新型近红外多谱段探测器片上集成技术及环境适应性机理研究

在军事和遥感领域，对红外多谱段探测有迫切的需求。本课题结合InP/InGaAs/InP近红外探测器材料优异的光电性能，以及中心波长为1.38微米和1.60微米谱段在近红外探测中具有的重要应用价值，提出一种新型单片集成双谱段InGaAs探测器结构，构建器件等效物理模型，表征微法-珀腔结构和探测器材料的光学特性，获得精确光学参数，结合光电耦合理论，发展一种新的微法-珀腔、钝化层和探测器匹配耦合的光谱设计和光谱响应计算方法，研究微法-珀腔结构/探测器的界面特性，揭示界面匹配耦合的微观机制，实现微法-珀腔结构与探测器的稳定、一致匹配耦合，获得微法-珀腔结构与探测器的片上集成新方法，从机理上解决多谱段探测器组件中可能存在"串色"问题，研究、获得器件的环境适应性机理，推动我国近红外焦平面技术的发展，有利于实现近红外探测器的微型化和集成化，对满足光电探测(成像)系统的小型化和集成化需求具有重要的意义。

中心波长为1.38μm和1.60μm的近红外探测通道在我国新一代气象卫星中具有重要的应用价值，主要用于区分云、雾和卷云的探测和土壤湿度、植被的探测，对气象科学研究、农业和环境监测有重要的意义。针对中心波长为1.38μm和1.60μm的近红外探测在航天遥感中具有的重要应用价值，结合InP/InGaAs/InP近红外探测材料优异的光电性能，本项目提出并实现了一种新型单片集成滤光微结构的双谱段InGaAs探测器，构建了器件等效物理模型，分析了器件串音与器件结构设计参数的关系；开展了微法-珀腔结构的滤光微结构设计，并获得了优化的微结构工艺参数，采用SEM和TEM方法研究了滤光微结构薄膜与半导体界面匹配耦合的微观特性，采用傅立叶光谱技术表征了微法-珀腔结构和探测器材料的光学特性，滤光微结构光学特性与微结构及设计理论吻合；获得了滤光微结构与探测器工艺兼容等共性关键技术基础，实现了微法-珀腔结构与探测器的稳定、一致匹配耦合，研制了中心波长为1.38μm和1.60μm的400×2元的双谱段片上集成滤光微结构的InGaAs焦平面原型器件，获得了集成焦平面探测器的响应光谱，两个通道的光谱响应范围分别是1.33μm-1.376μm和1.591μm-1.645μm，响应带宽分别为46nm和54nm，室温下1.38μm和1.60μm波段集成器件的响应非均匀性分别为6.20%和3.20%，盲元率均为0.25%，探测率分别为7.71×10^11cmHz^1/2/W和6.06×10^11cmHz^1/2/W，据调研国内外未见报道；并对滤光微结构的环境适应性机理进行了探索研究，分析了退火和温度冲击对滤光微结构表面及光学特性的影响及机制，为后续多谱段片上集成焦平面探测器研制及应用提供科学和技术基础，有利于实现近红外探测器的微型化和集成化，推动我国近红外焦平面技术的发展，对满足光电探测(成像)系统的小型化和集成化需求具有重要的意义。集成焦平面探测器研究成果在2014年Photonics West国际会议上进行了报道，受到国际同行的关注。