據(jù)外媒報(bào)道，韓國(guó)標(biāo)準(zhǔn)與科學(xué)研究院（KRISS）成功開發(fā)出用于超靈敏短波紅外（SWIR）傳感器的高質(zhì)量復(fù)合半導(dǎo)體材料。這項(xiàng)研究發(fā)表在期刊《Advanced Functional Materials》上。

圖片來(lái)源：《Advanced Functional Materials》

SWIR傳感器能檢測(cè)到物體反射的紅外線和物體直接發(fā)出的紅外線，即使在弱光條件下也能提供清晰的視覺信息。SWIR傳感器傳統(tǒng)上用于夜視儀等軍事設(shè)備，現(xiàn)在已擴(kuò)展到各個(gè)領(lǐng)域，包括自動(dòng)駕駛汽車、半導(dǎo)體制程監(jiān)測(cè)和用于觀察植物生長(zhǎng)的智能農(nóng)場(chǎng)攝像頭。

在紅外傳感器中，半導(dǎo)體材料在檢測(cè)光信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。為先進(jìn)應(yīng)用設(shè)計(jì)的SWIR傳感器通常采用復(fù)合半導(dǎo)體（由兩種或兩種以上元素組成的材料），因?yàn)榕c單一元素硅半導(dǎo)體相比，它們的電子遷移率要高得多，這使得它們能夠以更高的能效檢測(cè)微弱的光信號(hào)。

目前，在磷化銦（InP）襯底上生長(zhǎng)的砷化銦鎵（InGaAs）是最常用于制造SWIR傳感器的復(fù)合半導(dǎo)體材料。然而，基于InGaAs的材料在制造過(guò)程中面臨著晶格失配和材料本身固有局限等挑戰(zhàn)，阻礙了高性能SWIR傳感器的發(fā)展。

KRISS通過(guò)開發(fā)一種新型磷砷化銦（InAsP）材料來(lái)應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，這種材料生長(zhǎng)在InP襯底上，作為光吸收層。與InGaAs相比，InAsP在室溫下表現(xiàn)出較低的信噪比，從而提高了可靠性。此外，其檢測(cè)范圍從1.7μm擴(kuò)展到2.8μm，而性能沒(méi)有任何損失。

該技術(shù)創(chuàng)新的關(guān)鍵在于引入了變質(zhì)（晶格弛豫）層來(lái)減輕晶格失配。該研究團(tuán)隊(duì)引入了一種變質(zhì)結(jié)構(gòu)，可逐漸調(diào)整基底和光吸收層之間砷（As）和磷（P）的比例。這種結(jié)構(gòu)起到了緩沖作用，可防止晶格特性不同的材料之間直接相互作用。因此，晶格應(yīng)變顯著降低，確保了材料的高質(zhì)量，并實(shí)現(xiàn)了靈活的帶隙調(diào)節(jié)。

KRISS半導(dǎo)體和顯示計(jì)量團(tuán)隊(duì)首席研究員Sang Jun Lee表示：“由于復(fù)合半導(dǎo)體材料被列為國(guó)家戰(zhàn)略資源，其進(jìn)口面臨諸多挑戰(zhàn)，掌握自主技術(shù)勢(shì)在必行。我們開發(fā)的材料可以立即商業(yè)化，預(yù)計(jì)將廣泛應(yīng)用于新興行業(yè)，包括戰(zhàn)斗機(jī)雷達(dá)系統(tǒng)、藥品缺陷檢測(cè)和塑料回收工藝。”

用于短波紅外區(qū)域的高效多量子阱LED

與傳統(tǒng)的基于InAsP的多量子阱（MQW）LED相比，該研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)的InAsPSb的電子和空穴限制能力顯著增強(qiáng)。這一進(jìn)步有效地將電荷載流子限制在MQW結(jié)構(gòu)中，解決了早期基于InAsP器件的電荷泄漏和效率下降問(wèn)題，同時(shí)確保了高溫下的高穩(wěn)定性。因此，即使在高溫和高電流密度條件下，采用InAsPSb MQW的LED也能表現(xiàn)出極小的效率衰減和穩(wěn)定的發(fā)光性能。

為了解決InAsPSb和InP襯底之間顯著的晶格常數(shù)失配（約2.0%）問(wèn)題，研究人員改進(jìn)了變質(zhì)晶格弛豫生長(zhǎng)技術(shù)。這種方法有效地抑制了由晶格失配引起的穿透位錯(cuò)，從而能夠在含有InAsPSb的MQW結(jié)構(gòu)中制造出無(wú)缺陷的高質(zhì)量LED。通過(guò)將LED器件的表面粗糙度降至最低，該研究團(tuán)隊(duì)成功地在InP襯底上開發(fā)出高質(zhì)量的SWIR發(fā)光器件。

隨著這些創(chuàng)新工藝和材料的進(jìn)步，基于InAsPSb的LED顯示出巨大的潛力，成為需要高效紅外發(fā)射器的各種先進(jìn)應(yīng)用的開創(chuàng)性解決方案。這些應(yīng)用包括檢測(cè)、生命科學(xué)傳感器、光通信和醫(yī)療診斷。