2012CB619200-G高性能近红外InGaAs探测材料基础研究及其航天应用验证

1、项目名称：高性能近红外InGaAs探测材料基础研究及其航天应用验证首席科学家：龚海梅 中国科学院上海技术物理研究所起止年限： 2012.1-2016.8依托部门： 中国科学院 上海市科委一、关键科学问题及研究内容为满足我国航天应用对地遥感、天文观测和深空探测等领域极弱信号近红外探测的需求，以获得极低暗电流和高量子效率的III-V族InGaAs近红外探测器为牵引，以研究低缺陷密度和高光电转换效率的失配体系InGaAs材料为主线，对高In组分异质材料能带和载流子输运进行科学调控，揭示失配体系材料的界 面特性与缺陷形成、演化及作用机理，提出高 In组分异质探测材料新结构和微 光敏区参数表征新方法，建

2、立多层异质材料微纳尺度物性与探测器关键性能参数（量子效率、暗电流）的相关性。围绕超高灵敏度的高In组分异质探测材料结构-材料生长-材料物性-器件性能的研究链，设计高In组分异质材料结构，控制低缺陷生长过程，从而得到航天应用的高性能高In组分异质材料，进行器件验证。基于这一理念，凝练归纳出关键科学问题具体如下：1、高In组分异质探测材料能带调控与载流子输运机制；2、高探测灵敏度的亚波长结构光场增强和局域化物理机理；3、失配体系异质探测材料缺陷的形成机制、演化效应及控制；4、材料微光敏区参数的表征及其与航天应用器件性能的关联性。关键科学问题和主要研究内容：1、高In组分异质探测材料能带调控与载流子

3、输运机制围绕高In组分异质探测材料结构的基础作用，从材料体系、结构、掺杂构型、品格应力等方面研究多层异质探测材料的能带科学调控和少子输运特性机制。具体科学问题主要包括：高In组分异质探测材料缓冲层新结构及其能带科 学调控，不同缓冲层结构、应变与弛豫和品格完整性对能带结构的影响；基于InGaAs光吸收层的多层异质探测材料能带尖峰、势阱和导带价带带阶等能带精 细结构及其理论修正方法；高In组分多层异质探测材料少数载流子输运的物理 过程，定量的少子输运及光电转化模型；基于能带调控和结构设计的多层异质探 测材料晶格质量、失配应力、掺杂构型的改进方法。主要研究内容包括：探索高In组分异质探测材料缓冲层新

4、结构，获得宽带 隙InAlAs组分非单调变化及非线性递变的缓冲层、改进界面特性的短周期数字 递变超晶格异质界面过渡层和宽带隙InAsP组分递变缓冲层。研究缓冲层结构、 应变与弛豫和品格完整性对高In组分多层异质外延材料能带结构的影响，通过 理论模拟数值分析方法研究不同材料体系和材料能带结构对载流子输运的影响， 指导缓冲层物理结构设计包括晶格质量、缓冲层参数以及能带结构优化等；针对 基于InGaAs光吸收层及以InxGai-xAs为基础的近红外探测材料体系的能带结构 和导带价带带阶进行研究与调控，分析异质结构界面、失配应力、位错、缺陷和 掺杂情况对相关材料体系的能带、 光学和电学参数的影响，研究

5、较大失配多层异 质材料界面能带不连续性，利用界面量子结构调控界面能带结构，分析失配应力、 掺杂情况对多层异质材料能带结构的影响； 研究不同材料体系和能带结构对载流 子输运的影响，明确少数非平衡载流子产生、扩散、复合的物理过程，完善定量 的少子输运及光电转化模型和结构参数优化模型，建立扩散系数、少子寿命、迁移率与材料结构设计、晶体质量复合中心能级位置、掺杂浓度的关系，提出多层 异质探测材料组分、晶格质量、失配应力、掺杂构型的改进要求。2、高探测灵敏度的亚波长结构光场增强和局域化物理机理采用薄层高In组分InGaAs材料作为吸收区可望降低器件的暗电流，但是 InGaAs材料厚度的降低将带来光吸收的

6、减小和量子效率的降低。采用金属亚波 长结构与薄层InGaAs材料相结合，利用亚波长人工结构对光的局域限制和吸收增强作用，为实现高In组分InGaAs探测器暗电流的降低和量子效率的提高提供 新思路。具体科学问题主要包括：降低暗电流的吸收层结构设计；局域增强吸收 的微纳尺度金属颗粒结构或周期性结构和探测器结构；表面等离子体（SPP）在微纳尺度的金属/InGaAs界面光场增强和局域化物理机理；SPP吸收增强特性的 评价方法及提高光吸收效率的亚波长结构优化。主要研究内容包括：进行材料薄吸收层厚度和掺杂浓度参数设计， 开展亚波 长集成结构的模拟分析，减少吸收层中缺陷数量，有效降低扩散和产生-复合电流，提

7、高复合结构的光电转换效率；研究 SPP在微纳尺度的金属界面上光场增 强和局域化物理本质，研究 SPP亚波长结构光子的输运机制，分析光子与电子 耦合共振条件和输运特性以及 SPP体导引聚光相关物理机制；研究适用于光探 测器的金属颗粒结构或周期性结构和与器件耦合结构；研究界面材料和微纳结构 参数对光的透射（反射）增强和局域化特性，优化界面材料，优化金属纳米结构 参数；研究纳米尺度金属结构的精细控制， 包括纳米颗粒金属薄膜，周期性纳米 微结构等；研究SPP吸收增强特性评价方法并建立有效评价手段，验证 SPP结 构对光吸收效率提高的效果。3、失配体系异质探测材料缺陷的形成机制、演化效应及控制围绕高In

