InGaAs/InP盖革模式雪崩焦平面阵列的研制

设计制作了一种由InGaAs/InP雪崩光电二极管阵列与时间计数型CMOS读出电路组成的8×8阵列规格盖革模式雪崩焦平面阵列(GM APD FPA)。雪崩光电二极管采用SAGCM结构,在盖革模式下工作具有单光子探测灵敏度;时间计数型CMOS读出电路在每个单元获取光子飞行时间,实现纳秒级的时间分辨率,并完成雪崩淬灭功能。测试结果表明,倒装混合集成的GM APD FPA器件暗计数率(DCR)均值为32.5kHz,单光子探测效率(PDE)均值为19.5%,单元时间抖动为465ps,实现了光脉冲时间信息的探测,验证了盖革模式雪崩焦平面阵列技术及其在三维成像中应用的可行性。

320×256 InGaAs短波红外焦平面阵列探测器

研制了320×256InGaAs焦平面阵列（FPA）探测器，它由InGaAs光电二极管阵列（PDA）与SiCMOS集成读出电路（ROIC）通过In凸点倒焊技术混合集成。背照射工作方式下其响应光谱范围为0．9～1．7μm。为实现InGaAsPDA与所设计的可调积分电容跨阻抗反馈放大器接口电路良好匹配，分析讨论了InGaAs光电二极管响应度、暗电流、结电容等光电特性对表征InGaAsFPA的主要性能指标的影响，优化了InGaAs光电二极管单元结构设计。采用优化结果研制的320×256InGaAsFPA，在室温下的峰值探测率达到6×10^12cm·Hz1/2·W^-1，动态范围达到68dB。

短波红外InGaAs焦平面探测器研究进展

短波红外InGaAs焦平面探测器具有探测率高、均匀性好等优点,在航天遥感、微光夜视、医疗诊断等领域具有广泛应用。近十年来,中国科学院上海技术物理研究所围绕高灵敏度常规波长(0.9~1.7μm)InGaAs焦平面、延伸波长(1.0~2.5μm)InGaAs焦平面以及新型多功能InGaAs探测器取得了良好进展。在常规波长InGaAs焦平面方面,从256×1、512×1元等线列向320×256、640×512、4000×128、1280×10^24元等多种规格面阵方面发展,室温暗电流密度优于5 n A/cm2,室温峰值探测率优于5×10^12cm·Hz1/2/W。在延伸波长InGaAs探测器方面,发展了高光谱高帧频10^24×256、10^24×512元焦平面,暗电流密度优于10 n A/cm^2和峰值探测率优于5×10^11cm·Hz1/2/W@200 K。在新型多功能InGaAs探测器方面,发展了一种可见近红外响应的InGaAs探测器,通过具有阻挡层结构的新型外延材料和片上集成微纳陷光结构,实现0.4~1.7μm宽谱段响应,研制的320×256、640×512焦平面组件的量子效率达到40%@0.5 m、80%@0.8 m、90%@1.55 m;发展了片上集成亚波长金属光栅的InGaAs偏振探测器,其在0°、45°、90°、135°的消光比优于20:1。

高性能短波红外InGaAs焦平面探测器研究进展

中科院上海技物所近十年来开展了高性能短波红外InGaAs焦平面探测器的研究。0.9~1.7mm近红外In Ga As焦平面探测器已实现了256×1、512×1、1024×1等多种线列规格,以及320×256、640×512、4000×128等面阵,室温暗电流密度<5 n A/cm^2,室温峰值探测率优于5×10^(12)cm×Hz^(1/2)/W。同时,开展了向可见波段拓展的320×256焦平面探测器研究,光谱范围0.5~1.7mm,在0.8mm的量子效率约20%,在1.0mm的量子效率约45%。针对高光谱应用需求,上海技物所开展了1.0~2.5mm短波红外InGaAs探测器研究,暗电流密度小于10 n A/cm^2@200 K,形成了512×256、1024×128等多规格探测器,峰值量子效率高于75%,峰值探测率优于5×10^(11)cm×Hz^(1/2)/W。

128×1线列InGaAs短波红外焦平面的研究

报道了用分子束外延(MBE)方法生长的掺杂InGaAs吸收层PIN InP/InGaAs/InP双异质结外延材料,通过干法刻蚀和湿法腐蚀相结合制作台面、硫化和聚酰亚胺钝化、电极生长等工艺,制备了128×1台面正照射InGaAs探测器阵列.测试了器件的变温I-V、响应光谱和探测率,在278K时平均峰值探测率为1.03×1012cmHz1/2W-1.实现了128元InGaAs探测器阵列与CTIA结构L128读出电路相互连,经封装后,在室温(291K)时成功测出128元响应信号.焦平面响应的不均匀性为18.3%,并对不均匀性产生的原因进行了分析.

