雙色紅外探測器可以同時獲取目標和環(huán)境在兩個波段的輻射特征，從而有效抑制復雜的背景噪聲，實現(xiàn)不受環(huán)境制約的紅外探測，提升目標的探測效果，在預警、搜索和跟蹤系統(tǒng)中能明顯地降低虛警率，顯著地提高系統(tǒng)性能。目前雙色紅外探測器的研究主要包括短/中波、中/中波、中/長波和長/長波等。近年來長/長波雙色紅外探測器應用研究上取得了較大的發(fā)展，采用的材料主要為二類超晶格與碲鎘汞。與碲鎘汞相比，銻基II類超晶格具有暗電流低、工藝穩(wěn)定性高、材料缺陷少等優(yōu)點，尤其是在長波和甚長波波段的應用，超晶格展現(xiàn)出了更大的優(yōu)勢。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，華北光電技術(shù)研究所和中國科學院半導體研究所的科研團隊在《紅外與毫米波學報》期刊上發(fā)表了以“長/長波雙色二類超晶格紅外探測器研究”為主題的文章。該文章第一作者和通訊作者為劉銘研究員，主要從事紅外探測材料與器件方面的研究工作。

本文報道了長/長波雙色二類超晶格紅外焦平面探測器組件的研制。通過能帶結(jié)構(gòu)設計和分子束外延技術(shù)，獲得了表面質(zhì)量良好的長/長波雙色超晶格外延材料。突破了長波超晶格低暗電流鈍化、低損傷干法刻蝕等關鍵技術(shù)，制備出像元中心距30 μm的320×256長/長波雙色InAs/GaSb超晶格焦平面探測器芯片。

實驗

器件結(jié)構(gòu)設計

為抑制器件的暗電流和雙波段間的光譜串音，本文基于NMIP-PIMN 結(jié)構(gòu)，在兩通道間插入Al0.2Ga0.8Sb勢壘阻擋電子反向移動，移除兩個p型接觸區(qū)，組成“NMIBIMN”器件結(jié)構(gòu)，通過改變勢壘區(qū)的摻雜濃度調(diào)整兩個通道的飽和偏壓和光譜串音，器件結(jié)構(gòu)及能帶如圖1所示。

圖1 長/長波雙色器件結(jié)構(gòu)及能帶圖

材料生長與質(zhì)量表征

文中使用材料采用分子束外延技術(shù)進行制備，針對長/長波雙色超晶格材料生長溫度窗口窄、中間勢壘區(qū)與超晶格區(qū)生長溫度相差大（約75 ℃）、長波吸收區(qū)InSb層厚度大使應力大的問題，本文通過調(diào)節(jié)材料的V族III族束流比、襯底溫度、III族元素的源爐溫度、快門開關順序來保證材料符合器件制備標準。通過能帶模擬，設計出短長波和長長波吸收區(qū)分別為10.5 mL InAs/7 mL GaSb和14 mL InAs/7 mL GaSb。根據(jù)已有經(jīng)驗，長波超晶格吸收區(qū)需要更多的InSb平衡應力，太多的InSb界面導致外延難度增大。

在GaSb襯底上要實現(xiàn)共格生長，1 mL的InAs需要0.1 mL的InSb平衡張應力，因此短長波吸收區(qū)和長長波吸收區(qū)各需要1.05 mL和1.4 mL的InSb平衡應力?？紤]到界面處存在的部分GaAs，實際需要的InSb厚度要更多，太多的InSb可能會導致應力釋放，破壞晶格結(jié)構(gòu)。10.5 mL InAs/7 mL GaSb需要1.05 mL InSb平衡應力，在InAs onGaSb界面處更容易形成InSb界面。因此在InAs on GaSb界面處生長0.52 mL InSb，在GaSb on InAs界面處生長0.53 mL InSb。14 mL InAs/7 mL GaSb需要1.4 mL InSb平衡應力，如果采用InSb雙界面，兩邊的InSb厚度為0.7mL，這個數(shù)值接近晶格弛豫的臨界值，因此采用三界面生長方式，在InAs on GaSb界面和GaSb on InAs界面處各生長0.45 mL InSb，并在GaSb層中間位置插入0.5 mL InSb。界面生長順序如圖2所示。

