長(zhǎng)波超晶格探測(cè)器制備方面的研究進(jìn)展

摘要：由于具有帶隙可調(diào)、電子有效質(zhì)量大、俄歇復(fù)合率低等特點(diǎn)，Ⅱ類超晶格在長(zhǎng)波紅外和甚長(zhǎng)波紅外探測(cè)方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。介紹了長(zhǎng)波超晶格探測(cè)器制備方面的研究進(jìn)展，包括能帶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、表面缺陷控制、周期結(jié)構(gòu)控制和表面鈍化。最后報(bào)道了320 × 256長(zhǎng)波超晶格焦平面陣列及其測(cè)試性能。結(jié)果表明，在77 K工作溫度下，該陣列的截止波長(zhǎng)為9.6 μm，平均峰值探測(cè)率D＊為7 × 1010 cm·Hz1/2/W，噪聲等效溫差（Noise Equivalent Temperature Difference，NETD）為34 mK，響應(yīng)非均勻性為7%。

0引言

由于具有可穿透煙霧、抗干擾能力強(qiáng)以及全天候工作等特點(diǎn)，紅外探測(cè)器在國(guó)防和國(guó)民經(jīng)濟(jì)多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。隨著新需求的不斷發(fā)展，長(zhǎng)波紅外探測(cè)器呈現(xiàn)良好的市場(chǎng)前景。碲鎘汞紅外探測(cè)器具有量子效率高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，已成為目前應(yīng)用最為廣泛的紅外探測(cè)器。但它在長(zhǎng)波波段存在均勻性差、成品率低和成本高的問(wèn)題，導(dǎo)致高性能長(zhǎng)波紅外探測(cè)器難以得到廣泛應(yīng)用。而Ⅱ類超晶格紅外探測(cè)器是近年來(lái)興起的一種新型紅外探測(cè)器，它具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：（1）材料帶隙可調(diào)，光譜響應(yīng)可覆蓋2 ~ 30 μm波長(zhǎng)范圍。（2）獨(dú)特的能帶結(jié)構(gòu)決定其具有較大的電子有效質(zhì)量，并且隨著探測(cè)波長(zhǎng)的增大，電子有效質(zhì)量卻幾乎保持不變。在長(zhǎng)波紅外波段，其電子有效質(zhì)量約為碲鎘汞材料的3倍，導(dǎo)致此類探測(cè)器隧穿電流小。（3）通過(guò)應(yīng)變調(diào)節(jié)能帶結(jié)構(gòu)，可以降低俄歇復(fù)合率，提高載流子有效壽命，從而實(shí)現(xiàn)較高的器件性能（見(jiàn)圖1）。（4）Ⅱ類超晶格通常采用分子束外延（Molecular Beam Epitaxy，MBE）生長(zhǎng)方式，材料均勻性較高。通過(guò)采用晶格匹配且可商業(yè)化供給的GaSb襯底，能夠生長(zhǎng)出大面積、均勻性良好的Ⅱ類超晶格材料，從而易于制備大面陣紅外探測(cè)器?；谝陨咸攸c(diǎn)，研究人員認(rèn)為Ⅱ類超晶格在制備長(zhǎng)波和甚長(zhǎng)波紅外探測(cè)器時(shí)具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，因此是制備新一代紅外探測(cè)器的優(yōu)選材料。

圖1 不同截止波長(zhǎng)及工作溫度下Ⅱ類超晶格和p-on-n HgCdTe的理論性能對(duì)比

1理論設(shè)計(jì)

