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.Doc
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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: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,建立多层异质
2、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输运机
3、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
4、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
5、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减小和量子效率的降低。采用金属亚波长结构与薄
6、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
7、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组分异质探测材料结构的较大晶格失配问题,研究失配体系近红外异质结构的界面特性与
8、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,验证界面晶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
9、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,研究界面晶格常数弛豫的可预测性和可控性,改善表面、界面性质和晶格完整性;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
10、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
11、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,研究探测器串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
12、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
13、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
14、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1105cm-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,截止波长为2.5mm,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
15、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1105cm-2;(2)
16、 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
17、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2.5mm,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320256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
18、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,建立晶格失配InGaAs材料特性
19、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
20、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晶格质量、表面形貌以及界面结构,并对缺陷进行分类,确定晶格失配体系下外延层应力释放与晶格倾向角、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
21、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
22、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
23、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
24、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I
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- 2012 CB619200 性能 红外 InGaAs 探测 材料 基础 研究 及其 航天 应用 验证