8、组分异质探测材料结构的较大品格失配问题，研究失配体系近红 外异质结构的界面特性与界面行为， 降低异质探测材料缺陷密度，提高材料的光 电性能。具体科学问题主要包括：建立 III-V族InGaAs异质探测材料生长动力 学行为与界面微观结构和界面复合速度的关系，分析材料的界面特性与界面行 为，验证界面品格常数的弛豫与应力的可预测性和可控性；研究失配体系异质探 测材料的缺陷分类及其有效测量方法， 探讨缺陷的形成机理、演化过程以及湮灭机理并精细控制；获得降低材料缺陷及失配位错密度的方法，提高材料质量和器 件光电特性。主要研究内容包括：研究不同材料组分、应力状态下高In组分InGaAs异质 材料生长动力学

9、行为与界面微观结构和界面复合速度的关系，研究温度梯度、浓度梯度和界面能对其界面稳定性的影响，研究异质结界面发生的原子交换效应以 及界面能带的不连续对多层异质外延材料能带结构的影响，研究界面品格常数弛豫的可预测性和可控性，改善表面、界面性质和品格完整性；确定晶格失配体系 下外延层应力释放与晶体取向、位错运动的关系以及多层异质材料杂质分布、缺 陷和位错的形成机理，对缺陷进行分类，研究不同类别缺陷与材料少子寿命和载 流子迁移率之间的关系，深入研究位错引入的缺陷对产生-复合及扩散引起的暗 电流的影响，以及失配缺陷导致的陷阱和复合中心对缺陷辅助隧穿电流的作用， 获得缺陷类别对材料参数与器件关键光电性能的

10、影响，进而建立其关联性；研究缺陷演化过程及其精细控制方法，在较大失配的材料体系上充分降低缺陷及失配 位错密度，并深入分析材料构型、材料精细参数、生长过程等诸多因素，研究材 料预处理、生长温度、V/III比、束源角度等对外延层质量的影响，获得高质量 低缺陷多层异质外延材料。4、材料微光敏区参数的表征及其与航天应用器件性能的关联性多层异质探测材料少子输运特性、表面界面状态及过程损伤与材料生长过程、能带结构及器件工艺密切相关，对器件暗电流产生机制有重要影响。 具体科 学问题主要包括：准确定量地表征高 In组分多层异质探测材料少数载流子、扩 散系数等物理参数，分析异质材料成结深度、区域和掺杂浓度精细分

11、布，将工艺 过程对异质结表面界面态密度分布和能带结构的影响降到最低；建立多层异质探 测材料性能的微纳尺度评价方法，建立材料性能与器件性能之间的关联， 指导材 料结构和参数优化；明确高能粒子对多层异质探测材料与器件的辐照损伤机理，验证新型材料航天应用的适应性。主要研究内容包括：研究多层异质InGaAs探测材料微光敏区物理参数的表 征新方法，以光电导衰退、微波反射法等方法对单层材料的扩散系数、扩散寿命 和迁移率等评价为基础，建立光电导衰退、微波反射法等方法应用于多层异质 InGaAs探测材料测试中的物理模型，提取影响探测器关键性能的材料微光敏区 物理参数；建立焦平面探测器传递函数评价方法，研究探测

12、器用音与传递函数的 理论反演关系，从而研究与探测器性能十分相关的材料的少子扩散长度；系统开展高In组分InGaAs多层异质材料光电性质的准确提取、 优化器件级材料参数和 结构设计，研究多层异质材料的载流子输运特性，进行器件暗电流的理论模拟； 研究高In组分InGaAs探测器暗电流和光电转换效率机理，研究异质结微纳尺度 表面界面状态和能带结构的影响，分析能带结构、界面态和掺杂浓度对高In组分InGaAs探测器伏安特性和量子效率的影响；探索高In组分InGaAs材料异质成结方法，摸清异质结中杂质原子扩散系数、 扩散机制与动力学规律，获得成结 深度、区域和掺杂浓度精细分布，明确成结损伤微观尺度机制和

13、消除方法， 有效 抑制探测器的界面电流和产生复合电流；研究低损伤芯片成型方法和多层低温钝 化机理，分析钝化对异质结的能带结构和表面界面态密度的影响，降低表面态密度和表面电荷密度，实现探测器表面复合电流和产生复合电流降低；研究辐照前后材料特性如晶格完整性、界面特性、缺陷能级及光电性能参数的演变行为和探 测器的辐照效应如瞬变行为、热破坏和力学破坏等，验证新型材料航天应用的适 应性，为航天应用近红外探测器抗辐照能力的提高奠定基础。二、预期目标总体目标：面向国家战略需求，本项目以新思路发展近红外探测材料结构设计、材料生长及基于器件功能材料表征的新结构、新方法或新途径，探索并研发InGaAs材料体系，研

14、究InGaAs异质探测材料体系能带精细结构和生长控制，研究失配体 系的材料界面特性和缺陷行为，有效地改善材料的光电性能，建立材料微观结构 和器件关键性能参数之间的动态联系，指导外延材料晶格质量、能带分布以及生 长行为的控制，通过低缺陷密度、高光电转换效率的InGaAs异质探测材料深入系统的基础研究，形成我国与国际水平同步、具有鲜明特色和自主知识产权的近 红外核心探测材料，高In组分异质材料的缺陷密度降低到1M05cm-2以下；同时 与集成创新相结合，积极将基础研究成果应用于器件与系统的原理验证，研究由材料应用到器件过程中的新现象、 新效应及其空间应用辐照机理，实现高灵敏度 的原型器件，截止波长

