半导体光电探测器

Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体光电探测器的新进展
发布日期:2009-01-07 我也要投稿!作者:陈良惠院士阅读:
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以下为陈良惠院士在我协会主办的2008中国光电产业发展论坛上的发言，略图。

感谢陈院士！
1 引言
光电探测器是一种把光辐射信号转变为电信号的器件，其工作原理是基于光辐射与物质的相互作用所产生的光电效应。

由于光电探测器种类多，发展迅速，我们仅聚焦于应用需求迫切而进展飞速的研究热点——Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体光电探测器的研究进展。

众所周知，经济社会信息化和武器装备信息化的重要基础是核心器件。

核心器件是电子元器件中技术含量最高，投入最多，采购风险最大的核心部分，它是信息化的基础，不管对国民经济信息化的影响，还是对信息化武器装备的有无、性能指标的高低、质量可靠性的好坏起着至关重要的作用，是国家综合实力和科技水平的具体体现。

2 基于Ⅲ-Ⅴ族半导体的焦平面探测器的重要优势
可见光谱区探测是基于硅材料的CCD，在其两侧，长波侧处于红外区，包括短波红外、中波红外、长波红外以及超长波红外等，短波侧为紫外区，该两区的探测都可为Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体光电探测器所覆盖，如下图所示。

探测器吸收光谱图
Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体是由元素周期表中Ⅲ族和Ⅴ族元素合成的化合物半导体的总称，包括二元的GaAs、InP、GaSb等，三元的AlGaAs、InGaAs、GaAsSb等和四元InGaAsP、AlGaInP、GaInNAs、GaInAsSb等，而作为第三代半导体的GaN、AlGaN、InGaN和AlGaInN等应该也属于Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体。

传统的Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体由于衬底材料、器件结构的外延技术以及器件工艺技术的成熟、大面积均匀和价廉，成为全光谱探测器的首选材料。

3 GaAs基量子阱红外探测器
(1)量子阱红外探测器简介
量子阱红外焦平面(QWIP)利用MBE、MOCVD薄膜生长技术，交替生长作为势阱层的GaAs （或InGaAs）材料和作为势垒层的A1GaAs(或GaAs)材料，通过改变量子阱宽度和势垒高度对带隙宽度进行人工剪裁，从而可用于大气窗口3-5 m和8-14 m红外的探测。

其探测机理是利用半导体材料的子带跃迁，实现红外光的吸收，量子阱导带内基态电子(或空穴)对红外辐射作用下，向高能带跃迁，并在外电场作用下作定向运动，从而形成与入射光强成正比的光电流。

在当前以大面阵、多色等定义的第三代红外焦平面器件中，GaAs/AlGaAs量子阱红外探测器得到了重要应用，与传统的HgCdTe红外探测器相比，它具有以下的优越性：
⑴由于III-V半导体研究的历史较长，目前已有优质的大尺寸的单晶衬底材料和晶片，其外
延生长具有很高的均匀性，完美的可重复性，器件工艺比较成熟，所以易于做成低成本、大面积、高性能的探测器阵列。

⑵通过能带结构设计，可调节探测波长，可以覆盖作为大气窗口的中波（3-5mm）和长波（8-14mm）波段；并有利于制备双色或多色探测器，可望实现与其他功能器件的集成。

⑶Ⅲ－Ⅴ族半导体材料键合力比HgCdTe红外探测器强，所以QWIP的抗高能粒子辐照能力强，特别适于天基红外探测及其应用。

⑷利用Ⅱ型超晶格能带结构（InAs/InGaSb等），可实现截止波长长达30 um的超长波红外焦平面，从而将使用波长延拓到用于太空的超长波段。

⑸QWIP光谱半宽较小，不同波段之间的光学串音小。

因此，尽管基于碲镉汞（HgCdTe，MCT）材料的红外探测技术国内外从六十年代发展至今，已有四十多年的历史，技术上取得不断突破，目前已成为红外探测器的主流技术；但由于HgCdTe碲镉汞材料的衬底和外延技术的难度高，因而，实现低盲元率的大面阵焦平面探测器遇到很大困难。

相比之下，从八十年代中期才起步的基于Ⅲ－Ⅴ族半导体砷化镓GaAs的量子阱红外探测器（QWIP）发展更加迅速，近年来已成为国际上研究的热点，在短短的二十年时间里，已发展成1024 1024的大面阵和多波长探测，并在军事（预警探测、情报侦察、精确制导、探雷、火控等）及民用方面（工业检测、医疗卫生、安全防范等）都已成功的进行了实际应用。

