中红外大面积功率探测器

p 　　近日，中国科学院重庆绿色智能技术研究院量子信息技术中心团队在以GeSe为代表的IV sup A /sup VI sup B /sup 大面积单原子层材料制备和能带结构确定，及其器件测试分析研究中取得最新进展。 /p p 　　目前已有近百种二维材料被人们发现，包括第四主族单质、第三和第五主族构成的二元化合物、金属硫族化合物、复合氧化物等。这些发现不仅打破了长久以来二维晶体无法在自然界中稳定存在的说法，其自身的特性更是呈现出许多新奇的物理现象和电子性质，如半整数、分数和分形量子霍尔效应、高迁移率、能带结构转变等。IV sup A /sup VI sup B /sup 单晶二维材料MX（M=Ge,Sn；X=S,Se）因极高稳定性、环境友好性、丰富蕴藏量，以及从材料结构到性能上与黑磷烯的相似性而受到广泛关注。基于第一性原理方法对MX的能带结构的计算、对其从间接带隙到直接带隙的临界层厚，以及基于其C sub 2v /sub 对称结构的压电性能理论预测的研究已多有报道。但受其脆性影响，该类型材料难以直接采用物理撕裂法制备得到单原子层材料。采用化学合成方法，也难以获得较大面积的单原子层（大于1微米）。因此，对IV sup A /sup VI sup B /sup 单晶二维材料的研究迄今仍停留在理论预测阶段。 /p p 　　在MX中，GeSe理论上被认为是唯一具有直接带隙的材料，且该材料的光谱范围预测几乎覆盖了整个太阳光光谱，这使它在量子光学、光电探测、光伏、电学等领域有巨大的应用潜力。据此，重庆研究院量子信息技术中心团队研究发现，利用单晶硅表面二氧化硅的隔热效果和激光减薄方法，可以在一定激光功率密度下不断地减薄GeSe的层厚，直至单原子层。其减薄机理是激光在GeSe表层产生高热，由于GeSe材料本身的层状特性，难以将热量及时传导出去，导致层厚被不断减薄。当GeSe的层厚被减薄至单原子层时，整个SiO sub 2 /sub /Si可以被看作热沉而无法继续减薄。利用此方法，该团队首次实验制备出了100微米以上的GeSe单原子层材料，基于荧光谱、拉曼谱等方法对GeSe单原子层的原子和能带结构进行研究，并基于第一性原理方法理论印证了实验结果的可靠性。实验和理论计算表明，GeSe单原子层的荧光谱非常宽，从可见光波段到近红外波段发现了8个荧光峰，从间接带隙到直接带隙的转变发生在第三层。此外，该团队分别实验制备出了基于GeSe体材料和二维材料的晶体管，其I-V和光反应性能表明，二维材料的光敏度是相应体材料的3.3倍，同时二维材料器件的光反应度也远优于相应体材料器件。 /p p 　　相关研究成果发表在 em Advanced Functional Materials /em 上。该研究得到了重庆市基础前沿重大项目、中科院“西部之光”西部青年学者A类项目、国家自然科学基金面上项目的资助。?? /p p br/ /p

我国首颗全球二氧化碳监测科学实验卫星在酒泉卫星发射中心成功发射。中科院声像中心 任晖摄　　我国二氧化碳监测水平跻身世界前列　　根据联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)第四次评估报告，受人类活动的影响，主要温室气体二氧化碳和甲烷的浓度已上升到2500万年以来的最高值，且依然呈上升趋势，地表温度也在逐年升高。温室效应正直接威胁着全人类的生存和发展。精确监视全球二氧化碳的排放状况已成为有效开展气候变化研究和应对的迫切要求。