15、为2.5 m,暗电流密度在目前100nA/cm2的基础上降低两 个数量级至1nA/cm2,量子效率由50%提高到80%以上，达到国际先进水平。 本项目的实施将为满足我国航天近红外遥感仪器跨代发展和中长期需求奠定科 学技术基础和创新团队基础。五年预期目标：本项目预期目标具体如下：(1)以失配体系高In组分异质探测材料的低缺陷密度、高光电转换效率为主线，进行多层异质外延结构的能带和载流子输运的科学调控，揭示失配体 系材料的界面特性与缺陷行为，探索以高In组分InGaAs光吸收层为基础,采用不同的异质材料、缓冲层结构、器件整体外延结构及器件表面等离激元结构等34种高性能近红外核心探测材料体系，明确近

16、红外核心材料 体系的生长参数、掺杂模式及其光电性能的规律，建立并完善失配体系异 质外延材料的生长理论，获得有效抑制材料缺陷密度的生长方法，实现高in组分材料缺陷密度 1 x 5cm-2；(2)提出2种以上高In组分异质探测材料微光敏区物理参数的表征新方法，揭示多层异质材料微纳尺度物性(扩散系数、少子寿命等)与探测器关键 性能参数(量子效率、暗电流)的关联性，指导材料缺陷密度和光电性能 的优化；探索提高量子效率的亚波长材料结构设计、集成与表征方法。由 此阐明高性能近红外InGaAs外延材料研究过程中的基本科学问题，为获 得高性能近红外核心探测材料提供规律性的认识和途径；(3)明确空间辐射对近红外

17、InGaAs核心探测材料和器件的损伤机理，提出材料结构改进思路和材料损伤抑制方法，验证新型材料航天应用的适应性。结合材料微纳尺度物性分析和器件研制平台，实现近红外核心材料的器件 验证，建立高In组分InGaAs器件物理模型，明确暗电流机理和光电效率 转换机理，实现器件集成关键技术的优化，获得截止波长为2.5 m,探测器的暗电流密度优于1nA/cm2,量子效率提高到80%以上，达到国际先进 水平，获得航天遥感用规模为320 256元原型探测器，实现原理样机演示 成像；(4)本项目五年预计申请发明专利20项以上，在高影响因子期刊上发表80-100篇学术论文。以基础研究按工程模式推进的思路，加快基础

18、研究的 深度和速度，将基础研究成果在原理样机中应用。 建立一支可协同开展科学研究的研究队伍，培养一批中青年优秀学术骨干，预计参加项目的青年人获得国家级项目支持5-10项，培养硕士、博士研究生30-50名。三、研究方案1、总体研究思路和项目研究的技术路线及可行性：总体研究思路：围绕近红外多层异质探测材料的关键科学问题和主要研究内容，以失配体系InGaAs材料结构设计-低缺陷生长-物性表征-器件验证为研究思路，深入开 展低缺陷密度、高光电转换效率的高In组分InGaAs探测材料的原始创新研究。 以新思路研发高In组分InGaAs材料体系，实现多层异质探测材料能带结构的科 学调控和结构参数优化；完善

19、失配体系异质外延材料的生长理论，揭示缺陷形成、 演化及控制，获得低缺陷密度的外延材料；提出InGaAs多层异质材料微光敏区物理参数的表征新方法，开展材料微纳尺度表面界面和能带结构的表征与分析， 建立品格失配InGaAs材料特性与器件光电性能之间的内在联系；揭示空间辐照 对新型InGaAs材料的损伤机理，提出改善其抗辐照性能的新途径和新结构；开 展近红外InGaAs材料的器件验证，实现低暗电流和高量子效率的原型器件，进 而实现原理样机的演示成像，形成与国际水平同步、具有鲜明特色和自主知识产 权的近红外核心探测材料和器件。技术路线：以航天应用需求的极低暗电流和高量子效率近红外 InGaAs光电探测

20、器为牵 引，开展低缺陷密度、高光电转换效率的失配体系 InGaAs异质探测材料的基础 研究，技术路线包括：(1)失配体系InGaAs异质探测材料结构设计和生长采用具有自主知识产权的宽带隙InAlAs组分非单调变化及非线性递变的缓冲层、改进界面特性的短周期数字递变超晶格异质界面过渡层、宽带隙InAsP组 分递变缓冲层结构和亚波长局域增强新结构，基于 InGaAs光吸收层材料体系， 研究失配体系异质探测材料生长动力学、界面特性和缺陷行为。对生长参数进行精细调控，采用微观分析手段如X射线双晶衍射、光致发光 面分布、高分辨透射电镜等研究外延材料的品格质量、表面形貌以及界面结构， 并对缺陷进行分类，确定

21、晶格失配体系下外延层应力释放与品格倾向角、位错取向的关系，研究多层异质材料缺陷和位错的形成机理及其抑制方法，研究不同类别的材料缺陷与材料参数如少子寿命和载流子迁移率等之间的关系，采用光荧光谱技术（PL）、深能级瞬态谱（DLTS）等手段结合I-V特性分析，研究多层结 构缺陷或杂质能级对暗电流的影响，判明缺陷类别对材料参数与器件关键光电性 能的影响，进而建立其相关性，获得低缺陷密度的失配体系的器件级近红外探测 材料。采用解析和数值模拟方法优化材料吸收层厚度和掺杂浓度参数设计；采用时域有限差分算法对SPP微纳结构进行研究，分析光场增强和局域化物理本质， 优化不同材料、不同周期性形状大小和孔槽深度的微

22、纳结构在近红外波段的性 能，明确与亚波长增强结构匹配的探测器外延结构， 为材料结构和生长参数优化 提供依据，获得失配体系高灵敏度的近红外探测材料。（2）多层异质探测材料微纳尺度材料物性表征采用数值模拟方法研究不同材料体系和能带结构对载流子输运的影响，采用X射线光电子能谱、俄歇电子能谱等方法，开展多层异质探测材料表面和界面结 构，建立多层InGaAs异质探测材料能带结构模型以及空间电荷区和有源吸收区 少数载流子输运模型；采用光电导衰退、微波反射法等分析方法测试异质结的少数载流子分布，分析少数非平衡载流子扩散长度、扩散寿命与材料组分、晶体质 量、复合中心能级位置、掺杂浓度、能带结构等的关系。采用扫

