据外媒报道，韩国标准与科学研究院（KRISS）成功开发出用于超灵敏短波红外（SWIR）传感器的高质量复合半导体材料。这项研究发表在期刊《Advanced Functional Materials》上。
图片来源：《Advanced Functional Materials》
SWIR传感器能检测到物体反射的红外线和物体直接发出的红外线，即使在弱光条件下也能提供清晰的视觉信息。SWIR传感器传统上用于夜视仪等军事设备，现在已扩展到各个领域，包括自动驾驶汽车、半导体制程监测和用于观察植物生长的智能农场摄像头。
在红外传感器中，半导体材料在检测光信号并将其转换为电信号方面发挥着关键作用。为先进应用设计的SWIR传感器通常采用复合半导体（由两种或两种以上元素组成的材料），因为与单一元素硅半导体相比，它们的电子迁移率要高得多，这使得它们能够以更高的能效检测微弱的光信号。
目前，在磷化铟（InP）衬底上生长的砷化铟镓（InGaAs）是最常用于制造SWIR传感器的复合半导体材料。然而，基于InGaAs的材料在制造过程中面临着晶格失配和材料本身固有局限等挑战，阻碍了高性能SWIR传感器的发展。
KRISS通过开发一种新型磷砷化铟（InAsP）材料来应对这些挑战，这种材料生长在InP衬底上，作为光吸收层。与InGaAs相比，InAsP在室温下表现出较低的信噪比，从而提高了可靠性。此外，其检测范围从1.7μm扩展到2.8μm，而性能没有任何损失。
该技术创新的关键在于引入了变质（晶格弛豫）层来减轻晶格失配。该研究团队引入了一种变质结构，可逐渐调整基底和光吸收层之间砷（As）和磷（P）的比例。这种结构起到了缓冲作用，可防止晶格特性不同的材料之间直接相互作用。因此，晶格应变显著降低，确保了材料的高质量，并实现了灵活的带隙调节。
KRISS半导体和显示计量团队首席研究员Sang Jun Lee表示：“由于复合半导体材料被列为国家战略资源，其进口面临诸多挑战，掌握自主技术势在必行。我们开发的材料可以立即商业化，预计将广泛应用于新兴行业，包括战斗机雷达系统、药品缺陷检测和塑料回收工艺。”
用于短波红外区域的高效多量子阱LED
与传统的基于InAsP的多量子阱（MQW）LED相比，该研究团队开发的InAsPSb的电子和空穴限制能力显著增强。这一进步有效地将电荷载流子限制在MQW结构中，解决了早期基于InAsP器件的电荷泄漏和效率下降问题，同时确保了高温下的高稳定性。因此，即使在高温和高电流密度条件下，采用InAsPSb MQW的LED也能表现出极小的效率衰减和稳定的发光性能。
为了解决InAsPSb和InP衬底之间显著的晶格常数失配（约2.0%）问题，研究人员改进了变质晶格弛豫生长技术。这种方法有效地抑制了由晶格失配引起的穿透位错，从而能够在含有InAsPSb的MQW结构中制造出无缺陷的高质量LED。通过将LED器件的表面粗糙度降至最低，该研究团队成功地在InP衬底上开发出高质量的SWIR发光器件。
随着这些创新工艺和材料的进步，基于InAsPSb的LED显示出巨大的潜力，成为需要高效红外发射器的各种先进应用的开创性解决方案。这些应用包括检测、生命科学传感器、光通信和医疗诊断。
