韓國研發短波紅外感測器用半導體材料，具商業化潛力

韓國標準科學研究院（KRISS）成功研發出一種用於超靈敏短波紅外（SWIR）感測器的高品質化合物半導體材料。該研究成果發表於《先進功能材料》期刊。

SWIR感測器即使在低光環境下，也能提供清晰的視覺資訊，它可以偵測物體反射的紅外線以及物體直接發出的紅外線。傳統上，SWIR感測器多用於夜視裝置等軍事裝置，如今，其應用正拓展至多個領域，像是自動駕駛車輛、半導體製程監控，以及用於觀察植物生長的智慧農場相機等。

在紅外感測器中，半導體材料在偵測光訊號並將其轉換為電訊號方面扮演著關鍵角色。用於先進應用的SWIR感測器通常採用化合物半導體，也就是由兩種或更多元素組成的材料。這是因為與單元素矽半導體相比，化合物半導體的電子遷移率顯著更高，能以更高的能源效率偵測微弱的光訊號。

目前，在磷化銦（InP）基板上生長的砷化銦鎵（InGaAs）是SWIR感測器最常用的化合物半導體材料。然而，基於InGaAs的材料在製造過程中面臨晶格失配等挑戰，以及材料本身的固有侷限性，這些都阻礙了高效能SWIR感測器的發展。

KRISS透過研發一種新的砷化磷銦（InAsP）材料解決了這些問題。這種材料在InP基板上作為光吸收層生長。與InGaAs相比，InAsP在室溫下的噪訊訊號比更低，提高了可靠性。此外，其偵測範圍從1.7微米擴充套件到了2.8微米，且效能沒有任何損失。

關鍵創新在於引入了變質（晶格鬆弛）層以減緩晶格失配。研究團隊採用了一種變質結構，該結構可逐漸調整基板和光吸收層之間砷（As）和磷（P）的比例。這種結構起到緩衝作用，防止具有不同晶格特性的材料直接相互作用。結果是晶格應變顯著降低，確保了材料的高品質，並能靈活調整能隙。

KRISS半導體與顯示計量組的首席研究員李相俊表示：「鑑於化合物半導體材料被列為國家戰略資源，進口存在挑戰，因此確保自主技術至關重要。我們研發的材料已可立即商業化，預計將廣泛應用於新興產業，包括戰鬥機雷達系統、藥品缺陷檢測和塑膠回收過程。」

研究團隊還研發了InAsPSb，與傳統的基於InAsP的多重量子井（MQW）發光二極體（LED）相比，它能提供更強的電子和電洞侷限性。這一進展有效地將載流子限制在MQW結構內，解決了早期基於InAsP的裝置中出現的載流子洩漏和效率下降問題，同時確保在高溫下具有高穩定性。因此，採用InAsPSb MQW的LED即使在高溫和高電流密度下，也僅有極小的效率衰減，並具有穩定的發光效能。

為瞭解決InAsPSb和InP基板之間顯著的晶格常數失配（約2.0%）問題，研究人員改進了變質晶格鬆弛生長技術。這種方法有效地抑制了由晶格失配引起的穿隧位錯，使得能夠在包含InAsPSb的MQW結構中製造出無缺陷的高品質LED。透過最小化LED裝置的表面粗糙度，團隊成功在InP基板上研發出高品質的SWIR發光裝置。

透過這些創新工藝和材料進展，基於InAsPSb的LED顯示出作為高效紅外發射器的巨大潛力，可為各種先進應用提供突破性的解決方案，這些應用包括偵測、生命科學感測器、光通訊和醫學診斷等。