23、描电容显微镜（SCM）并结合二次离子质谱（SIMS）,研究异质结 成结深度、区域和掺杂浓度精细分布，提取掺杂原子的扩散系数、扩散机制与动 力学规律，有效抑制探测器的界面电流和产生复合电流；采用电容-电压特性和霍尔测试等提取吸收层载流子的掺杂浓度及外延材料宏观电学参数，采用表面电势成像方法（SKPM）研究不同温度下异质结微纳尺度表面和界面态密度分布， 分析杂质原子在不同温度下的扩散机制与动力学规律，为有效提高器件量子效率 和明确暗电流机制提供依据。采用时域有限差分算法对不同材料、不同周期性形状、周期大小和孔槽深度 的亚波长结构进行模拟研究，提高复合结构的光电转换效率；采用扫描电镜（SEM）方法测

24、量金属-介质微纳结构的特征尺寸，精确控制 SPP波导的结构参 数；搭建SPP吸收增强特性的测试系统，验证 SPP结构对光吸收效率提高的效 果，分析SPP纳米局域增强结构参数对器件光电特性的影响，进一步优化提高 量子效率和降低暗电流的亚波长材料新结构。（3）基于航天应用的近红外探测材料适应性和器件验证采用深能级瞬态谱（DLTS）研究辐照前后变温下半导体能带的变化；采用 电流-电压特性和响应光谱研究辐照前后器件性能如暗电流、量子效率以及动态 范围的变化，用第一性原理分析和蒙特卡罗等方法模拟材料和器件的辐射损伤； 对辐射后的样品进行不同条件下的退火，分析退火对辐射后材料和器件的光电性 能的影响；分析

25、获得空间辐射的损伤机理，明确高In组分InGaAs近红外材料优 化的新途径和新方法，验证新型材料航天应用的适应性。基于InGaAs材料体系，采用纳米尺度金属结构的制作工艺，实现 SPP亚波 长局域增强新结构，获得高灵敏度的近红外 InGaAs探测结构。在材料结构、材 料生长和材料表征的基础上，开展高In组分InGaAs材料的器件验证，采用TCAD 数值模拟和解析计算软件对近红外器件暗电流进行理论模拟，研究高In组分InGaAs探测器暗电流和光电转换效率机理。采用低损伤芯片成结和多层低温钝 化等降低表面界面态密度，降低探测器表面漏电流和产生复合电流； 明确器件性 能与材料参数的内在联系，指导材料

26、结构和材料参数的改进，获得低暗电流和高 量子效率的近红外原型器件。可行性：本项目是在信息功能材料、航天光电子器件、信息技术、激发态物理和化学 等方面长期研究基础上提炼出来的， 其中的很多思想、方法和基础不仅紧紧把握 国家的重大战略需求和目标，而且也经过了相关自然科学基金、 基础科研的初步 探索，在基础理论和实验上得到了初步验证，取得了相关发明专利的授权。在材料结构方面，项目组提出了 新型InAlAs缓冲结构和数字超晶格缓冲结 构”，初步研究结果在 Infrared Physics and Technology(2009、2010)上发表，并 申请了 4项中国发明专利，引起了国际上的重视；在近红

27、外InGaAs探测器方面， 项目组具备充分发挥材料性能的探测器验证能力，开展了 III-V族InGaAs异质 结光电器件的丫辐照特性研究，提出的器件新结构和制备新方法”等已经获得授 权发明专利8项，在国内外核心期刊发表论文数十篇。 这些前期的工作，不仅为 本项目项目的关键科学问题提供了原始研究思路，也为本项目研究内容和技术途径实施奠定了良好的基础。项目组集中了国内在信息功能材料和光电子器件、 信息等领域具有长期技术 积累和先进设备仪器的研究单位，包括 6个国家重点实验室、1个国家工程研究 中心和4个省部级、中科院重点实验室。研究单位拥有先进的气态源及固态源 III-V族分子束外延系统、MOCV

28、D外延系统、III-V族材料ICP干法刻蚀设备和 低温ICP-CVD薄膜生长设备、扫描电子显微镜、X射线双晶衍射、高精度光刻 机、器件封装设计平台、材料和器件性能仿真平台，并正在与其他单位合作建设 高能粒子辐照平台，这些硬件条件为本项目的实验研究提供了坚实的保障。从研究队伍上看，项目集中了国内在光电探测材料和器件领域的多个高水平 研究团队，其中包括1名中国科学院院士、2名中国工程院院士、1名中组部 干 人计划”和廿名高级研究人员，形成了多学科交叉的层次合理的研究梯队。项目 团队在 十一五”期间已开展了紧密的预先合作研究，完成了多项自然科学基金和 基础研究等相关课题，为本项目成功实施提供了坚实的

29、基础。本项目明确了近红外 InGaAs核心探测材料的研究目标，凝练了近红外 InGaAs核心探测材料及器件的关键科学问题，详细讨论了项目的研究内容，论 证了项目具体实施的技术途径，具备了很好的可行性。2、创新点本项目着力解决航天应用近红外核心探测材料及器件的关键科学问题，在材料新结构、新机理和新方法方面取得有鲜明特色和自主知识产权的科学研究成 果。与国内外同类研究相比，主要创新点和特色表现在：(1)抑制缺陷密度的外延材料缓冲层新结构： 研究高In组分异质探测材料的能带结构和少数非平衡载流子输运的物理过程，提出并获得宽带隙InAlAs组分非单调变化及非线性递变的缓冲层、改进界面特性的短周期数字递

