Progress of InGaAs nanowire avalanche focal plane detectors

与体材料和薄膜材料相比，纳米线的1维结构特征使其具有独特的“光阱”效应，可以极大提高光的吸收率，制备出高探测效率的光电探测器，并实现器件的小型化^[1-2]。同时，纳米线具有很强的应力释放能力，例如，异质结纳米线在侧壁上由晶格失配产生的应力可以得到有效释放，极大程度上克服晶格失配对外延生长的制约，可以将不同带隙的材料沿纳米线轴向串接起来形成“多节”结构，从而制备出1维结构的光电探测器，并实现吸收光谱的拓展^[3-4]。这就为InGaAs等材料的Ⅲ-Ⅴ族纳米线光电子器件的制备，及其与InP，GaAs以及传统硅基材料的集成开辟了一条崭新途径。

近年来，得益于材料生长技术的提高，研究者们已成功制备出InGaAs纳米线雪崩光电二极管(avalanche photon diode，APD)，并获得了较好的光电响应性能。InGaAs纳米线雪崩焦平面阵列制备的光电探测器，在宽光谱成像、弱光探测、空间遥感、激光雷达等领域拥有可观的应用前景。本文中介绍了InGaAs纳米线阵列雪崩焦平面探测器的现状及发展趋势。

纳米线雪崩光电探测器是通过2维材料生长制备，并具有吸收、电荷、倍增分离的器件结构。铟镓砷(InGaAs)是由铟、镓、砷3种元素组成三元合金化合物，属于Ⅲ-Ⅴ族半导体。InGaAs可以看成是由InAs和GaAs按照不同比例混合形成的，它的很多性质介于InAs和GaAs这两种材料之间。InGaAs具有可调的带隙，在室温下其带隙可以覆盖0.35eV~1.42eV，与之相对的波长覆盖3.5μm~0.87μm，是一种直接带隙半导体。图 1是In_xGa_1-xAs在77K下带隙随In的质量分数变化的示意图^[1]。InGaAs纳米线材料制作的雪崩焦平面探测器(如图 2、图 3和图 4所示)具有高探测率、高灵敏度、强抗辐照，在室温或低温下工作性能稳定、且加工成本低、工艺简单等诸多优点^[2-3]，因此InGaAs纳米线器件如同薄膜器件一样，可用于激光探测、微光夜视系统、高光谱成像、精确制导、检测、空间遥感、仪器仪表和航空安全等方面^[3-6]。

1维半导体纳米线由于自身具备前面所述的独特性质，非常适合用来制作光电探测器，今年来逐渐成为研究热点。Ⅲ-Ⅴ半导体纳米线光探测器的报道也逐渐增多，如GaAs, InAs, InAsP和InGaAs纳米线探测器等。国外的主要研究单位有日本日立公司、美国加州大学戴维斯分校、美国加利福尼亚大学、荷兰代尔夫特理工大学、南洋理工大学等^[7-14]。1991年，日本日立公司的研究人员利用GaAs纳米线P-N结阵列制备了第1个基于Ⅲ-Ⅴ族纳米线的发光二极管，拉开了Ⅲ-Ⅴ族纳米线光电子器件研究的序幕^[10]。2008年，美国加州大学戴维斯分校、圣塔克鲁斯分校和休利特帕卡德实验室的研究人员合作制备了基于InP纳米线的光导型探测器，其响应速度达到14ps^[11]。2012年，瑞典隆德大学制备了基于InP纳米线轴向P-I-N结阵列的太阳能电池，转换效率达到13.8%^[12]。2012年，WALLENTIH等人报道的InAsSb纳米线光电探测器的响应波长范围0.9μm~2.3μm，并研究了不同直径的纳米线对光生电流的影响^[13]。2014年，南洋理工大学DAI等人报道了核壳结构的GaAs/AlGaAs纳米线光电探测器，响应范围300nm~890nm，探测率到达7.2×10¹⁰cm·Hz^1/2/W^[14]。2018年，加利福尼亚大学FARRELL等人成功制备出InGaAs/GaAs纳米线雪崩焦平面探测器，其暗计数在77K时可低于10Hz^[2]。

对于微观尺度的光电InGaAs探测器，目前国内的研究进行得较少。国内研制InGaAs纳米线光电探测器的主要单位有西南技术物理研究所、上海技术物理研究所、湖南大学、中国科学院北京半导体所等。2012年，LIU等人报道的采用化学气相沉积法生长的InAs纳米线室温光探测器，响应范围为300nm~1100nm，响应度和外量子效率分别为4.4×10³A·W^-1和1.03×10⁶%^[15]。2013年，REN等人采用离子置换的化学气相沉积法方法生长全组分的InAsP合金纳米线并制备近红外光电探测器，发现InAs_0.52P_0.48纳米线的响应度和外量子效率最高，分别为5.4×10³A·W^-1和3.96×10⁵%^[16]。2014年，FABG等人制备InAs单根纳米线场效应管并实现了宽谱快速探测^[17]。2015年，TAN等人采用改进的一步生长化学气相沉积法成功制备出了高质量的InGaAs合金纳米线^[18]。但InGaAs纳米线雪崩焦平面探测器在我国尚处于起步阶段，与国外先进水平存在较大差距。