阿拉斯加冰川过去30年消融的景象，图片来自网络　　本次发射的碳卫星作为我国首颗用于监测全球大气二氧化碳含量的科学实验卫星，围绕全球气候变化这一当今国际社会普遍关心的全球性重大问题，以大气二氧化碳遥感监测为切入点，利用高光谱与高空间分辨率二氧化碳探测仪、多谱段云与气溶胶探测仪等探测设备，通过地面数据接收、处理与验证系统，定期获取全球二氧化碳分布图，大气二氧化碳反演精度将优于4ppm，使我国在大气二氧化碳监测方面跻身国际前列。　　碳卫星是国家科技部为应对全球气候变化、提升我国全球二氧化碳监测能力部署的一项重大任务。通过863计划地球观测与导航技术领域“全球二氧化碳监测科学实验卫星与应用示范”重大项目立项实施。由中科院国家空间科学中心负责工程总体 中科院微小卫星创新研究院负责卫星系统，中科院长春光学精密机械与物理研究所研制有效载荷 中国气象局国家卫星气象中心负责地面数据接收处理与二氧化碳反演验证系统的研制、建设和运行。　　负责本次发射任务的为长征二号丁运载火箭。本次发射还搭载发射中国科学院微小卫星创新研究院自主安排研制的1颗高分辨率微纳卫星和2颗高光谱微纳卫星。　　小卫星肩负大使命工作人员在低温实验室进行仪器调试，图片来自网络　　22日凌晨3时22分，我国首颗全球二氧化碳监测科学实验卫星发射升空。它成为巡游在地球上空700公里的第三位全球二氧化碳“体检师”。碳卫星将在宇宙中跳起“华尔兹舞步”，不断变换观测模式，完成对全球二氧化碳的监测，并借助模式同化和反演技术，最终形成全球碳排放情况的“体检报告”。　　“小卫星肩负大使命。”国家遥感中心总工程师李加洪说。监测全球二氧化碳分布情况，这是中国应对全球气候变化采取的积极行动，也体现了我国的“大国担当”。而且，“知己知彼”，才能在全球气候谈判中掌握主动权，发出“中国声音”。　　二氧化碳浓度监测，不是想测就能测　　二氧化碳浓度监测，不是你想测，想测就能测。目前为止，只有美国和日本发射了自己的碳卫星。美国OCO-2卫星，图片来自网络　　二氧化碳在大气中的浓度本就非常低。碳卫星总设计师尹增山介绍，从2011年到2016年年底，经过近六年研制，我国碳卫星探测精度达到了优于4ppm(百万分比浓度)。也就是说，当大气中二氧化碳含量变化超过百万分之四时，碳载荷就会发现。　　如何发现?实际上，碳卫星对二氧化碳浓度采用的是“间接测量”法。大气在太阳光照射下，二氧化碳分子会呈现光谱吸收特性，碳卫星通过精细测量其光谱吸收线，可以反演出大气二氧化碳浓度。　　但这根线非常窄。要获取高精度的大气吸收光谱，就要依靠碳卫星的主载荷——高光谱与高空间分辨率二氧化碳探测仪。二氧化碳探测仪核心的技术指标和难点就是要同时实现高光谱分辨率和高辐射分辨率，这就如同检查人的指纹，普通仪器只看得到纹理，而二氧化碳探测仪可以把指纹放大一百倍，精细测量每条指纹的宽度和深度。　　“要达到这么精细的分辨率，必须要有大面积光栅。”中科院长春光机所研究员郑玉权告诉记者，为突破这项关键技术，科研人员从最基础的制造全息光栅所需的高精度曝光系统研究出发，一点点攻克技术难关，最终在碳化硅基底上制造出高精度衍射光栅，并在航空校飞试验中进行了验证。　　碳卫星探测仪上的大面积衍射光栅，能够探测2.06µm、1.6µm、0.76µm三个大气吸收光谱通道，最高分辨率达到0.04nm，这样的分辨率，在国内光谱仪器的研制上也尚属首次。　　说起研制过程，郑玉权感慨颇多。六年的载荷研制，是预研攻关和工程实施的结合。他们从“无”到“有”，实现技术突破 又迎头赶上，比肩国际先进水平。“反正，遇到问题的彷徨、解决问题的艰辛和最终找到答案的欢乐，我们全尝遍了。”　　碳卫星上的“配角”　　将为研究雾霾提供重要数据支撑　　碳卫星上的“配角”——云与气溶胶探测仪也不可小觑。气溶胶，通俗点说，就是大气中的尘埃。探测仪可以帮忙排除探测时云和气溶胶的影响，提升二氧化碳探测数据的可靠性。碳卫星地面应用系统总设计师杨忠东表示，从设计能力上来讲，这款探测仪可以为研究雾霾提供重要数据支撑。