華北光電技術(shù)研究所研制中/長波雙色二類超晶格紅外探測器

雙波段紅外探測器是第三代焦平面探測器發(fā)展的重要方向之一，二類超晶格材料由于其優(yōu)異的光電性能而成為制備雙色紅外探測器的優(yōu)選材料之一。相對于其他材料二類超晶格材料具有能帶結(jié)構(gòu)靈活可調(diào)、隧穿電流小、俄歇復(fù)合低、材料均勻性好、原位摻雜容易、量子效率較高等優(yōu)點(diǎn)，而成為近年來雙色紅外探測器的重要發(fā)展方向，并取得迅速發(fā)展。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，華北光電技術(shù)研究所劉銘等人在《激光與紅外》期刊上發(fā)表了以“中/長波雙色二類超晶格紅外探測器技術(shù)”為主題的文章。該文章介紹了華北光電技術(shù)研究所在中/長波雙色二類超晶格紅外探測器方面的研制情況，重點(diǎn)針對工程應(yīng)用，開展材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料外延、讀出電路設(shè)計(jì)、芯片加工、組件化等方面研究，制備出性能良好的640×512中/長波雙色二類超晶格制冷型組件，主要指標(biāo)：像元中心間距20μｍ，讀出方式同時(shí)讀出，中波波段3.5 ～ 4.8μｍ，長波波段7.5 ～ 9.5μｍ，噪聲等效溫差中波28.8ｍK、長波38.8ｍK，響應(yīng)率非均勻性中波4.52%、長波7.89%，盲元率中波1.2%、長波1.3%。最終完成成像演示，成像質(zhì)量良好，為雙色紅外探測器工程化應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與外延

二類超晶格材料主要通過調(diào)節(jié)InAs、GaSb、AlSb、InSb等層厚來實(shí)現(xiàn)能帶結(jié)構(gòu)裁剪，實(shí)現(xiàn)響應(yīng)波段、暗電流等其他光電性能調(diào)控，通過經(jīng)驗(yàn)緊束縛理論和8帶k.p微擾能帶理論等超晶格能帶計(jì)算模型進(jìn)行理論計(jì)算，得到相應(yīng)的材料參數(shù)。

圖1 器件結(jié)構(gòu)和參數(shù)

中/長波雙色二類超晶格材料結(jié)構(gòu)基于PπBN-NBπP的雙色探測器結(jié)構(gòu)，其具體結(jié)構(gòu)和參數(shù)圖1所示，該結(jié)構(gòu)為兩個(gè)PπBN器件背靠背，其吸收層分別對應(yīng)了中波（8ML InAs/8ML GaSb）和長波（13ML InAs/8ML GaSb）波段，中波器件在下，長波器件在上，兩個(gè)器件間采用1μｍ的n型InAs公共電極層，中波吸收層材料厚度3μｍ，長波吸收層材料厚度2.5μｍ，充分保證了器件的量子效率，較厚的中波吸收層、勢壘結(jié)構(gòu)的引入、以及合理的極性設(shè)計(jì)都能抑制兩個(gè)器件間的串音，保證了各自的最佳性能器件。

中/長波雙色材料生長是在芬蘭DCA公司的P600系統(tǒng)上進(jìn)行的。中/長波雙色超晶格材料在外購2in GaSb襯底上外延生長，襯底首先經(jīng)過進(jìn)樣室、緩沖室除氣，然后被推入生長室，在Sb束流保護(hù)下升溫到560℃左右去除表面氧化層，然后降溫至500℃生長0.5 ～ 1μｍ厚的GaSb緩沖層。生長完成后，降溫至400℃左右生長雙色二類超晶格材料，通過優(yōu)化外延溫度、Ｖ/Ⅲ束流比、生長速率、界面控制等關(guān)鍵參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對雙色超晶格材料的厚度、組分、應(yīng)變等精確控制。

器件制備

中/長波雙色二類超晶格器件制備中，由于外延層厚度較大，為實(shí)現(xiàn)像素單元的有效隔離，同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)高信噪比器件制備，需要制備臺面結(jié)型焦平面陣列，基于640×512 20μｍ中心距雙色組件小間距、大陣列、多電學(xué)引出等技術(shù)難點(diǎn)，本文采用設(shè)計(jì)單銦柱偏壓選擇型技術(shù)路線，示意圖如圖2所示。選用干濕法結(jié)合的工藝體系，通過干法刻蝕工藝形成高深寬比臺面結(jié)構(gòu)，通過濕法腐蝕工藝去除刻蝕損傷，提高表面質(zhì)量；通過硫化處理以及SiO2／SiNO復(fù)合鈍化膜進(jìn)行鈍化降低表面復(fù)合電流；具體技術(shù)路線如圖3所示。

圖2 單In柱器件結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 中/長波雙色超晶格焦平面紅外探測器制備流程

刻蝕后臺面的形貌圖如圖4（a）所示，可見經(jīng)過干法刻蝕后，臺面具有良好的形貌，側(cè)壁較為光滑，孔底沒有明顯的生成物。圖4（b）為臺面鈍化、開電極孔、長完電極后結(jié)構(gòu)剖面圖。

圖4 臺面形貌刻蝕效果圖及器件成型后剖面圖（SEM）

性能測試

中長波雙色混成芯片采用底部填充襯底減薄提升量子效率以及組件可靠性，封裝于全金屬結(jié)構(gòu)提供真空環(huán)境，通過與制冷機(jī)耦合制備出紅外探測器組件，采用傅里葉轉(zhuǎn)換紅外（FTIR）光譜儀進(jìn)行探測器芯片及組件的測試評價(jià)，得到器件在70Ｋ溫度下的歸一化光譜響應(yīng)曲線，如圖5所示中波截止波長為4.8μｍ，長波后截止波長為9.5μｍ。所制備中/長波雙色二類超晶格紅外探測器實(shí)現(xiàn)了像元中心間距20μｍ，讀出方式同時(shí)讀出，中波波段3.5 ～4.8μｍ，長波波段7.5 ～ 9.5μｍ，噪聲等效溫差中波28.8ｍK、長波38.8ｍK，響應(yīng)率非均勻性中波4.52%、長波7.89%，盲元率中波1.2%、長波1.3%。最終成像演示如圖6，成像質(zhì)量良好。

圖5 光譜圖

圖6 640×512中/長波雙色二類超晶格紅外探測器成像

結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了中/長波雙色二類超晶格器件結(jié)構(gòu)，采用分子束外延技術(shù)生長出結(jié)構(gòu)完整、表面平整、缺陷密度低的P-N-P結(jié)構(gòu)的雙色超晶格材料。通過改進(jìn)了深臺面刻蝕以及鈍化方法，制備出性能良好的單銦柱640×512中/長波雙色二類超晶格紅外探測器。雙色器件的性能達(dá)到：噪聲等效溫差（＠Ｆ/３）中波28.8mK、長波38.8mK，響應(yīng)率非均勻性中波4.52％、長波7.89％，盲元率中波1.2％、長波1.3％，讀出方式同時(shí)讀出。探測器組件完成成像演示以及初步環(huán)境試驗(yàn)室試驗(yàn)，為后續(xù)工程化應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

論文信息：

DOI:10.3969/j.issn.1001-5078.2022.12.015

審核編輯 ：李倩