下面分别就其发展进程和实际应用给予简单介绍。

(2) 量子阱红外焦平面列阵国内外发展概况
量子阱红外探测器是上世纪八十年代中期才发展起来的红外探测器领域的新秀，1985年斯坦福大学和惠普公司的L. C. West等人首次发现GaAs/GaA1As超晶格量子阱结构的红外吸收现象，从而掀起了对量子阱红外探测器研究的热潮。

至1988年，AT&T Bell Lab的B.F.Levine等人报道了第一个高探测率、高响应度的GaAs/AlGaAs MQW IRPD，波长8.3µm(77K)[3]。

1999年德国AIM 研制成的QWIP焦平面组件，光电导元的尺寸是24µm ×24µm，电荷存储容量为7×106e- [4]。

2003年，JPL已研制成10-16 µm 的640×512元QWIP FPA。

双色和双波段红外焦平面列阵是QWIP可以充分发挥其优势的领域。

ASA/JPL研制的640×512四色焦平面器件为当前多色器件的最高水平[6],响应波段为4～5.5 µm，8.5～10µm，10~12µm，13～15.5µ m，由4个128器件构成，300 K 背景温度下，45K的工作温度，各探测器的探测率均在1× 1011 cmHz 1/2w-1上下,可操作像元数99.9％。

2004年美国哥达德空间飞行中心、陆军研究实验室及喷气推进实验室合作研制出一种
1024×1024元8.4 9.0µm 红外焦平面列阵。

76K下，达到了背景限制红外光电探测器(BLIP)的性能。

2007年他们又报道了宽波段的1024×1024元8.4 12µm红外焦平面列阵。

57K下，该列阵(f／2摄像机系统)达到了背景限制红外光电探测器(BLIP)的性能。

国内有中国科学院半导体研究所、物理所、上海技术物理所、中国电子科技集团第11研究所、第13研究所和昆明物理所等单位，都开展了QWIP的研究，取得了很大进展。

(3) 量子阱红外探测器的应用
量子阱红外探测器在民用方面，可以用于工业生产中的设备故障探测，材料和部件的无损探测，起火点的红外寻的，人体病变的病灶寻找以及非接触探雷等，此外，在军事应用方面，以下列出几种应用实例：
a.美国海军航母上的舰载战斗机F－14D装备了两波段FLIR系统。

采用GaAlAs/GaAs量子阱红外传感器.其响应波段为8～12μm或3～5μm，据说图像质量优于碲镉汞探测器。

b.美国对双色中长波256×256 GaAlAs/GaAs量子阱红外光电探测器（QWIP）焦平面阵列在作战坦克、轻型作战车辆、黑鹰直升飞机等进行野外测试，结果表明明显地提高了系统的目标探测和识别能力。

c.美国喷气式推进实验室（JPL）研制的STVR－1D QWIP热像仪已成为第一个进入太空的GaAlAs /GaAs量子阱红外焦平面热像仪，其核心组件是320×240 GaAlAs /GaAs量子阱红外探测器。

(4)、量子阱红外焦平面器件的主要问题和发展方向
量子阱红外探测器探测率低，主要受其物理机理的限制。

首先由于量子阱探测器无法接收垂直入射的光，不得不采用光栅耦合方法解决，这就带来光电转换效率的降低。

另外应用子带跃迁机理的量子阱探测器，利用阱内掺杂提供光激发的载流子，其数目远远小于利用带间跃迁的HgCdTe体材料的载流子数目。

以上两个原因导致了量子阱红外探测器的量子效率比HgCdTe探测器为低。

量子阱红外探测器还存在器件工作温度低，暗电流比较大的弱点。

温度对器件的影响很大，温度升高，暗电流和噪声迅速增加，器件性能受到限制。

如何降低暗电流，提高量子效率和器件工作温度，充分发挥量子阱焦平面器件的优势，以满足现代军用和民用的大量需求，是未来量子阱红外焦平面实用化的主要问题。

对应于第三代红外焦平面的发展要求，克服量子阱红外探测器的弱点、发挥自身优势，今后，量子阱焦平面器件应从如下几个方面发展：
1) 发展更大像元的量子阱红外探测器。

2) 发展双（多）色红外焦平面探测器和红外/紫外双（多）色焦平面探测器。

3) 提高工作温度，降低器件暗电流和噪声。

4) 发展甚长波和超长波量子阱红外探测器。

5) 发展更低维结构(量子点或量子线)的红外探测器件。

6) 发展隧道补偿的量子阱红外探测器。

7) 通过波长变换发展无读出电路的量子阱红外焦平面探测器。

(5)量子点红外探测器（QDIP）
量子点红外探测器的研究主要集中于DWELL结构，是在量子阱中嵌入量子点，DWELL结构的红外探测器兼备了传统QWIP和QDIP的特点：量子点红外探测器一样，在正入射时不需要光栅或光耦合；又象量子阱探测器在控制工作波长时具有可重复性（通过控制QD尺寸或QW尺寸）。