一個(gè)在反偏狀態(tài)下工作的光伏型探測(cè)器的暗電流通常包括少子擴(kuò)散電流、產(chǎn)生－－復(fù)合電流、隧穿電流和表面漏電流等。由于材料帶隙較寬，Ⅱ類超晶格中波紅外探測(cè)器的性能受暗電流的影響較小，所以采用p-i-n結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)良好的探測(cè)器性能。但對(duì)于長(zhǎng)波紅外探測(cè)器來(lái)說(shuō)，若仍使用簡(jiǎn)單的p-i-n結(jié)構(gòu)，則隧穿電流、產(chǎn)生-復(fù)合電流以及表面漏電流等將會(huì)大大增加，進(jìn)而嚴(yán)重制約器件性能。通過(guò)設(shè)計(jì)和引入異質(zhì)結(jié)構(gòu)，可以抑制以上暗電流，使探測(cè)器的暗電流僅由本征擴(kuò)散電流控制。在光伏結(jié)構(gòu)中，通過(guò)在超晶格吸收層兩側(cè)分別插入寬帶隙的p型勢(shì)壘層和n型勢(shì)壘層來(lái)形成電子勢(shì)壘和空穴勢(shì)壘。雙異質(zhì)結(jié)的引入對(duì)于探測(cè)器暗電流的抑制起到?jīng)Q定性作用：首先，外加偏壓的電場(chǎng)主要作用在寬帶材料上，使得空間電荷區(qū)主要在寬帶材料里產(chǎn)生，進(jìn)而有效抑制器件的產(chǎn)生-復(fù)合電流；其次，由于寬帶材料的引入，器件的隧穿電流也得到極大抑制；最后，通過(guò)在導(dǎo)電通道上引入寬帶材料，能夠提高其表面電阻率，使器件的整體漏電流得到有效抑制。采用經(jīng)驗(yàn)緊束縛方法（Empirical Tight-Binding Methob，ETBM）計(jì)算超晶格材料的能帶結(jié)構(gòu)。在設(shè)計(jì)中，長(zhǎng)波吸收層周期結(jié)構(gòu)由13個(gè)InAs分子層和8個(gè)GaSb分子層組成（13 MLs InAs / 8 MLs GaSb），而電子勢(shì)壘層和空穴勢(shì)壘層則分別由８MLs InAs / 8 MLs GaSb超晶格和16 MLs InAs / 4 MLsAlSb超晶格構(gòu)成。該異質(zhì)結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖2）能夠較好地抑制暗電流，從而提高長(zhǎng)波紅外探測(cè)器的性能。

圖2 長(zhǎng)波紅外探測(cè)器的能帶結(jié)構(gòu)圖

2材料生長(zhǎng)與探測(cè)器陣列制備

銻化物超晶格材料生長(zhǎng)采用固態(tài)源MBE系統(tǒng)，其中Sb源和As源均為裂解源（出射束流分別為Sb2和As2），Ⅴ/Ⅲ束流比由束流監(jiān)測(cè)計(jì)獲得。利用在腔室上安裝的反射式高能電子衍射儀（Reflection High-Energy Electron Diffractometer，RHEED）實(shí)時(shí)觀察樣品表面狀態(tài)，并通過(guò)表面再構(gòu)（見(jiàn)圖3）來(lái)校正溫度。InAs層和GaSb層均采用Ⅲ族元素限制生長(zhǎng)模式。

圖3 基于表面再構(gòu)轉(zhuǎn)變的RHEED衍射圖

在n型GaSb（100）襯底上生長(zhǎng)0.5 μm厚的Si摻雜InAsSb緩沖層，然后是0.5 μm厚的n型摻雜16 MLs InAs / 4 MLs AlSb電極層和不摻雜的同周期結(jié)構(gòu)的空穴勢(shì)壘層，接著是2 μm厚的p型弱摻雜13 MLs InAs/ 8 MLs GaSb長(zhǎng)波吸收層（摻雜濃度為1 × 1016 / cm3），最后是8 MLs InAs / 8 MLs GaSb電子勢(shì)壘層和20 nm厚的Be摻雜GaSb蓋層（摻雜濃度為2 × 108/ cm3）。

生長(zhǎng)的長(zhǎng)波Ⅱ類超晶格材料通過(guò)濕法腐蝕完成臺(tái)面成型。經(jīng)硫化去除本征氧化層后，采用SiO2/SiON復(fù)合膜層進(jìn)行表面鈍化以抑制表面漏電流。通過(guò)用熱蒸發(fā)沉積工藝生長(zhǎng)Ti/Pt/Au電極體系來(lái)實(shí)現(xiàn)良好的歐姆接觸。探測(cè)器陣列制備完成后（見(jiàn)圖4）與讀出集成電路（Readout Integrated Circuit，ROIC）倒裝互聯(lián)，從而實(shí)現(xiàn)混成耦合。最后對(duì)混成芯片的GaSb襯底進(jìn)行背減薄，并將其封入杜瓦結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)試。