国外纳米线雪崩探测材料制备技术接近成熟，原型器件已经实现，器件工艺正逐渐完善; 国内纳米线有部分研究，尚未很好制备出纳米线材料，雪崩器件工艺尚未开展。未来需要重点突破纳米线雪崩焦平面APD结构设计技术、纳米线APD探测器材料精密生长技术、纳米线阵列材料的界面与缺陷控制、纳米线APD阵列器件制备工艺等技术，形成可行性高、可靠性好、可推广性强的工艺技术方案，研制出系列化的纳米线雪崩焦平面器件产品。具体而言，归纳为以下几个方面。

结合传统雪崩光电探测理论，研究纳米线阵列的雪崩光电效应理论机理，构建雪崩过程模拟算法，进行纳米线阵列APD的仿真和分析。在充分考虑纳米线阵列特殊能带结构的基础上，研究其在雪崩探测中光吸收、载流子输运及雪崩倍增机制，并自主进行雪崩过程的仿真、分析和设计方法研究，开发出包含大部分已知物理效应(包括光吸收、碰撞离化、产生复合、隧道穿透、陷阱效应等)和1维纳米线特殊的物理效应(包括超高内禀光电增益、多阵列限光效应和亚波长尺寸效应等)，可进行多种模型(包括蒙特卡罗法、自洽迭代法等)对比运算的雪崩设计程序，以完成纳米线雪崩探测器材料结构的完整设计。

开展InGaAs纳米线雪崩焦平面材料外延生长工艺及优化研究。通过对束流、生长温度、Ⅲ-Ⅴ比等生长参量的调整，精确控制Ⅲ-Ⅴ族材料的掺杂浓度和组分，建立材料外延参量对物性影响的数据库。研究纳米线外延生长规律、生长工艺、金属催化剂引入、界面生长动力学，克服催化剂在生长过程中出现固态和液态两相并存的问题，降低孪晶和缺陷密度，通过调节温度、压力、生长速率等生长条件，引入生长中断、交替供流等手段，精确控制生长速率，实现形貌统一、表面光滑、结晶度高、组分精确、高纯度、低缺陷的纳米线阵列材料外延生长。

为满足高性能雪崩二极管对纳米线阵列结构的特殊要求，需要适当地采取表面钝化、修饰掺杂、原子吸附、离子注入以及引入电子阻挡层等手段对纳米线阵列进行改性调制。在纳米线的侧壁粘附金属颗粒时，通过激发的表面等离子激元可以有效地提高纳米线阵列的吸收率。在纳米线阵列中引入合适尺寸的金属纳米颗粒后，通过不断优化纳米线阵列与金属颗粒的结构参量，得到新型结构的纳米线阵列。研究在金属颗粒溶液做催化剂作用下纳米线材料的外延生长机制，研究催化剂对生长速率的影响; 研究表面态的形成、演变及控制物理机理; 研究不同缺陷类型以及缺陷密度与纳米线材料的光学、电学性质的内在联系。

创新器件制备工艺，突破传统技术方法，利用先进的微纳加工和检测手段，对芯片制造中的光刻、刻蚀、钝化、互连等过程进行精准控制，开发复杂结构和细微图形的加工技术。采用光刻胶形貌控制工艺、干湿法结合、刻蚀钝化交替技术，制备锥形亚波长陷光结构、表面等离子体增强金属光栅、以及光子晶体，研究其对纳米线性能的提升作用，开发最优化的表面陷光结构。

通过厘清机制、建模仿真，并根据外延材料结构参量与器件性能指标关系，找出关键因素，折中设计外延材料结构。针对利用金属有机化合物化学气相沉淀或分子束外延的生长技术，对生长条件优化进行有效反馈，并优化其它生长参量(例如生长温度、生长压强等)，进而抑制非故意掺杂浓度、位错、缺陷等形成，实现低缺陷外延材料生长。研究纳米线APD碰撞离化机制、光电转换机理、暗载流子、时间抖动、后脉冲产生的物理机制，分析影响单光子探测效率、暗计数率、时间抖动、后脉冲的关键因素，采取器件结构设计、电场分布设计、低温工作设计等合理的设计措施，有效提高单光子探测效率、抑制InGaAs纳米线中暗载流子产生。

综上所述，InGaAs纳米线雪崩焦平面探测器具有高探测率、高灵敏度、强抗辐照、工作性能稳定、加工成本低、工艺简单等诸多优点，在激光探测、微光夜视系统、高光谱成像、精确制导、农业检测、空间遥感、仪器仪表等方面拥有广泛的应用前景。国际上已经有实验室制备了InGaAs纳米线雪崩焦平面探测器，但当前纳米线雪崩焦平面探测器的高成本、低探测效率等缺点导致其距离商用化还有一定距离。展望未来，在纳米线雪崩焦平面的结构仿真设计、纳米线阵列生长、纳米线电极制备光子探测效率、低暗计数率、低后脉冲等关键技术方面进行优化，发展出高光子探测效率、低噪声、高增益InGaAs纳米线雪崩焦平面的理论模型和工艺方案，将支撑系列化纳米线雪崩焦平面探测器产品的快速发展。