在DWELL异质结中可观察到载流子寿命比较长，表明其可以在更高温度下工作。

另外还具有偏压可调，在中红外波段(MWIR, 3–5 um)、长红外波段(LWIR, 8–12 um) 甚长红外波段(VLWIR, >14 um)可多色操作的优点。

4 GaN基紫外探测器
紫外探测器在导弹预警、飞行制导、秘密通信、生化武器等军事领域中占有重要的地位。

国外90年代研制的新型导弹临近报警系统中，紫外型系统几乎占到一半，可以与红外型系统并
驾齐驱。

(1)、GaN基紫外探测器简介
目前，已投入商用的紫外探测器主要有紫外真空二极管、紫外光电倍增管、紫外增强器、紫外摄像管和固体紫外探测器等，其中传统常用的是光电倍增管和硅基紫外光电二极管。

紫外光电倍增管探测有灵敏度高，对长于截止波长的光波没有响应等优点。

但也存在易碎、需要大功率源、系统体积大和价格昂贵等严重缺点。

硅基的紫外探测器克服了光电倍增管的诸多弱点，却也存在本征量子效率低、对紫外、可见和红外同样灵敏，紫外探测系统中不得不使用滤光片等弱点。

因此，上世纪末本世纪初，宽禁带半导体紫外探测器成为人们关注的热点，特别是AlGaN紫外焦平面探测器发展尤为迅速。

紫外探测器探测的中紫外和近紫外光谱区为200~400nm。

这类应用包括：天文学、燃烧工程、水净化处理、火焰探测、生物效应、天际通信及环境污染监测、火箭早期发射预警和紫外空间光通信等领域。

紫外探测技术的关键是研制高灵敏度、低噪声的紫外探测器。

在这些应用中，很重要的一点是可以探测紫外光而不同时探测红外和可见光，特别是从太阳来的光线，以最大限度的降低失效几率或降低背景光。

因此，近年来，短波紫外探测的研究集中在短波―太阳盲‖探测上。

可以给予短波―太阳盲‖探测这样的定义：这种紫外探测器对波长长于280nm的光是―盲‖的。

之所以这么选择,是因为经过大气气体吸收，很少波长在280nm以下的紫外光可以到达地球表面，因此,人们通常把紫外-C区（200－280 nm）称为太阳盲紫外(Solar Blind)。

目前用于太阳盲的新型固态紫外探测器材料主要有：AlGaN、ZnO和SiC等.
(2)、GaN基紫外探测器国内外发展概况
与Si基紫外探测器、光电倍增管相比，GaN基紫外探测器的禁带宽度大（3.4 eV-6.2 eV）、耐高温性和耐腐蚀性好，具有太阳盲、量子效率高、能在高温和苛刻环境下工作的优点。

九十年代末发展起来的紫外焦平面探测器发展极为迅速。

1999年美国Nitronex公司与北卡罗来那大学、Honeywell技术中心以及美国
夜视实验室成功地实现了基于GaN／A1GaN p-i-n型背照射32×32列阵焦平面探测器数字照相机。

响应波段为320-365 nm，峰值响应率达到0.2 A／W(358 nm)，
内部量子效率达到80％，RoA为1.5x109 •cm2，计算得到的峰值探测率达到6.1
×l013cmHz1/2W-1。

2002年该研究小组又成功制成了320×256的日盲紫外探测器，但其中只有部分像元能够有效成像，且质量不如可见光盲探测器清晰，主要原因可能是高质量的高铝组分的AIGaN材料制备困难。

2005年美国西北大学也报道了日盲型320×256紫外焦平面探测器．给出了较清晰的图像，但是没有器件性能的详细描述。

目前国内开展紫外探测器研究的研究小组有上海技术物理所、南京大学、西安电子科大、中国空空导弹研究院、北京大学和半导体研究所等，这些研究组开展了大量物理、材料和器件研究，并取得可喜的进展。

