Ⅱ類超晶格紅外探測器多層膜背增透研究

由于Ⅱ類超晶格能帶中的電子空穴波函數(shù)交疊減少，使Ⅱ類超晶格的吸收系數(shù)較小，量子效率偏低，限制了Ⅱ類超晶格紅外探測性能。

提升紅外焦平面陣列探測器的方法主要包括提升芯片內(nèi)部的光吸收與外部的光注入兩種，其中在芯片表面生長或沉積增透減反膜（AR coating）是一種提高光子注入的有效手段，通過薄膜干涉原理，使通過增透介質(zhì)界面的反射光相互干涉而抵消，從而達(dá)到減少反射損失、實現(xiàn)增強(qiáng)透過的目的。目前單層膜的背增透技術(shù)已成熟應(yīng)用在國內(nèi)外所報道的紅外焦平面陣列探測器中。然而，隨著日益增長的對探測器性能優(yōu)化的需求，單層膜的材料單一，提升能力有限，亟需開發(fā)更加靈活有效的芯片背增透技術(shù)。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，華北光電技術(shù)研究所的科研團(tuán)隊在《激光與紅外》期刊上發(fā)表了以“Ⅱ類超晶格紅外探測器多層膜背增透研究”為主題的文章。該文章第一作者為游聰婭。

本文通過FDTD Solutions建立Ⅱ類超晶格紅外焦平面陣列器件仿真模型，通過改變多層膜中的膜系厚度得到透射和反射光譜，經(jīng)由仿真結(jié)果選擇合適的膜系及厚度，最終實現(xiàn)探測器的性能提升與響應(yīng)波長的調(diào)控。

Ⅱ類超晶格多層增透膜設(shè)計

多層增透膜光學(xué)仿真結(jié)構(gòu)

光學(xué)薄膜通過干涉作用改變了光的傳輸特性，從而實現(xiàn)對光的調(diào)控，包括增透、減反、分束等功能。本文為選擇出最佳的增透減反膜材料和對應(yīng)厚度，通過FDTD仿真來計算具有增透膜的Ⅱ類超晶格結(jié)構(gòu)的透射、反射光譜。所構(gòu)建的Ⅱ類超晶格紅外焦平面探測器的光學(xué)仿真結(jié)構(gòu)如圖１所示。該結(jié)構(gòu)中，InAs/GaSb Ⅱ類超晶格吸收層的厚度設(shè)為8 μm，背減薄后預(yù)留GaSb襯底厚度設(shè)計為30 μm，芯片為背照式結(jié)構(gòu)。

圖1 Ⅱ類超晶格紅外焦平面探測器背增透結(jié)構(gòu)示意圖

增透膜層材料的選擇

本文的研究目的是提升Ⅱ類超晶格長波紅外探測器的量子效率。在長波紅外波段，可選擇的薄膜材料主要包括硫硒化物、氟化物、半導(dǎo)體材料和部分的氧化物等。為盡量地減少光損失，選擇的增透膜材料在長波波段需要具有較小的紅外吸收系數(shù)，此外，折射率、化學(xué)穩(wěn)定性、復(fù)合膜層結(jié)合牢固度等也是膜層材料選擇時需要考慮的因素。

ZnS具有良好的紅外透過性能，其透過范圍覆蓋3～5 μｍ、8～12 μｍ的中波、長波大氣窗口，折射率約為2.2，被廣泛地應(yīng)用在紅外探測器的背增結(jié)構(gòu)中。Ge是一種具有高折射率的半導(dǎo)體材料，其折射率約4.0，紅外透過范圍可遠(yuǎn)至23 μｍ。本文的背增透Ⅱ類超晶格結(jié)構(gòu)中，基底材料主要包括GaSb襯底層和InAs/GaSb吸收層，其折射率分別約為3.8和3.5。通過高低折射率材料的結(jié)合，可實現(xiàn)更高透過率和更寬光譜范圍的調(diào)節(jié)?？紤]到基底的折射率，本文選擇ZnS/Ge/ZnS多層膜結(jié)構(gòu)構(gòu)建具有高低折射率特性的長波紅外增透膜系。