30、变超晶格异质界 面过渡层和宽带隙InAsP组分递变缓冲层新结构，改善表面界面特性，获得高质 量低缺陷多层异质外延材料；(2)高灵敏度的亚波长局域增强新结构： 研究SPP在微纳尺度的金属/InGaAs 界面上光场增强和局域化物理机理，提出并获得集成亚波长的局域增强新结构和 低缺陷的薄吸收层外延材料，建立 SPP吸收增强特性评价方法，在降低多层异 质结的扩散和产生-复合电流的同时，提高量子效率，从而提高探测灵敏度；(3)多层异质材料微光敏区物理参数表征新方法：建立光电导衰退、微波反射法等应用于多层InGaAs异质材料微光敏区物理参数(少子寿命、迁移率等)表征 新方法，结合异质材料缺陷密度、成结深度

31、、成结区域和掺杂浓度等微纳尺度物 性分析，明确材料性能与器件关键性能的关联，指导材料结构和材料生长的改进；(4)多层InGaAs异质探测材料辐照机理： 应用表征新方法研究空间辐照对InGaAs异质探测新材料、新结构的作用机理，获得材料的品格完整性、界面特性、缺陷状态及光电性能参数的演变行为，提出材料结构改进思路和材料损伤抑 制方法，验证新型材料航天应用的适应性。3、课题设置课题一：高In组分异质探测材料能带调控与功能增强新结构研究目标：围绕高In组分异质探测材料结构的基础作用，从材料体系、结构、掺杂构型、失配应力等方面研究多层异质探测材料的能带科学调控。研究高 In组分异 质探测材料的能带结构

32、和物理机理， 以高In组分InGaAs光吸收层为基础，采用 不同的异质材料、缓冲层结构、器件整体外延结构及器件表面等离激元结构等34种高性能近红外核心探测材料体系，申请相关发明专利35项；研究基于InGaAs光吸收层的多层异质探测材料体系的能带尖峰、势阱和导带价带带阶等能带精细结构和理论修正的关键科学问题，提出多层异质探测材料结晶质量、失 配应力、掺杂构型的改进要求；利用表面等离子体激元的光场增强和局域化原理， 开展高In组分探测材料微纳吸收层结构设计，完成高探测灵敏度的亚波长材料 新结构设计，申请相关发明专利12项。综合考虑材料结构、应变与弛豫、掺 杂构型、品格完整性等影响，实现多层异质探测

33、材料能带科学调控，采用材料外延生长技术进行实验生长验证调整，为满足航天应用需求的高灵敏度近红外探测 器提供材料基础理论与技术支撑。研究内容：1）高In组分异质探测材料缓冲层设计与能带调控探索高In组分异质探测材料缓冲层新结构，获得宽带隙InAlAs组分非单调 变化及非线性递变的缓冲层、改进界面特性的短周期数字递变超晶格异质界面过 渡层和宽带隙InAsP组分递变缓冲层。研究缓冲层结构、应变与弛豫和品格完整 性对高In组分多层异质外延材料能带结构的影响，通过理论模拟数值分析方法 研究不同材料体系和材料能带结构空间电荷区和内建电场分布的影响，指导缓冲层物理结构设计包括结晶质量、缓冲层参数以及能带结构

34、优化等。2）基于InGaAs吸收层的多层材料能带精细结构及理论分析针对基于InGaAs光吸收层及以InxGai-xAs为基础的InAlAs/In xGai-xAs、 AlInGaAs/In xGai-xAs、 InAsP/InxGai-xAs、 InyGai-yAs/InxGai-xAs、 InxGai-xAs/InP、 InxGai-xAs/AlAsSb等近红外探测材料体系，研究其能带尖峰、势阱和导带价带带 阶等能带精细结构。围绕异质结能带研究领域争论的热点，Anderson模型，即 形成异质结时静电势在界面是连续的，和 Tersoff定则，即形成异质结时能带之 间的相对偏移应使得形成的偶极

35、子最小，获得适用于高In组分InGaAs多层异质 材料体系能带结构的设计方法。研究较大失配多层异质材料界面能带不连续性， 利用界面量子结构调控界面能带结构，分析失配应力、掺杂情况对多层异质材料 能带结构的影响，提出多层异质探测材料结晶质量、失配应力、掺杂构型的改进 要求。系统开展多层异质材料光电性质的准确提取，优化材料结构设计。3）亚波长局域增强新结构及其作用机理开展高灵敏度的亚波长局域增强结构的物理研究。研究材料薄吸收层厚度对 暗电流和量子效率的影响，优化材料结构设计；重点研究SPP在微纳尺度的金属/InGaAs界面上光场增强和局域化物理机理， 研究SPP亚波长结构光子的输运 机制，研究光子

36、与电子耦合共振条件和输运特性及SPP体导引聚光相关物理机制；分析适用于近红外波段的光探测器金属颗粒结构或周期性结构和探测器结 构；研究界面材料和亚波长结构参数对光的透射（反射）增强和局域化特性，优 化界面材料，优化金属纳米结构参数。课题负责人：缪国庆承担单位：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所、中国科学院上海微系统与信息技术研究所、中国科学院半导体研究所学术骨干：刘洪波、王树堂、曾玉刚、汪卫敏、李好斯白音、王青 经费比例：27.5% 课题二：失配体系异质探测材料的低缺陷生长研究 研究目标：围绕高In组分异质探测材料的品格失配问题，在多层异质探测材料结构设 计的基础上，研究InGaAs材料的

