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
25、n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
26、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
27、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、MOCVD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
28、学院院士、2名中国工程院院士、1名中组部 “千人计划”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，
29、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
30、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、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，获得材料的晶格完整性、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
31、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
32、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、晶格完整性等影响，实现多层异质探测材料能带科学调控，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、应变与弛豫和晶格完整性对高I
33、n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InxGa1-xAs为基础的InAlAs/InxGa1-xAs、AlInGaAs/InxGa1-xAs、InAsP/InxGa1-xAs、InyGa1-yAs/InxGa1-xAs、InxGa1-xAs/InP、InxGa1-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。
34、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
35、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
36、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晶格失配问题，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，改善表面性质和晶格完整性；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晶格质量、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
37、.5m，材料组分、厚度和掺杂均匀性优于5，缺陷密度低至1105cm-2以下。研究内容： 1） 失配体系异质探测材料的界面特性与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，
38、改善表面、界面性质和晶格完整性，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晶格质量、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
39、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
40、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
41、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
42、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
43、件暗电流产生机制有重要影响。探索高In组分多层异质成结新方法，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
44、征与分析利用人工控制半导体材料能量耦合到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
45、经费比例： 20% 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。分析空间辐照对晶格失配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，建立晶格失配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
46、，量子效率提高到80以上，申请相关发明专利23项。研制出截止波长为2.5mm的320256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如晶格完整性、界面特
47、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理和量子效率的提高方法。结合材料
48、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，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结的横向少子扩散，明确探测器的串音产生机理，指导器件结构设计，以