單層增透膜與多層增透膜對比

由單層薄膜干涉原理可知，隨著膜厚度的增大，單層介質(zhì)增透膜的中心透過波長將向更大波長的方向移動。隨著增透目標(biāo)紅外波段的延長，單層介質(zhì)增透膜的增透效果已難以滿足實際需要，過高的厚度也會對薄膜機(jī)械牢固度和探測器芯片應(yīng)力帶來不利影響。通過FDTD仿真計算，獲得背增透膜總厚度均約為1.8 μｍ時的Ⅱ類超晶格探測器長波透過光譜，其中多層增透膜結(jié)構(gòu)為ZnS/Ge/ZnS，厚度為0.4/1.2/0.2 μｍ，單層增透膜為ZnS，結(jié)果如圖2所示。由于GaSb在長波紅外具有較大的吸收，使30 μｍ GaSb透過率小于60%，限制了探測器的量子效率。在8～11 μｍ范圍內(nèi)，單層膜和多層膜均可有效提高薄膜透過率，但ZnS/Ge/ZnS三層復(fù)合增透膜具有更良好的增透效果，而ZnS單層膜則表現(xiàn)出緩慢的、寬譜范圍的透過提升。與傳統(tǒng)寬譜紅外增透膜不同，本文中所考慮的紅外增透膜應(yīng)在較窄光譜范圍內(nèi)對入射光透過率有更加明顯的提升。圍繞這一需求，由圖２仿真結(jié)果可以看出，在相同的膜層厚度下，GaSb基的多層高低折射率增透膜結(jié)構(gòu)比單層增透膜更能實現(xiàn)研究目的。

圖2 Ⅱ類超晶格探測器透過光譜仿真

增透膜層厚度的優(yōu)化

與鍍制紅外窗口增透膜不同，紅外焦平面探測器中的Ⅱ類超晶格對應(yīng)力十分敏感，多周期和復(fù)雜的增透膜結(jié)構(gòu)極有可能導(dǎo)致其應(yīng)力失衡，使表面出現(xiàn)裂紋，從而在探測成像中造成大量的盲元。由于薄膜干涉效應(yīng)，增透膜系中膜層材料的折射率、膜層的厚度是增透膜透過和反射特性的決定性因素。因此本文通過優(yōu)化單周期的ZnS/Ge/ZnS增透膜層厚度以提升目標(biāo)波段內(nèi)的響應(yīng)性能及調(diào)控光譜探測范圍。

在高低折射率的多層復(fù)合膜結(jié)構(gòu)中，高折射率材料往往對薄膜最終的增透特性有更大的影響。為此，通過調(diào)節(jié)多層增透膜中Ge的厚度，可實現(xiàn)增透膜透過特性的靈活調(diào)節(jié)。圖３為改變中間層高折射率的Ge厚度時，通過FDTD仿真計算得到的包含增透膜的GaSb基底Ⅱ類超晶格薄膜的反射光譜。由圖３結(jié)果可知，Ge膜層的加入使探測器反射光譜產(chǎn)生了較大的振蕩，隨著Ge厚度的增加，薄膜在8～12 μｍ的反射率最小值逐漸向更長波方向移動，并且由于Ge的折射率高于Ⅱ類超晶格材料，Ge厚度過大，還會增大光的反射，導(dǎo)致探測器響應(yīng)下降。因此針對所采用的Ⅱ類超晶格紅外探測器的目標(biāo)光譜響應(yīng)波長，優(yōu)化選擇Ge膜層的厚度為1.4 μｍ。最終選取外層ZnS和內(nèi)層ZnS的厚度分別為0.1 μｍ和0.4 μｍ，仿真計算得10 μｍ處的反射率約為12.93%。

圖3 不同波長下改變Ge厚度的薄膜反射率

Ⅱ類超晶格多層增透膜制備

與讀出電路互連的焦平面陣列探測器芯片經(jīng)背減薄后留下約30 μｍ的GaSb襯底。將芯片經(jīng)清洗處理后，將讀出電路焊盤用膠保護(hù)，采用熱蒸發(fā)真空鍍膜工藝在整個GaSb襯底背面逐層沉積多層增透膜，并通過腔體加熱提高膜層的牢固度和可靠性。多層增透膜為ZnS/Ge/ZnS結(jié)構(gòu)，厚度分別為0.4 μｍ、1.4 μｍ和0.1 μｍ。圖４為所制備的多層增透膜在中心及邊緣位置的厚度，預(yù)計薄膜總厚度為1.9 μｍ，實際測得薄膜中心區(qū)域厚度為1.853 μｍ，邊緣區(qū)域厚度為1.844 μｍ，所沉積薄膜具有良好的均勻性。