圖2（a）10.5 mL InAs/7 mL GaS界面生長順序，（b）14 mL InAs/7 mL GaSb界面生長順序

為了表征材料質(zhì)量，將外延的長/長波雙色超晶格材料進行光學顯微鏡、原子力顯微鏡（AFM）、X射線衍射儀測試（XRD），表征材料表面形貌和晶格完整性。在外延樣品選取多個點位進行測試。對表面缺陷數(shù)量進行統(tǒng)計，視場長度和寬度分別為344 nm和245 nm，視場面積為0.08428 cm2。材料表面缺陷密度小于120 cm?2。

圖3 長/長波雙色超晶格材料表面形貌（a）樣品#1，（b）樣品#2

圖4為雙色材料的AFM測試圖像，掃描范圍為10 μm×10 μm，結(jié)果顯示材料表面粗糙度Ra均小于0.2 nm，表面起伏較小，證明了超晶格具有良好的表面質(zhì)量。

圖4 長/長波雙色超晶格材料AFM測試圖像（a）樣品#1，（b）樣品#2

圖5為材料X射線衍射儀的測試圖譜，材料有多級衛(wèi)星峰，不同點位衛(wèi)星峰的位置高度重合，吸收區(qū)一級衛(wèi)星峰半峰寬均小于30 arcsec，應力均在200 arcsec以內(nèi)，表明超晶格材料具有良好的生長周期和晶格質(zhì)量。

圖5 長/長波雙色超晶格材料XRD測試圖譜

根據(jù)材料設計，短長波吸收區(qū)設計厚度為56.5395?；長長波吸收區(qū)的設計厚度為68.2741 ?；M層（18 mL InAs /3 mL GaSb/5 mL AlSb/3 mL GaSb）的設計厚度為92.0481 ?。

設計吻合度的計算方法為周期厚度/設計厚度，得到M層、長長波、短長波的設計吻合度分別為99.29%、99.44%和97.37%。數(shù)據(jù)擬合結(jié)果和詳細衛(wèi)星峰參數(shù)如下表所示。

通過以上對外延的長/長波雙色超晶格材料的表面形貌、粗糙度和XRD表征，結(jié)果均驗證了所生長的超晶格材料具備較好的晶體質(zhì)量，可以滿足制備焦平面陣列的需求。

器件制備與性能測試

本文制備的焦平面探測器芯片陣列規(guī)格為320×256，像元中心距為30 μm×30 μm。芯片的制備工藝流程包括：通過光刻和ICP干法刻蝕形成臺面結(jié)結(jié)構(gòu)，使像素間產(chǎn)生隔離。采用PECVD等離子體化學氣相沉積在臺面結(jié)的表側(cè)壁覆蓋SiOxNy/SiO?鈍化層。經(jīng)過刻蝕工藝開出電極接觸通孔，通過光刻與電子束蒸發(fā)制備Ti/Pt/Au金屬電極。將制備得的芯片與專用雙色讀出電路通過銦柱倒裝互連，形成混成芯片。再通過低應力底部填充與背減薄技術(shù)，減薄襯底，完成長/長波雙色超晶格紅外探測器芯片的制備，芯片實物和焦平面像元陣列如圖6所示。

圖6 （a）320×256（30 m）長/長波雙色超晶格探測器混成芯片照片，（b）焦平面像元陣列SEM照片

將完成上述工藝的320×256（30 μm）長/長波雙色超晶格紅外探測器芯片進行微杜瓦封裝，冷屏F數(shù)為2，制冷至約70 K。將20 ℃黑體和35 ℃黑體先后對準測試窗口，通過焦平面測試系統(tǒng)采集全面陣各像元的響應信號。設置積分時間和調(diào)節(jié)偏置，計算出探測器的性能參數(shù)，包括探測率、盲元率、響應非均勻性等。