(3)紫外探测器的重要应用
GaN紫外探测器在导弹预警、飞行器制导、秘密通信、生化武器探测等军事领域中有重要的应用价值。

盲阳的GaN基紫外探测器对可见光没有响应，可以避免太阳光对探测器的干扰，用盲阳GaN紫外探测器装备的导弹告警系统，能有效的对导弹的状态进行预警；火箭发射时，
会喷出大量的羽烟，这些羽烟中有大量的紫外成分，如果采用GaN紫外探测器进行探测，能避免周围的环境对探测器的干扰，能够有效的跟踪导弹的火箭发射；目前飞行器制导多采用红外制导技术，但是随着抗红外制导技术的日趋成熟，常规的红外制导技在导弹预警、飞行器制导、秘密通信、生化武器探测等军事领域中有重要的应用价值术经常受到干扰，但是如果采用红外－紫外双色制导系统，就能够在红外制导系统失灵的同时，能够启动紫外制导系统，从而有效的将敌机击落；紫外通信具有抗干扰性好、保密性好、能够全天候工作等优点，能够用于飞机与飞机之间、飞机与舰载机之间、舰载机与舰载机之间的秘密通信联络，GaN 紫外探测器能够紫外通信系统发挥作用；有些生化武器也能发射紫外线，采用GaN紫外探测器进行监测，能够有效的避免周围环境的干扰，对生物武器进行有效的监测和跟踪。

5 室温InGaAs近红外探测器
基于Ⅲ－Ⅴ族InP衬底的InGaAs探测器，在晶格匹配生长的情况下，可以覆盖1.1-1.7 m近红外波段，并可以室温使用，这是目前光纤低色散和低损耗窗口1.31和1.55μm的长波光电探测器，InGaAs PIN和APD已广泛用作光纤通信的接收器，这些探测器与前置放大电路的集成，或者再与光发射器件集成，是目前光通信中应用面最广的光接收模块或光收发模块。

室温InGaAs pin近红外探测器阵列也可在成像方面得到的应用，包括夜视；隐蔽监视；伪装探测；荧光成像；雾中成像；由于这类探测器具有室温应用和廉价的特点，可望装备更基层的部队。

由于InGaAs量子阱红外探测器的本征光电流反应速度快，所以它有很大的应用前景，倍受人们关注。

InGaAs量子阱焦平面可用于中长波红外成像。

2005年S. Ozer等人报道的(640 512) InP/In0.53Ga0.47As长波红外QWIP FPA，在77K时NETD~40 mK ，其性能与AlGaAs/GaAs QWIP FPAs相当[28]。

6 Sb化物近红外半导体探测器
基于Ⅲ－Ⅴ族GaSb衬底的Sb化物探测器，可以填补目前探测波段的难点覆盖2-3 m近红外波段，提供急需的2.7 m焦平面探测器，并可以近室温使用。

不过由于GaSb衬底材料价格非常昂贵，缺少半绝缘衬底，使得目前以含Sb化合物为核心的红外光电器件的成本居高不下，从而极大的限制了含Sb化合物材料在红外器件中的应用。

为了降低这类器件成本，国际上通行的方法是在目前已经成熟的半导体衬底材料，如Si、GaAs 上生长晶格失配很大的低位错密度GaSb厚体材料，然后在其上生长和制造含Sb化合物半导体器件。

这种外延材料的生长难度大。

中科院微系统所在MBE锑化物材料和器件方面做了大量研究工作，他们的主要研究方向有2微米波长激光器。

中科院半导体研究所基于面向中红外第三代焦平面多色探测器的要求，对InAs/GaSb超晶格的生长技术进行了研究。

2006年成功地在GaAs衬底上生长出高质量GaSb 厚膜材料和2~3微米红外波段InAs/GaSb短周期超晶格材料。

这类材料是目前国际上的研究热点，是制造GaSb热光伏电池新能源材料、和第三代大面阵焦平面红外探测器新一代光电功能材料最重要的研究方向之一。

加拿大的H. Luo等人研制出GaAs衬底的GaNAsSb光电二极管，在1.55um处响应度为0.016 A/W 。

7 结束语
从以上分析可以看出，我们发展的探测器是基于成熟的Ⅲ－Ⅴ族化合物半导体材料和工艺技术
基础，各种波段Ⅲ－Ⅴ族化合物半导体探测器所共同覆盖的波段，正是全光谱探测技术的主光谱群。

各波段光电探测器在军事和民用方面都有重要的应用需求。

特别对于要掌握核心器件的发展中国家来说，发展Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体全（多）光谱焦平面探测器是我们的一次难得的机遇。

随着红外隐身技术的日趋成熟，单波段的红外探测器已经不能满足实际的需要，这时就需要多波段探测器（红外/红外、紫外/红外）同时工作，以大大提高对目标的识别能力和抗红外干扰能力，因此着力发展Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体全（多）光谱焦平面探测器是国际发展的共识，也是提高我国综合国力的重要举措。