37、界面特性与缺陷行为。通过缓冲层生长及生长 后的热处理方法，促进位错的转向和在生长过程中的湮灭， 改善表面性质和品格 完整性；建立并完善失配体系InGaAs异质外延材料的生长理论，研究多层异质 探测材料生长条件对外延层品格质量、 电学参数等的影响，掌握生长过程中元素 扩散的机理和规律，获得外延材料生长过程中缺陷形成和湮灭的机理及控制，提出抑制多层探测材料缺陷的有效途径，申请相关发明专利35项。实现面向航天应用特殊需求的2英寸近红外InGaAs探测外延材料，截止波长为2.5仙贝材 料组分、厚度和掺杂均匀性优于 5%,缺陷密度低至1M05cm-2以下。 研究内容：1）失配体系异质探测材料的界面特性与

38、界面行为异质结构的界面特性与界面行为对探测器宏观物理性质有决定性的影响，失配体系异质结构中的界面、组分、应力是实现高性能低缺陷材料的关键问题。 研 究不同材料组分、应力状态下InGaAs异质结生长动力学行为与界面微观结构的 关系，研究温度梯度、浓度梯度和界面能对 InGaAs异质结界面稳定性的影响， 研究异质结界面发生的原子交换效应以及界面能带的不连续对多层异质外延材 料能带结构的影响。在不同的外延生长方法所对应的生长动力学过程的基础上， 研究表面界面晶格常数弛豫的可预测性和可控性，改善表面、界面性质和品格完 整性，实现较大失配体系生长中与材料质量密切相关的界面、应力有效调控。 2）失配体系异

39、质探测材料的缺陷行为采用微观分析手段如X射线双晶衍射、高分辨透射电镜等研究外延材料的品格质量、表面形貌及界面状况，研究失配体系InGaAs探测材料缺陷密度的有效测量方法。确定晶格失配体系下外延层应力释放与晶体取向、位错运动的关系 以及多层异质材料杂质分布、缺陷以及位错的形成机理，研究不同类别的材料缺 陷与材料参数如少子寿命和载流子迁移率等之间的关系，深入研究位错引入的缺 陷对产生-复合及扩散引起的暗电流的影响，以及失配缺陷导致的陷阱和复合中 心对缺陷辅助隧穿电流的作用，获得缺陷类别对材料参数与器件关键光电性能的 影响，进而建立其关联性；研究不同类别特别是对InGaAs异质探测材料关键光电性能影

40、响较大的缺陷演化过程， 分析其缺陷取向、转移、湮灭机理并研究其精 细调控方法，在较大失配的材料体系上充分降低缺陷及失配位错密度，进而最大限度地消除其对材料质量和器件光电特性的影响。3）多层异质探测材料低缺陷生长调控方法采用新型缓冲结构和温度阶跃新方法生长近红外 InGaAs异质探测材料，研 究缓冲层和吸收层的生长温度、生长厚度等参数对外延层质量的影响， 通过精细 优化缓冲层和吸收层的生长温度、生长厚度等参数，获得高质量低缺陷多层异质 外延材料。特别针对失配体系，研究材料外延生长过程中原子的热扩散和增强扩 散机理和规律，据此对材料掺杂、束源温度、衬底温度、生长速率等参数进行细 致优化。深入分析探

41、测器结构、材料生长参数、生长过程等诸多因素，研究衬底 预处理、生长温度、V/III比、束源角度等对材料参数均匀性的影响及作用机理， 探索获得大尺寸高均匀性探测器材料的途径与方法。课题负责人：张永刚 承担单位：中国科学院上海微系统与信息技术研究所、 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所、吉林大学 学术骨干：郭作兴、赵磊、顾溢、孙晓娟、陈一仁、王嘉宽经费比例：27.5%课题三：基于器件功能的多层异质材料微纳尺度物性分析研究目标：明确高In组分多层异质探测材料少数载流子输运的物理过程，建立定量的 少数载流子输运及光电转化模型，研究材料的微纳尺度物性表征方法。提出 2 种以上InGaAs多层异质材料

42、微光敏区物理参数的表征新方法，申请相关发明专 利23项，揭示材料微观参数与材料宏观参数的关系，指导材料光电性能的改 进；探索高In组分多层异质成结新方法，开展异质结微纳尺度表面界面和能带 结构的表征与分析，申请相关发明专利 12项，为器件级材料参数优化提供依 据；研究亚波长材料新结构的光学和电学特性， 探索提高探测灵敏度的亚波长材 料结构表征方法，申请相关发明专利 23项，实现微纳尺度的亚波长局域增强 结构。该课题将为实现航天应用的高灵敏度探测器提供科学支撑。研究内容：1）高In组分多层异质探测材料载流子输运特性通过理论模拟数值分析研究不同材料体系和能带结构对载流子输运的影响，采用显微表征与数

43、值模拟相结合研究平衡态和非平衡态下的电子学特征，明确少数非平衡载流子产生、扩散、复合的物理过程，建立定量的少数载流子输运及光 电转化模型和结构参数优化模型。 采用光电导衰退、微波反射法等方法分析扩散 系数、扩散寿命、迁移率与材料的晶体质量、复合中心能级位置、掺杂浓度、材 料结构设计的关系，提出InGaAs多层异质材料微光敏区物理参数的表征新方法， 为实现航天应用的高灵敏度探测器提供科学支撑。2）基于器件功能的多层异质探测材料微纳尺度界面分析失配体系InGaAs多层异质探测材料的表面和界面与材料生长过程、能带结构密切相关，对器件的关键性能参数如器件暗电流产生机制有重要影响。探索高In组分多层异质