空间遥感用近红外InGaAs焦平面组件(英文)

介绍了InGaAs PIN探测器的结构和主要性能指标,综述了InGaAs探测器的研究进展,特别是我国空间遥感用高均匀性长线列InGaAs焦平面组件的关键技术和主要性能结果。近年来,我国空间遥感用InGaAs得到了较快发展,研制出光谱响应为0.9～1.7μm的正照射和背照射256×1元InGaAs线列焦平面组件,室温下其峰值响应率分别为7.8×1011cm·Hz1/2/W和4.5×1011cm·Hz1/2/W,而且利用正照射256×1元InGaAs线列焦平面组件实现了扫描成像,图像清晰。此外,研制了光谱响应延展至2.4μm的256×1元InGaAs线列焦平面组件,其室温下峰值探测率为2.5×1010cm·Hz1/2/W。这些研究结果为下一步更长线列焦平面组件的研制提供了坚实的基础,同时器件的性能需要进一步提高,以满足空间遥感应用的要求。

256元InGaAs线列红外焦平面及扫描成像

报道了用分子束外延(MBE)方法生长掺杂InGaAs的PIN InP/InGaAs/InP外延材料,通过台面制作、硫化处理、ZnS/聚酰亚胺双层钝化、电极生长等工艺,制备了256元正照射台面InGaAs线列探测器,278K时平均峰值探测率为1.33×1012cmHz1/2W-1.测试了不同钝化方式探测器典型I-V曲线和探测率,硫化可以减小探测器暗电流,ZnS/聚酰亚胺双层钝化效果最好.并对ZnS/聚酰亚胺双层钝化InGaAs探测器进行了电子辐照研究.256元InGaAs探测器阵列与两个CTIA结构128读出电路互连并封装,在室温时,焦平面响应率不均匀性为19.3%.成功实现了室温扫描成像,图像比较清晰.

64×64 InGaAs/InP三维成像激光焦平面探测器

针对900~1 700 nm波长无扫描激光三维成像雷达的需求,研制了一种规模为64×64的线性模式雪崩焦平面阵列(LM-APD-FPA),它由InGaAs/InP雪崩光电二极管阵列与CMOS专用读出电路(ASIC)组成。该器件采用飞行时间(TOF)测距的方式工作,APD光敏芯片将脉冲激光信号转化成脉冲光电流,读出电路对其进行放大、阈值比较后实现激光探测并在每个单元获取光脉冲的飞行时间,将其转化成二进制编码信号后串行输出。测试结果表明,64×64 LM-APD-FPA有效像元最小可探测光功率值约为400 nW,时间分辨率为1 ns。用该探测器在激光雷达系统上实现了无扫描单脉冲激光三维成像,表明了线性模式激光焦平面探测器可用于激光三维成像领域。

InGaAs可见/短波红外焦平面探测器新进展

In1-xGaxAs是一种Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体合金材料,其光谱响应截止波长可随合金组分x值的不同在0.87μm(GaAs)～3.5μm(InAs)范围内变化。InGaAs材料在光通讯领域的广泛应用和可在常温下工作的特点,使其成为焦平面成像领域的研究热点。国际市场已有商业化产品,主要应用于民用、军用、航空、空间遥感等领域。在介绍In1-xGaxAs短波红外焦平面探测器的主要特性及研制进展的基础上,重点介绍了国际上在InGaAs光谱响应范围向可见光扩展的研究动向。

256×1线列InGaAs短波红外焦平面的研究

利用分子束外延(MBE)方法生长的掺杂InGaAs吸收层PIN InP/InGaAs/InP双异质结外延材料,通过台面制作、硫化后覆盖聚酰亚胺钝化、电极生长等工艺,制作了台面构造的256×1正照射InGaAs探测器阵列。测试了器件的I-V特性与响应光谱,得出器件的暗电流Id、零偏压电阻R0、G因子;通过信号和噪声的测试,计算出了在278K时的平均峰值探测率为1.33×1012cmHz1/2W-1。256元InGaAs探测器阵列与CTIA结构L128读出电路相互连,经封装后成功制备256×1线列InGaAs短波红外焦平面,在室温(300K)时测得256元响应信号,其响应不均匀性为19.3%。

InGaAs焦平面探测器成像组件的设计与实现

针对InGaAs短波红外成像在军事装备、安全防范和工业检测等领域中的应用,提出了一种基于FPGA技术架构的InGaAs焦平面探测器组件的设计方案。讨论了InGaAs焦平面探测器的时序驱动、TEC温控、非均匀性校正、图像增强和自动曝光等关键技术的实现方法。经试验验证,依据该方案研制出的InGaAs焦平面探测器成像组件灵敏度高、对比度好、透雾效果明显。

InGaAs单光子雪崩焦平面研究进展(特邀)

