高性能近红外ingaas探测材料基础研究及其航天应用验证

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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：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，建立多层异

2、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

3、组分异质探测材料能带调控与载流子输运机制围绕高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、晶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、应变与弛豫和晶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

4、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、应变与弛豫和晶格完整性对高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InxGa1-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

5、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。1、高探测灵敏度的亚波长结构光场增强和局域化物理机

6、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

7、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

8、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