圖4 長(zhǎng)波探測(cè)器陣列

3結(jié)果與討論

3.1材料表面缺陷

由于不同廠家的襯底氧化層的厚度和透過(guò)率不同，用國(guó)產(chǎn)襯底替代進(jìn)口襯底后，超晶格材料的生長(zhǎng)參數(shù)發(fā)生了變化。以前期優(yōu)化的超晶格生長(zhǎng)條件在新襯底上生長(zhǎng)的超晶格材料的表面缺陷大幅增加，如圖5（a）所示。缺陷形狀為底部近似橢圓的金字塔形，橢圓長(zhǎng)軸尺寸約為6 μm，短軸約為3 μm。經(jīng)200倍光學(xué)顯微鏡觀察可知，缺陷密度為2000 cm-2。通過(guò)對(duì)不同襯底的參數(shù)進(jìn)行表征并對(duì)缺陷形狀和缺陷分布進(jìn)行分析，調(diào)整長(zhǎng)波超晶格材料的生長(zhǎng)條件（生長(zhǎng)溫度等），使材料表面質(zhì)量得到明顯提升。結(jié)果表明，材料表面缺陷密度降到800 cm-2以下時(shí)，可以滿足紅外焦平面陣列的制作要求（見(jiàn)圖5（b））。超晶格材料表面質(zhì)量的提升，將會(huì)減小長(zhǎng)波器件的暗電流，從而提高探測(cè)器性能。

圖5 長(zhǎng)波超晶格材料表面圖像：（a）換襯底后外延表面缺陷多；（b）工藝調(diào)整后缺陷減少

3.2超晶格周期結(jié)構(gòu)控制

傳統(tǒng)碲鎘汞（Mercury Cadmium Telluride，MCT）等體材料的帶隙由組分決定，而超晶格材料則不同，其帶隙由超晶格周期結(jié)構(gòu)中InAs層、GaSb層以及類InSb界面層的厚度決定。盡管在材料生長(zhǎng)之前已經(jīng)設(shè)計(jì)了確定的周期結(jié)構(gòu)，但在MBE生長(zhǎng)超晶格材料的過(guò)程中，以下因素通常會(huì)導(dǎo)致實(shí)際周期結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)方案之間存在偏差，比如高溫生長(zhǎng)中原子互擴(kuò)散、原子活性不同而產(chǎn)生原子替換、富V族原子生長(zhǎng)導(dǎo)致原子混入。

為了表征超晶格材料的實(shí)際周期結(jié)構(gòu)，采用高分辨Ｘ射線衍射儀（HighResolution X-Ray Diffraction，HRXRD）對(duì)其進(jìn)行測(cè)試和模擬。以長(zhǎng)波超晶格材料吸收層為例，首先測(cè)試實(shí)際衍射曲線，然后根據(jù)衍射峰位置模擬出實(shí)際結(jié)構(gòu)參數(shù)，如圖6所示。經(jīng)模擬得到的InAs層、界面1、GaSb層和界面2的厚度分別為43?、3 ?、2192 ?和176 ?。通過(guò)對(duì)比設(shè)計(jì)值發(fā)現(xiàn)存在偏差，InAs層的厚度增加，GaSb層的厚度減小，界面層的厚度稍有增加。結(jié)合能帶理論分析可知，InAs層和界面層厚度的增加將會(huì)導(dǎo)致響應(yīng)截止波長(zhǎng)向長(zhǎng)波方向偏移。同理，電子勢(shì)壘層和空穴勢(shì)壘層的結(jié)構(gòu)偏差將會(huì)使該層能帶結(jié)構(gòu)改變，導(dǎo)致暗電流抑制作用減弱或者載流子輸運(yùn)受到阻礙，從而降低探測(cè)器性能。