44、成结新方法，研究不同条件下扩散源原子的扩散分布、 成结机理 与动力学规律，采用SCM结合SIMS研究异质结成结深度、区域和掺杂浓度精 细分布，获得掺杂元素的有效激活方法和机理，明确成结损伤微观尺度机制和消 除方法。采用C-V测试、Hall测试等提取吸收层载流子的掺杂浓度及多层外延 层宏观电学参数，采用SCM和SKPM研究异质结微纳尺度表面界面态密度分布 和能带结构，建立宏观电学参数与微观结构的关系； 建立器件传递函数反演材料 少子扩散长度的新方法，研究异质结中杂质原子在变温条件下的扩散系数、扩散 机制，为器件级材料参数优化提供依据。3）亚波长局域增强新结构的表征与分析利用人工控制半导体材料能量

45、耦合到 SPP模式的可行方法，实现微纳尺度 的亚波长局域增强结构，开展微纳尺度的金属亚波长结构表征及其物性分析研 究。利用SEM测量金属-介质微纳结构的特征尺寸，从而精确控制SPP波导的结 构参数。建立金属-介质微纳结构、集成器件结构测试方法，反馈测试结果并修 正理论设计。研究金属/介质纳米结构中SPP场特性，及其与半导体材料的光电 耦合作用，分析微纳结构参数对其光学和电学特性的影响， 有助于进一步优化提 高探测灵敏度的亚波长材料新结构。课题负责人：韦欣承担单位：中国科学院半导体研究所、中国科学院上海技术物理研究所学术骨干：陈良惠、陈建新、俞国林、邓惠勇、范广宇、李淘、裘利平 经费比例：20%

46、 课题四：基于航天应用的材料验证与器件研究 研究目标：围绕异质失配体系InGaAs材料和器件的航天遥感应用，研究空间辐照下材 料和器件的损伤机理，实现低暗电流、高量子效率的器件验证。分析空间辐照对 品格失配InGaAs异质探测材料和器件光电性能的影响，明确其损伤机理，提出 航天级近红外探测材料和器件的抗辐照新途径、新结构，申请相关发明专利23项；利用器件研制平台，结合材料微纳尺度晶格结构和界面特性表征，设计器 件结构，开展材料验证，获得结区成型、低温钝化和SPP金属纳米结构制备的有效方法，建立品格失配InGaAs材料特性与器件光电性能之间的内在联系，探 测器的暗电流密度优于1nA/cm2,量子

47、效率提高到80%以上，申请相关发明专利 23项。研制出截止波长为2.5 m的320 >256元InGaAs焦平面原型器件，并应 用于原理样机进行演示成像，实现对核心光电材料及器件的验证。研究内容：1）近红外探测材料和器件的航天环境辐照损伤机理针对航天遥感应用抗辐照特性高的要求， 研究不同剂量的辐照如电子、质子 和丫辐照及激光辐照等对高In组分近红外探测器材料和器件的影响。采用DLTS 研究辐照前后变温下半导体能带的变化； 采用I-V特性和响应光谱研究辐照前后 器件性能如响应率、探测率以及动态范围的变化，用第一性原理分析和蒙特卡罗 等方法模拟材料和器件的辐射损伤，分析不同辐照剂量下材料特性

48、如晶格完整 性、界面特性、缺陷能级及光电性能参数的演变行为，分析高In组分近红外探测器的辐照效应如瞬变行为、热破坏和力学破坏等；对辐射后的样品进行不同条 件下的退火，分析退火对辐射后材料和器件的光电性能的影响，获得辐照性能衰退、暂态失效及永久失效的损伤机理和对器件的致晕、致盲以及破坏阈值；验证 不同结构高In组分材料航天应用的特异性和适应性， 获得器件损伤的薄弱环节, 明确高In组分近红外材料优化的新途径和新方法，为提高近红外探测材料和器 件航天应用抗辐照能力奠定基础。2）基于高In组分异质探测材料的器件物理基础为满足航天应用极弱信号、极高灵敏度的需求，探索失配体系探测器暗电流 和噪声的产生机

49、理和量子效率的提高方法。结合材料微纳尺度晶格结构和界面特 性表征与器件制备，优化器件级材料参数和结构设计，开展器件暗电流的理论模 拟；研究异质结能带带阶、能带不连续变化、界面态和掺杂对高In组分探测器伏安特性和量子效率的影响，研究高In组分InGaAs探测器暗电流和光电转换效 率机理，开展探测器级材料验证。研究航天应用中十分关注的探测器的低频噪声 来源，明确噪声与暗电流的关系，确定降低探测器噪声的有效途径。研究纳米尺 度金属结构探测器SPP吸收增强特性，验证SPP结构对光吸收效率提高的效果， 从而获得提高探测灵敏度的新结构。3）航天应用的失配体系近红外InGaAs器件验证在器件物理研究的基础上

50、，设计不同面积周长比、子像元等器件新结构， 开展基于航天应用高密度、高灵敏度的近红外 InGaAs器件验证。通过器件欧姆 接触的改善提高探测器的量子效率；研究结区的界面特性、载流子输运和器件工 艺如低损伤芯片成结和多层低温钝化等的关系，明确成结损伤微观尺度机制及消 除方法，有效抑制费米能级钉扎和能带边失调； 分析钝化对异质结的能带结构和 表面界面态密度的影响，降低表面态密度和表面电荷密度，实现探测器表面漏电 流和产生复合电流降低；研究纳米尺度金属结构的制备工艺，包括纳米颗粒金属 薄膜工艺、周期性亚波长微结构的工艺等，实现SPP结构对量子效率的提高；研究相邻光敏元隔离技术，抑制 PN结的横向少子

