科研新突破！新型材料助力SWIR传感器迈向新高度

作者：欧光科技发表时间：2025-02-25 14:24:50

近日，韩国标准与科学研究院（KRISS）的一项研究成果引发了科技界的广泛关注。他们成功开发出一种高质量的复合半导体材料，为SWIR（短波红外）传感器的性能提升和广泛应用开辟了新道路。这一成果发表在《先进功能材料》上，有望在多个领域掀起技术革新的浪潮。

SWIR传感器一直以来都凭借其独特的性能优势在光学传感领域占据重要地位。它能够在低光照的恶劣环境下，依旧为我们提供清晰的视觉信息，还能敏锐地检测到物体反射和直接发射的红外光。其工作依赖于半导体将光信号转化为电信号，而常用的复合半导体材料，凭借着远超单元素硅半导体的电子迁移率，让微弱的光信号也能被高效检测到。

然而，此前SWIR传感器最常用的复合半导体材料——铟镓砷（InGaAs），在实际应用中却遭遇了诸多难题。制造过程中的晶格失配，如同一个隐藏在精密仪器中的定时炸弹，随时可能影响传感器的性能；高生产成本也限制了其大规模的推广应用；还有材料本身固有的一些限制，也束缚了SWIR传感器进一步发展的脚步。

KRISS的研究团队知难而进，经过不懈努力，终于开发出了一种生长在InP衬底上的磷化砷化铟（InAsP）材料，作为SWIR传感器的光吸收层。这一材料的出现，宛如一道曙光，照亮了SWIR传感器发展的前路。与InGaAs相比，InAsP在室温下有着更低的信噪比，这意味着它的可靠性得到了大幅提升，就像一位更加稳定可靠的“侦察兵”，能够在复杂环境中精准地完成任务。同时，它还拥有更大的检测范围，从1.7到2.8μm，并且在如此广泛的检测范围内，性能丝毫不打折扣。

为了解决晶格失配这一关键问题，研究人员巧妙地在材料中引入了一个变质（即晶格弛豫）层。这个变质层就像是一位温柔的“协调者”，它能够逐渐调整衬底和光吸收层之间砷化物（As）和磷化物（P）的比例，充当起缓冲层的角色，避免了具有不同晶格特性的材料之间直接“碰撞”，从而有效减小了晶格应变，确保了材料的高质量，还为灵活的带隙调整提供了可能。

不仅如此，研究人员还利用隐喻砷化铟磷化锑（InAsPSb）多量子阱（MQW）异质结构，成功开发出了波长为2.4μm的LED。这种新型LED与传统的基于InAsP的MQWLED相比，具有更强的电子和空穴限制能力。它就像一个高效的“电荷收纳盒”，能够将电荷载流子牢牢地捕获在MQW结构内，有效防止了早期基于InAsP的设备中常见的电荷泄漏和效率下降问题。同时，InAsPSb在高温下也能保持高稳定性，即使在高温和高电流密度的严苛条件下，包含InAsPSbMQW的LED也仅仅表现出最小的效率下降，并且发光性能十分稳定。

为了攻克InAsPSb结构和InP衬底之间约2%的晶格常数失配难题，研究团队改进了变质晶格弛豫生长技术，成功抑制了由晶格失配引起的穿透位错。最终，他们成功制造出了无缺陷的高质量LED。这种LED不仅表面粗糙度极低，仅为1.1nm，而且在异质结构内有着明确、尖锐的界面。在发射特性方面，它同样表现出色，拥有低开启场、最小效率下降以及在各种注入电流下都能保持稳定的发射波长。其电致发光峰值波长以约0.15V的低开启电压为显著特征，在15开尔文下稳定性良好，即使注入电流密度不断增加，也依然能保持稳定。

在如今，设计用于发射2μm以上波长的固态红外源，常常面临着实现高发射效率、最小化功耗和降低制造成本等多重挑战。而InAsP的开发，无疑是提高SWIR发射器效率和性能的重要一步。基于InAsPSb的LED，未来可广泛应用于生命科学、光通信、光学检测和医疗诊断传感器等多个高级应用领域。曾经主要应用于军事夜视设备的SWIR传感器，如今其用途正在不断拓展，自动驾驶汽车、半导体工艺监控以及用于观察植物生长的智能农场摄像头等领域，都能看到它的身影。

研究员SangJunLee表示：“鉴于进口被列为国家战略资源的复合半导体材料面临挑战，确保自主技术势在必行。我们开发的材料已准备好立即投入商业化，预计将广泛应用于战斗机雷达系统、药品缺陷检测和塑料回收工艺等新兴行业。”此次KRISS研究院的研究成果，不仅在半导体材料领域赢得了一席之地，更为全球SWIR传感器的发展注入了新的活力，让我们共同期待这些新技术在各个领域的精彩表现。