雪崩光电二极管(APD)是一种高灵敏度光电器件。按照工作电压的不同可分为线性APD和盖革APD。其中,盖革APD的工作电压高于击穿电压,利用半导体材料内部载流子的高雪崩增益可实现单光子级信号探测,也被称为单光子雪崩光电二极管(SPAD)。InGaAs材料SPAD在0.9~1.7μm光谱范围内有高量子效率,是1.06、1.55μm主动激光探测的理想探测器。通过将高效率InGaAs SPAD阵列芯片与CMOS计时/计数读出电路芯片集成封装,制备的雪崩焦平面探测器可对光子信号进行时间量化,在三维激光雷达、远距离激光通信、稀疏光子探测等领域有广泛应用。介绍了InGaAs单光子雪崩焦平面的器件结构及基本原理,在此基础上回顾了国内外雪崩焦平面技术的研究进展,并对未来发展方向进行了展望。

InGaAs纳米线雪崩焦平面探测器发展研究

基于InGaAs纳米线的光电探测器,由于其优异的性能而受到广泛的关注和研究。综述了InGaAs纳米线光电探测器的探测机理、材料结构、器件性能和当前的研究现状。讨论了InGaAs纳米线雪崩焦平面探测器结构设计、纳米线材料精密生长、纳米线材料的界面与缺陷控制、纳米线雪崩焦平面器件制备工艺等关键技术。对发展高光子探测效率、低噪声、高增益InGaAs纳米线雪崩焦平面探测器的前景进行了展望。

一种可见光波长拓展型InGaAs焦平面探测器

背照结构的InGaAs焦平面器件,受其衬底InP的阻挡,对可见光无响应。针对宽光谱探测的应用需求,研制了一种像元间距为25μm、阵列规模为640×512的InGaAs焦平面探测器。通过在倒焊互连工艺后,对器件进行干法、湿法相结合的减薄抛光工艺,所得探测器阵列(PDA)芯片最终保留厚度约5μm,实现了对400~1 700 nm光谱范围内可见光和短波红外光的同时响应,峰值探测率高于8×10^(12)cm·Hz^(1/2)·W^(-1),峰值外量子效率超过85%,响应非均匀性优于6%,器件成像效果良好。

硅微透镜阵列与红外焦平面阵列的集成器件的制备与性能(特邀)

为了提高红外焦平面阵列性能,分别制备了硅衍射微透镜阵列和InSb红外焦平面阵列并将两者集成在一起。采用光学系统和焦平面测试系统进行了测试。结果显示双面镀制有增透膜的硅衍射微透镜阵列的衍射效率为83.6%;电压响应图显示器件没有裂纹;集成器件的工作波段为3.7~4.8μm,此时平均黑体响应率和探测率分别为4.85×10^(7)V/W和7.12×10^(9)cm·Hz^(1/2)·W^(1)。结果表明硅微透镜阵列不仅可以提高焦平面阵列占空因子,而且可以通过优化焦平面应力匹配来解决芯片裂纹问题,集成器件性能优于现有焦平面性能。

SiNx钝化256元InGaAs短波红外焦平面探测器

为了改善器件的响应均匀性,通过优化台面制作与SiNx钝化工艺制备了高均匀性256元线列正照射InGaAs探测器,实现了该探测器与读出电路的互连,测试了器件的I-V特性、光谱响应、信号和噪声,并利用激光感生电流技术研究了探测器的串音和光敏感区的扩大问题。测试结果表明:在-0.5V偏压下,探测器的暗电流典型值约为0.9nA,平均峰值探测率为7.8×1011cm·Hz1/2·W-1,响应的不均匀性为4.8%。LBIC测试结果表明:光敏元区没有扩大,光敏元之间串音较小,并成功实现了室温扫描成像,图像比较清晰。

InGaAs红外焦平面

本文概括了国内外InGaAs红外焦平面的研究现状、发展趋势和基本性质。介绍了几种InGaAs红外焦平面的结构和工作原理,及其在军用、民用和空间遥感领域的应用前景。对InGaAs焦平面的研究和开发将具有非常重要的意义。

2560×2048元短波红外InGaAs焦平面探测器(特邀)

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10μm的2 560×2 048元焦平面探测器,其峰值探测率优于1.0×10^(13)cm·Hz^(1/2)/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。

集成线性渐变滤光片和InGaAs焦平面的微型光谱模组及其波长定标（英文）

提出一种集成线性渐变滤光片和InGaAs焦平面的微型近红外光谱模组.作为核心分光元件,线性渐变滤光片被紧密耦合在光敏芯片表面.相比于光栅分光方式,模组具有紧凑的光学结构和稳定的光学特性.对此光谱模组进行波长定标实验,并给出了标定准确性评价.实验结果表明,该光谱模组的波长范围为900~1 700nm,波长准确性优于1.3nm,光谱分辨率小于通道中心波长的1.25%.基于此光谱模组的波长定标方法准确、可行,可以被用于微型近红外仪等在线光谱分析领域.

短波红外InGaAs焦平面探测器的技术进展

InGaAs焦平面阵列探测器是短波红外(SWIR)窗口获取目标信息的主流成像器件,具有灵敏度高、可室温工作的典型技术特征,作为一类重要的军民两用技术,在军事装备、安全防范、工业检测和空天遥感等领域需求明确,应用前景广阔。文章简述了短波红外InGaAs焦平面探测器的技术进展与主要应用概况,并对该技术的发展前景进行了展望。