碳卫星载荷系统，图片来自网络　　“碳卫星本身，就肩负着‘创新’使命。”李加洪说。作为一颗科学实验卫星，碳卫星身上，至少有四项大胆的技术创新——大面积光栅、多模式定标、敏捷姿态调控以及复杂的反演验证系统。“我们碳卫星的整体水平，比日本的还要高。虽是‘后发’，但我们已经实现了‘并跑’。”　　技术上的卓越，并非这颗碳卫星的唯一追求。在大约半年的在轨测试之后，碳卫星将正式开始两年半的工作——让二氧化碳浓度数据到碗里来。“我们将按照应用需求，对后期数据进行加工、处理、共享和服务。”李加洪透露，科技部联合中国科学院和中国气象局已经制定了碳卫星数据管理办法。碳卫星数据将加载到国家综合地球观测数据共享平台，向国内各类用户提供数据共享服务。在国际合作方面，这些数据也会向地球观测组织(GEO)共享，这也是中国对GEO的实质贡献。　　“一颗卫星远远不够。”不过，让杨忠东欣慰的是，六年来，他们不仅收获了这颗卫星，还了解和掌握了二氧化碳高精度遥感监测仪器的制备过程。“要满足中国社会经济的发展需求，我们还要更多碳卫星。”第一颗有了，后续的，也就不再遥远。

01 研究背景随着红外成像技术的不断发展，市场对红外探测器的灵敏度、红外成像的清晰度要求越来越高。由于氧化钒（VOx）探测器的灵敏度要高于非晶硅，目前已成为非制冷探测器领域的主流路线，氧化钒探测器占据非制冷探测器的比例近七成，部分氧化钒探测器甚至表现出了接近制冷型红外探测器的优异性能。缺点是它不兼容标准的 CMOS 工艺生产线，需要有单独的CMOS工艺生产线。国内外多数企业选择氧化钒技术路线。相比于非晶硅和氧化钒等热红外探测器，工作于短波红外波段的探测器具有极强的天气适应性，穿透雾、霾、烟尘的能力更强，识别度更高，目标细节表达更清晰，有效探测距离更长。同时，短波红外成像技术具有在湿热天气下仍表现良好等优势。常见的铟镓砷（InGaAs）、硫化铅（PbS）和碲镉汞（MCT）等短波红外材料存在有毒（砷化物摄入过量会导致中毒，引起贫血、肠胃炎、肺炎肝炎等疾病；铅中毒会严重影响人体的神经系统、心血管系统、骨骼系统、生殖系统和免疫系统等；汞中毒会导致人体肾脏损害、皮肤损害、神经系统障碍、肌肉震颤、肝肾功能不全等）、大面积污染环境、不兼容标准的CMOS制造工艺、良率低、无法大规模量产、不宜进入消费电子领域等劣势，限制了短波红外成像技术的应用场景。在此背景下，研究院首席科学家、光电集成电路研发中心主任Henry教授长期致力于无毒且环保、大面积均匀性良好、高度兼容CMOS工艺生产线、可大批量生产的红外成像技术，相关技术有望逐渐取代现有红外成像技术的军用市场，并将创造红外成像技术在民用领域的新市场（特别是短波红外成像技术），比如汽车辅助驾驶系统、工业检测、医疗诊断、消费电子、智能安防、森林防火和商业航天等应用，对促进国民经济健康发展具有重大的科学价值和现实意义。02 研究进展近期，Henry教授团队在大尺寸硅衬底上异质外延了高质量的SiGe/Si和GeSi/Ge多量子阱传感材料，并采用标准的CMOS制造工艺制备了PIP和PIN两种结构的量子阱红外探测器。结果表明SiGe/Si和GeSi/Ge多量子阱传感材料在长波红外波段展现出了优异的电阻温度系数（如图1所示），超过了商用的氧化钒（VOx）和非晶硅（a-Si）长波红外探测器。同时，GeSi/Ge多量子阱探测器在短波红外波段的光电响应优于Ge半导体材料，它是非常重要的短波红外光电传感材料。