結(jié)果及分析

電學特性

采用低溫探針臺系統(tǒng)（Agilent B1500A）對InAs/GaSb超晶格長/長波雙色探測器芯片的電學特性進行測試。光敏元面積為30 μm×30 μm，測試溫度為77 K。測試得隨偏壓變化的長/長波雙色器件電流密度-電壓（J-V）曲線，并通過計算得出阻抗面積乘積-電壓（RA-V）曲線如圖7所示。從該圖可以看出，偏壓為-150 mV時，短長波二極管暗電流密度為8.2×10?? A/cm2，差分電阻和面積乘積RA值為7.4×10? Ωcm2。偏壓為50 mV 時，長長波二極管暗電流密度為1.2×10?3 A/cm2，RA值為70.3Ωcm2。

光譜響應

在70K下通過傅里葉紅外光譜儀（VERTEX 70）與高溫黑體測試探測器的光譜響應特性。本文像元器件結(jié)構(gòu)為兩個背靠背的PN結(jié)，通過調(diào)節(jié)整體工作偏壓，實現(xiàn)雙波段的探測。偏壓調(diào)節(jié)下焦平面器件的長波相對雙色響應光譜如圖7所示，其中波段1的50%后截止波長約為7.7 μm，波段2的后截止波長約為10.0 μm，體現(xiàn)了組件的長/長波雙色紅外探測功能。根據(jù)相對光譜串音的定義，計算得出短長波向長長波的串音為11.8%，長長波向短長波的串音為35.0%。長長波在短長波波段存在較大相對光譜串音，主要來源于較薄的短長波吸收層，未被吸收的光子輻射至長長波吸收層，被吸收后產(chǎn)生光譜串音。后續(xù)應進一步增加短長波波段的吸收區(qū)厚度，或在雙色通道間引入反射光柵，減少輻射至長長波通道的短長波光子數(shù)量。

圖7 J-V和RA-V特性曲線

成像演示

將焦平面器件封裝入微杜瓦，形成制冷型紅外探測器組件。長/長波超晶格焦平面探測器組件的雙波段成像效果如圖9所示。從圖中可清晰的分辨出人臉、口罩、帽檐等圖像特征，成像效果清晰。組件通過雙色讀出電路實現(xiàn)信號提取，雙波段圖像信號反向。組件測試結(jié)果為短長波的平均峰值探測率達到8.21×101? cmW?1Hz1/2，NETD 實現(xiàn)28.8 mK，盲元率為4.17%；長長波的平均峰值探測率達到6. 15×101? cmW?1Hz1/2，NETD為37.8 mK，盲元率為4.95%；證明了器件具有雙波段探測信息分辨能力。

圖8 長/長波雙色超晶格探測器光譜響應曲線

圖9 雙波段成像演示圖（a）波段1成像圖，（b）波段2 成像圖

結(jié)論

本文報道了基于雙色疊層超晶格材料的長/長波雙色焦平面探測器。通過分子束外延技術(shù)成功制備了NPN疊層結(jié)構(gòu)的雙色超晶格材料，并由材料表征驗證了超晶格晶體質(zhì)量。采用光刻、ICP干法刻蝕、PECVD鈍化等工藝，實現(xiàn)了320×256規(guī)格、30 μm像元中心距的長/長波雙色超晶格焦平面探測器芯片制備。通過與長/長波雙色讀出電路倒裝互連、杜瓦封裝、耦合分體式制冷機后，形成長/長波雙色超晶格紅外焦平面組件。在70K下，通過響應光譜測試，驗證了探測器的長/長波雙色探測功能。組件性能測試得到，該雙色超晶格焦平面探測器的雙波段截止波長分別為7.7 μm和10.0 μm，NETD分別為28.8 mK和37.8 mK，并實現(xiàn)了清晰的成像演示，為后續(xù)長/長波雙色超晶格焦平面探測器邁向工程化奠定了基礎。

審核編輯：劉清