈍化機理，建立材料微光敏區核心參數與器件關鍵性能參數之間的關聯性，解決室溫工作百萬像素級InGaAs焦平面探測器所面臨的大面積異變外延材料及器件工藝均勻性、芯片及焦平面噪聲抑制等關鍵技術，使外延材料性能達到國際先進水平，并研制2.5微米波長1024×1024探測器，且峰值探測率優于（5×10¹¹）厘米·赫茲^1/2/瓦，實現演示成像，為中國高端短波紅外光探測器件的發展奠定堅實的科學技術基礎。

致謝：感謝國家973計劃項目“高性能近紅外InGaAs探測材料基礎研究及其航天應用驗證”（課題編號：2012CB619200）的支持。

專家簡介

龔海梅：中科院上海技術物理研究所研究員。
張永剛：中科院上海微系統與信息技術研究所研究員。
繆國慶：中科院長春精密機械與物理研究所研究員。
韋欣：中科院半導體研究所研究員。
李雪：中科院上海技術物理研究所。