51、扩散，明确探测器的申音产生 机理，指导器件结构设计，以满足未来航天应用的高密度探测器的需求。在器件研制平台基础上，验证材料性能的改进，探测器暗电流密度优于1nA/cm2,量子效率提高到80%以上，获得截止波长为2.5 m的320 256元InGaAs焦平面原型 器件，并应用于原理样机进行演示成像，实现对近红外核心材料和器件验证。课题负责人：龚海梅承担单位：中国科学院上海技术物理研究所、南京大学学术骨干：匡定波、方家熊、李言谨、李雪、邵秀梅、纪小丽、唐恒敬经费比例：25%4、课题间的相互关系以及与项目总体目标和五年目标的关系围绕高In组分异质探测材料能带调控与载流子输运机制，高探测灵敏度的 亚波

52、长结构光场增强和局域化物理机理，失配体系异质探测材料缺陷的形成机 制、演化效应及控制，材料微光敏区参数的表征及其与航天应用器件性能的关联 性等关键科学问题开展本项目的课题设置，如图1所示。需求目标320X 256验证器件及演示系统科学目标关键科 学问题课题设置低缺陷密度和光电转换效率的失配体系近红外探测材料1能带调控与载流子输运课题一：高In组 分异质探测材料 能带调控与功能 增强新结构亚波长新 结构光电 耦合机理%课题二：失配体系异质探测材料的低缺陷生长研究失配体系 缺陷行为 分析材料表征及其与器件关联性课题三：基于器 课题四:件功能的多层异 质材料微纳尺度 物性分析于航天应用的材料验证与器

53、件研究图1关键科学问题与课题设置项目-课题设计和关联性：以III-V族高In组分InGaAs异质光电探测材料的 物理分析、结构设计、生长研究、物性表征、材料验证、器件研究为主链，对材 料的能带结构、载流子输运进行调控，揭示失配体系缺陷的形成机制、 转移和湮 灭机理及其精细控制方法，研究微纳尺度异质探测材料和人工结构材料物性表征 的新方法，围绕材料结构-成结生长-材料性能-器件验证的相关性，建立器件关键性能参数与微纳尺度材料物性的关联，揭示材料在器件研制和空间环境应用 中的损伤机理，进而获得高性能近红外InGaAs探测材料和高灵敏度原型器件。由此，在新型宽带隙异质体系缓冲层和帽层结构、集成亚波长

54、微纳局域增强 结构、数字短周期微结构、材料缺陷和载流子输运调控、多层异质材料微光敏区 物理参数表征、新型材料航天应用的适应性、高灵敏度器件研究等方面取得突破 性进展，按照材料结构、材料生长、材料物性、材料验证与器件研究设置四个课 题，形成相互关联、各有侧重的研究体系，如图 2所示：，课题一：基In基基基，课题二：基基基基）其其其其其其其其其1-其其其其其其其其235235 235235 235235235235 235 L2 235235 235235 235 235（基基基基基基基基,N-, 基基基基基基 d +二飞炉 （课题三:二箕箕箕箕箕箕箕箕箕箕箕箕箕箕箕箕箕箕箕箕箕/课题四:基基基基

55、基基基基基基基基基基基基航天应用近红外核心光电探测材料与器件的新机理、新结构、新方法图2课题间的相互关联性预期本项目能在航天应用近红外核心探测材料的理论、设计、研制、器件验证的科学问题上取得重大突破，获得近红外探测材料及器件的新机理、新结构、 新方法，实现高性能近红外高In组分InGaAs探测材料的自主研发，建立航天应 用InGaAs探测器件关键性能参数与微纳尺度材料物性的关系，实现近红外核心 材料的器件验证和演示成像。课题1高In组分异质探测材料能带调控与功能增强新结构从III-V族InGaAs光电探测材料的能带调控展开，创新性地提出组分非单调变化及非线性 递变、超晶格等新型缓冲层结构和高探

56、测器量子效率的集成亚波长纳米局域增强 新结构，从材料体系、材料组分和掺杂构型等方面实现能带结构的科学调控，为满足航天应用需求的高灵敏度近红外探测器提供材料基础理论。本课题的研究对课题2的失配体系异质材料生长具有指导作用，同时与课题3的微纳尺度材料物 性分析构成交叉。课题2失配体系异质探测材料的低缺陷生长研究 围绕高In组分异质探测 材料的较大品格失配问题，研究失配体系材料的界面特性与界面行为， 重点解决 失配体系缺陷的形成机制、演化效应及精细调控科学问题，建立并完善 InGaAs 异质外延材料的生长理论，获得降低InGaAs外延材料缺陷密度的新方法，实现 满足航天应用需求的2英寸截止波长2.5

57、 n的近红外InGaAs探测材料，材料的 组分、厚度和掺杂均匀性优于 5%,缺陷密度降低到1M05cm-2以下。课题2是 在课题1基础上展开，研究结果反馈课题1,指导课题1的结构优化，同时与课 题3微纳尺度材料物性分析构成交叉。课题3基于器件功能的多层异质材料微纳尺度物性分析提出InGaAs多层异质材料微光敏区物理参数的表征新方法，开展异质结微纳尺度表面界面和能 带结构的表征与分析，研究成结损伤微观尺度机制和消除方法，围绕高灵敏度的 亚波长结构，研究光场增强和局域化物理机制的关键科学问题，探索微纳新结构的实现方法和评价方法。课题3与课题1、课题2将形成良性互动，同时为课题 4的材料验证提供依据，是一个 承上启下”的关键点，贯穿于整个项目的研究链。课题4基于航天应用的材料验证与器件研究围绕异质失配体系InGaAs材料的航天遥感应用，研究近红外探测材料和器件的空间环境辐照损伤机理，获得结区成型、低温钝化和 SPP金属纳米结构制备的有效方法，建立航天应用探 测器关键性能参数与微纳尺度材料物性的关系，明确探测器暗电流、噪声和用音的产生机理，获得探测器的暗电流密度优于1nA/cm2,量子效率提高到80%以上， 研制出截止波长为2.5 m的320 256元InGaAs焦平面原型器件，实现近红外核