InGaAs 材料

2023年12月13日发(作者：寒食东风)

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常识：近红外波段 0.78-3μm，中红外波段 3-6μm，中远红外波段 6-20μm，远红外波段 20-1000μm。粗略地认为有 1~3μm、3~5μm 和 8~14μm 三个大气窗口

短波红外是指 1~3μm 波段的红外辐射. ，其广泛存在于自然界中

1.探测材料的比较

InSb 和 InAs:

材料禁带宽度较小，都是窄禁带半导体，探测器性能稳定，

但室温条件下暗电流很大，探测率较低，需要低温制冷进行工作.

HgCdTe :HgCdTe 材料制备的红外探测器在短波红外波段也有较好的性能。但是

HgCdTe 材料也存在一些局限性：在短波红外波段，Hg 组分较大，材料生长难度较大，均匀性较难

控制；HgCdTe 材料的本征缺陷浓度较高，在温度较高或辐射的作用下性能不稳

定；HgCdTe 材料存在严重的隧道效应，必须工作在低温致冷条件下，以抑制热

噪声，才能达到良好的红外探测效果

（最优短波红外材料）InGaAs:三元化合物 In1-xGaxAs 是 III-V 族的赝二元系、直接带隙的半导体材料可由 InAs 与 GaAs 以任何配比形成。，InxGa1－xAs 材料为闪锌矿立方晶体结构如图 1.3.1 所示，

随着组分 x 的变化，其晶格常数从 GaAs 的 5.6533Ǻ 变化到 InAs 的 6.0583Ǻ，禁带宽度从 1.43eV 变化到0.35eV，相应的，截止波长从 0.87μm 变化到 3.5μm，很好的覆盖了 1-3μm 的大气窗口，因此是制备短波红外探测器的合适材料。In1-xGaxAs 材料具有高迁移率、良好的抗辐照特性等优点，而且 InGaAs 材料制备技术非常成熟，包括气相外延、液相外延、金属有机化合物化学气相淀积、分子束外延技术等，可以生长出高质量的 InGaAs 外延材料。因此 InGaAs 探测器是小型化、低成本和高可靠性

的短波红外探测系统的最佳选择之一。

2. InGaAs器件：

采用ＩｎｘＧａ１－ｘＡｓ材料的探测器有很多， 如ＩｎＧａＡｓ光伏探测器，

伏探测器，有时也称ＩｎｘＧａ１－ｘＡｓＰＩＮ探测器。ＩｎＧａＡｓ雪崩探测器，ＩｎＧａＡｓ肖特基探测器和量子阱探测器等等。优化的探测器应该满足以下几点：①轻掺杂吸收层；②电极无暗电流贡献；③吸收层表面不暴露；④光生载流子远离表面等。异质结Ｎ＋ －ｐ－Ｐ＋和Ｐ＋ －ｎ－ｎ＋光伏探测器可以满足以上几个条件，其结构在设计时简单，生长也方便。基于ＩｎｘＧａ１－ｘＡｓ吸收层的Ｎ＋ －ｐ－Ｐ＋或Ｐ＋ －ｎ－ｎ＋光

应用：

短波红外 InGaAs 探测器以其在相对较高温度下仍有较好的性能、迁移率

高、可靠性好等特点，在系统小型化、低成本等方面具有较大的优势，被广泛应

用于空间遥感、天文观测以及光谱成像（可以加适当的插图）等领域，而通过可见拓展可以进一步加强其在军事和商业特别是微光夜视等方面的应用。

短波红外探测和成像技术在航空航天、医学成像、产业测温、安全

防范等民用领域和精确武器制导、红外报警与识别、侦察与监视等军事领域有广

泛的应用前景。而且在黑暗环境中仅有的自然光，包括月光、星光、大气辉光等，

大部分能量集中在这个波段，因此短波红外在微光夜视领域也有着重要的作用。

4.近红外 InGaAs 探测器可见拓展的难点：

传统的 PIN 型 InGaAs 外延材料包括 InP 衬底、InGaAs 吸收层和 InP 帽层。

InP 的禁带宽度为 1.35eV，对应的截止波长为 920nm。 In0.53Ga0.47As 的禁带宽度为 0.75eV，对应的截止波长为 1700nm。由于 InP 帽层或者衬底的吸收，传统的InGaAs 探测器的探测范围为 0.9-1.7μm。对于 InGaAs 面阵探测器，采用背照射的工作模式，因此要使探测器响应波长拓展到可见光，需要减薄或者去除 InP 衬

底。所以首先要寻找到去除 InP 衬底的合适手段，要保证减薄后芯片表面均匀一

致，且对器件造成的损伤和产生的应力较小。

其次，确定需要减薄的 InP 的厚度，研究 InP 层在短波红外和可见光波段的透过率。

第三， InP 与 In0.53Ga0.47As 晶格匹配，为保证减薄后的器件性能，需要保留一定厚度的 InP 层作为表面钝化层，InGaAs 的工艺特点也决定需要 InP 层提供共用阴极接触，这对减薄的方法提出了进一步的要求。

第四，在 InP 衬底减薄的过程中，外延芯片的厚度仅剩几个微米，很容易碎裂，无法再进行图形刻画，需要对探测器的工艺流程进行调整。

第五，在对器件进行衬底减薄之后，考虑表面漏电的增大而使器件的暗电流增大， 需要考虑表面钝化，为了提高器件的量子效率，需要进行增透膜，并且要综合考

虑生长增透膜对可见波段和近红外波段的量子效率的影响。

最后，在向可见进行拓展的过程中，对外延结构进行了改变，在提高可见波段量子效率的同时保证探测器在短波红外波段的良好性能。

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