結(jié)合上述原因，優(yōu)化擋板開(kāi)關(guān)順序和時(shí)間，精確控制超晶格材料的實(shí)際生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)。并且通過(guò)生長(zhǎng)和測(cè)試的反復(fù)迭代，獲得與設(shè)計(jì)周期結(jié)構(gòu)一致的超晶格材料，以達(dá)到能帶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)目的，進(jìn)而獲得具有良好性能的長(zhǎng)波超晶格材料。

3.3長(zhǎng)波超晶格芯片的表面鈍化

超晶格材料表面極易被氧化，從而形成Ga2O3等多種氧化物導(dǎo)電層。另外，在芯片陣列制備中，臺(tái)面刻蝕過(guò)程會(huì)導(dǎo)致晶體周期結(jié)構(gòu)遭到破壞，產(chǎn)生懸掛鍵，引起表面漏電流。以上兩種過(guò)程會(huì)嚴(yán)重降低Sb基超晶格探測(cè)器的性能，因此必須對(duì)該探測(cè)器進(jìn)行表面鈍化。

圖6 長(zhǎng)波超晶格吸收層的XRD測(cè)試與擬合曲線

與中波超晶格探測(cè)器相比，長(zhǎng)波器件的帶隙小，受暗電流的影響更大，使其表面鈍化更加困難。因此，我們結(jié)合Sb基超晶格的特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)了硫化物鈍化工藝。有效去除刻蝕后的本征氧化層，然后通過(guò)沉積SiO2/SiON復(fù)合膜層進(jìn)行表面鈍化加固，從而增強(qiáng)鈍化層的穩(wěn)定性。結(jié)果表明，該方法具有良好的鈍化效果。

3.4長(zhǎng)波超晶格焦平面陣列測(cè)試

我們利用上述工藝制備了長(zhǎng)波超晶格材料和320 × 256長(zhǎng)波超晶格焦平面混成陣列（見(jiàn)圖7），并對(duì)其性能進(jìn)行了測(cè)試。圖8所示為光學(xué)F數(shù)為2、工作溫度為77 K時(shí)的光譜響應(yīng)曲線。該探測(cè)器的截止波長(zhǎng)為9.6 μm，平均峰值探測(cè)率D＊為7 × 1010 cm?Hz1/2/W，NETD為34 mK，響應(yīng)非均勻性為7%?？梢钥闯?，這種焦平面陣列具有良好性能。

圖7 長(zhǎng)波混成芯片

圖8 長(zhǎng)波超晶格器件的響應(yīng)光譜

4結(jié)論

基于Ⅱ類超晶格在長(zhǎng)波探測(cè)方面的優(yōu)勢(shì)，介紹了我們?cè)陂L(zhǎng)波超晶格探測(cè)器制備方面的研究進(jìn)展。通過(guò)設(shè)計(jì)雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)抑制了器件暗電流；優(yōu)化生長(zhǎng)溫度等條件后減少了表面缺陷，并通過(guò)用軟件擬合超晶格周期結(jié)構(gòu)來(lái)提高結(jié)構(gòu)控制精度；利用復(fù)合鈍化層減小了漏電流。采用以上措施制備了320 × 256長(zhǎng)波紅外焦平面陣列。測(cè)試結(jié)果表明，77 K溫度下的平均峰值探測(cè)率D＊為7 × 1010 cm?Hz1/2/W，NETD為34 mK，響應(yīng)非均勻性為7%。下一階段將通過(guò)優(yōu)化長(zhǎng)波超晶格能帶結(jié)構(gòu)和長(zhǎng)波鈍化工藝來(lái)進(jìn)一步提高長(zhǎng)波超晶格探測(cè)器的性能。本文研究對(duì)長(zhǎng)波超晶格探測(cè)器研制及其工程化應(yīng)用具有參考意義。宏觀缺陷密度小于等于100 cm-2、表面平整度小于等于15 μm、表面粗糙度小于等于1.0 nm、位錯(cuò)密度低于5 ×106 cm-2的4in硅基碲鎘汞材料。該研究為后續(xù)的大面陣碲鎘汞探測(cè)器研制奠定了堅(jiān)實(shí)的材料基礎(chǔ)。

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