相关结果分别以“A SiGe/Si Nanostructure with Graphene Absorbent for Long Wavelength Infrared Detection”和“High-performance GeSi/Ge multi-quantum wells photodetector on a Ge-buffered Si substrate”为题目发表于国际知名期刊ACS Applied Nano Materials和Optics Letters，两篇论文的第一作者均为Henry教授指导的联合培养博士生王贺，两篇论文的共同通讯作者均为研究院赵雪薇博士、中国科学技术大学胡芹研究员和研究院Henry教授。其中，硅基异质材料外延、探测器设计与制造、实验和表征分析方面均是在Henry教授及其团队成员的通力合作下完成。图1 不同温度下GeSi/Ge MQW探测器（直径为10 μm）：（a）电流-电压特性曲线（b）TCR曲线此外，Henry教授团队创新性的在大尺寸的绝缘体上锗（GOI）晶圆上制备了谐振腔增强型GOI短波红外光电探测器，证明了谐振腔结构有效的提升了GOI短波红外光电探测器在1550nm波段的光电响应，可与商用的InGaAs短波红外光电探测器相媲美，被认为是颠覆InGaAs短波红外成像技术的重要技术方案（如图2所示）。相关结果以“High-Performance Ge PIN Photodiodes on a 200 mm Insulator with a Resonant Cavity Structure and Monolayer Graphene Absorber for SWIR Detection”为题目发表于国际知名期刊ACS Applied Nano Materials，论文的第一作者为Henry教授指导的博士生余嘉晗，共同通讯作者为研究院赵雪薇博士、研究院苗渊浩副研究员和研究院Henry教授。图2 谐振腔增强型GOI短波红外光电探测器的光响应谱（器件直径为100 μm）综上，Henry教授团队近期开发了多类型兼容CMOS工艺的红外探测器，系统地研究了SiGe/Si多量子阱材料、GeSi/Ge多量子阱材料和GOI谐振腔结构对红外探测器的作用机理，红外探测器的响应度、暗电流、电阻温度系数及量子效率等关键性能指标均处于国际领先水平。此前，Henry教授团队在人民日报展示了应变GOI短波红外成像芯片的高清晰成像效果，实现了廉价且高性能的短波红外成像技术的范式创新，突破了现有技术在民用消费领域的新市场，具有非常重要战略意义与现实价值。迄今为止，Henry教授团队围绕红外成像晶圆、红外探测器结构与制造工艺、红外成像芯片以及芯片集成方法等方面进行了全方位的专利布局，旨在形成完善的专利池。03 Henry H. Radamson院士简介Henry教授，“中国政府友谊奖”获得者，“广东省友谊奖”获得者，欧洲科学院院士，国际知名的纳米光子学、电子学和半导体光电材料研究领域专家，欧洲材料研究协会（E-MRS）执行主席，Springer-Nature期刊编辑，Fundamental Research期刊编委，在国际会议和重要学术期刊上发表了250余篇高水平论文。2023年，Henry教授撰写了名为《Analytical methods and instruments for micro-and nanomaterials》的英文书籍（研究院为第一单位），这本书详细介绍了用于表征纳米结构材料的分析仪器，提供了评估材料质量、缺陷、表面和界面状态、元素分布、应变、晶格畸变以及电光特性的方法。广东省人民政府给Henry教授颁发了2022年度“广东省友谊奖”，感谢Henry教授对促进广东省经济社会发展和对外交流合作做出的重要贡献。Henry教授经广东省人民政府推荐，荣获2023年度中国政府友谊奖，国务院总理李强于2024年2月4日下午在人民大会堂亲切会见了在华工作的外国专家代表，Henry教授作为获奖者受邀参加了座谈。