短波红外光电材料与器件具有高性能、高可靠性、低功耗、低成本等显著优点，可广泛应用于智慧城市、驾驶视觉增强、安防监控、光伏芯片检测、光谱检测以及航天航空等诸多领域，具有重大的科学价值和经济效益。基于III-V族InP/InGaAs材料体系的短波红外InGaAs探测器，具有高灵敏度、高均匀性、高稳定性等特点，具备室温或近室温工作优势，是发展小型化、低功耗和高可靠性短波红外光电系统的理想选择之一。短波红外InGaAs焦平面探测器的标准响应波段为0.9~1.7μm，可拓展至可见光波0.4μm，也可延伸至2.5μm。
自20世纪90年代开始开展InGaAs线列探测器研究，国际各大企业及研究机构争相在该领域先后取得显著成果。因此围绕新一代遥感探测仪器应用需求，中国科学院上海技术物理研究（以下简称：“上海技物所”）在短波红外InGaAs焦平面探测器领域取得了一系列进展。
据麦姆斯咨询报道，近期，上海技物所李雪研究员课题组在《红外与毫米波学报》期刊上发表了以“短波红外InGaAs焦平面研究进展”为主题的文章。李雪研究员主要从事短波红外探测器、红外组件集成技术等研究工作。
上海技物所通过低缺陷外延材料、焦平面芯片制备工艺和低噪声读出电路技术研究，研制实现了最大规模达2560×2048元的10μm中心距1~1.7μm InGaAs焦平面探测器，峰值探测率优于1.0×1013 cmHz1/2/W，有效像素率达到99.7%；研制实现了1280×1024元15μm中心距的1~2.5μm延伸波长探测器，峰值探测率优于5.0×1011cmHz1/2/W；发展了新体制新结构器件，研制了单片集成4向偏振功能的160×128元偏振焦平面探测器，消光比优于37:1；研制了64×64元盖革雪崩焦平面探测器，时间分辨率达到0.8ns。
上海技物所1.0~1.7μm InGaAs常规波长焦平面探测器发展
上海技物所自2007年起开展室温近红外InGaAs焦平面探测器的研究，取得了一系列重要进展，实现了800×2、320×256、640×512、1024×128、4000×128、1280×1024、2560×2048等多个规格的0.9~1.7μm的近红外InGaAs探测器，像元中心距从30μm减小到10μm，如上图。
短波InGaAs焦平面组件外场透雾成像验证：(a) 可见光照片；(b)短波红外，距离1.8km；(c)短波红外，距离9.9km。
面向微光夜视的应用需求，上海技物所研究了高量子效率可见-短波红外宽光谱InGaAs探测器。探索了制备高量子效率可见-短波红外宽光谱InGaAs焦平面探测器的关键工艺及各工艺对器件性能的影响。研究了不同扩散条件下器件的I-V特性变化和焦平面的暗噪声变化。最近，提出了采用感应耦合等离子体（InductivelyCoupled Plasma，ICP）刻蚀技术实现超薄接触层的精确控制，并成功制备了160×120元宽光谱InGaAs焦平面器件，获得了从可见到短波红外波段（0.5~1.7μm）整体量子效率超过60%的宽光谱高量子效率水平。
上海技物所又研制了光敏元中心距15μm的背照射1280×1024光敏芯片结构，采用高精度的工艺技术，实现高密度窄间隔浅隔离槽结构；采用低损伤刻蚀台面成型技术、低应力钝化技术，严格控制光敏芯片面型，获得了平面度PV值小于5μm的波长扩展1280×1024光敏芯片。
上海技物所集成线偏振的InGaAs短波红外焦平面发展
偏振探测在凸显目标几何结构、材质特征方面具有重要价值，常规偏振成像系统通常采用外置起偏光学元件实现分时偏振探测，难以满足对高速动态目标或平台本身处于快速运动状态下的多偏振度探测识别。而单片集成偏振结构的焦平面探测器，不再需要外置的起偏光学元件，大大简化光路系统，同时通过多偏振方向集成可实现对目标的同时多偏振维度探测，具有更强的目标识别能力。解决片上集成偏振探测核心光电器件的制备问题，其难点在于提高大像元焦平面探测器的灵敏度以及提高偏振消光比。自2012年提出将亚波长金属结构与探测器像素单片集成，研制超像素集成偏振InGaAs短波红外焦平面以来，重点研究了金属偏振光栅与探测器有效匹配耦合方法，实现四个角度亚波长金属线偏振光栅、增透膜和短波红外InGaAs探测器的片上集成，研制成功了多种规格集成线偏振功能的短波红外InGaAs探测器。
针对近红外激光三维成像应用需求，上海技物所研究发展了盖革模式InGaAs雪崩焦平面探测器，像素规模64×64元。采用InGaAs/InP雪崩探测器（APD）阵列光敏芯片，与高精度淬灭计时读出电路耦合，形成精密制冷探测器组件。完成了盖革模式APD阵列光敏芯片设计与制备优化技术、盖革模式APD输出信号与处理技术、大面积均匀制冷与高精度温控组装封装技术、激光三维成像机芯技术等研究，形成盖革模式激光焦平面探测器成像样机，具备单光子面阵探测、激光主动测距等功能。
本研究概述了上海技物所近年在短波红外InGaAs焦平面探测器领域取得的研究进展，主要涉及响应波长1~1.7μm InGaAs大面阵、0.4~1.7μm高量子效率可见拓展、1.0~2.5μm延伸波长高光谱、像素级片上偏振集成和盖革模式雪崩焦平面等方向，突破了低缺陷InGaAs材料外延生长、高密度低暗电流焦平面芯片制备工艺、微纳结构及偏振光栅片上工艺集成、盖革雪崩器件和多模式多规格读出电路等关键技术，实现了10μm像素焦平面最大规模达2560×2048元，有效像元率达99.7%，峰值探测率达1.1×1013 cmHz1/2/W，同时报道了可见光波段量子效率、延伸波长器件暗电流、偏振消光比、单光子探测灵敏度等其他几类器件的性能参数。相关器件的进一步发展，将为新一代多功能、高分辨率、时间敏感的短波红外光电仪器研制提供探测器技术基础。
该项目获得国家自然科学基金面上项目（62175250，62075229）；国家自然基金青年项目（62104238）；上海市科技重大专项（2019SHZDZX01）；上海市优秀学术带头人计划（21XD1404200）；上海市学术科技启明星计划（21QA1410600）的支持。
延伸阅读：
《新兴图像传感器技术、应用及市场-2021版》
《飞行时间（ToF）传感器技术及应用-2020版》