圖４ 沉積的多層增透膜中心及邊緣厚度

Ⅱ類超晶格多層增透膜光譜測試

透過光譜測試

制備完成多層增透膜后，采用傅里葉紅外光譜儀分別對沉積多層增透膜前后的GaSb襯底陪片進(jìn)行透過光譜的測試，結(jié)果如圖5所示，在多層增透膜作用下，在中波出現(xiàn)了兩個較大的諧振峰，受限于厚度較大的GaSb襯底對長波紅外的吸收，透射光譜在長波紅外同樣實現(xiàn)了透過率的提升。為更清楚地顯示多層增透膜的增透特性，將增透后與增透前的透射率相除，得到的比值與入射光波長的關(guān)系如圖6所示。

圖5 GaSb襯底沉積增透膜前后的透射光譜

在3.37 μｍ、4.86 μｍ和8.86 μｍ處，產(chǎn)生了透射率增益最大值。其中8.86 μｍ時，GaSb襯底薄膜透射率提升了27%，達(dá)到了長波增透效果。薄膜制備工藝過程和仿真過程中邊界條件與實際情況的差異等造成了仿真計算結(jié)果與實際透過光譜結(jié)構(gòu)之間的偏差。

圖6 GaSb襯底沉積增透膜前后的透射率比值

響應(yīng)光譜測試

最終對制備多層增透膜的Ⅱ類超晶格焦平面陣列探測器進(jìn)行光譜測試。以驗證多層膜系的增透效果。采用的Ⅱ類超晶格焦平面陣列像元規(guī)格為640 × 512，像元間距為20 μｍ。從圖７中可以看出，背增透前，探測器的響應(yīng)峰值波長在7.5 μｍ處，50%截止波長為9.4 μｍ。背增透后，由于多層增透膜在8.86 μｍ處存在透射峰，使背增后探測器的響應(yīng)峰值波長延長至8.655 μｍ，而器件的50%截止波長，則延長至了10.377 μｍ，與背增前相比延長了將近1 μｍ。將不同波長下背增前后的響應(yīng)率進(jìn)行對比，可得在背增膜透射峰8.86 μｍ處，探測器響應(yīng)率提高了55%，如圖8所示。

圖7 背增透前后的Ⅱ類超晶格紅外探測器相對響應(yīng)光譜

圖8 背增透前后的Ⅱ類超晶格紅外

因此，通過多層背增膜的制備，同時實現(xiàn)了超晶格焦平面探測器響應(yīng)性能的提升與響應(yīng)光譜的調(diào)控，在提高響應(yīng)率的同時也延長了探測器的后截止波長，為探測器性能的進(jìn)一步優(yōu)化和探測器光譜的靈活調(diào)控提供了一種有效的方法。

為研究多層背增膜對器件響應(yīng)性能的影響，將背增前后的焦平面探測器封裝在中測杜瓦中進(jìn)行測試，獲得該器件的具體性能參數(shù)如表１所示。由測試結(jié)果可以看出，對于該探測器而言，經(jīng)背增后探測器響應(yīng)信號提升了38.6%，說明多層背增透膜提升了器件的量子效率，很好地改善了Ⅱ類超晶格焦平面探測器在長波紅外的響應(yīng)性能。

表1 背增前后超晶格焦平面探測器性能參數(shù)

結(jié)論

本文通過仿真計算與實驗分析相結(jié)合，設(shè)計了基于Ⅱ類超晶格焦平面陣列探測器的多層背增透膜，確定了高低折射率膜層材料的選擇，并通過仿真計算對膜層厚度進(jìn)行了優(yōu)化。采用熱蒸發(fā)真空鍍膜技術(shù)實現(xiàn)所設(shè)計的多層增透膜的制備，獲得了具有良好均勻性的薄膜。通過透過光譜測試分析了GaSb襯底增透膜的透射峰，最終在超晶格焦平面探測器上進(jìn)行了應(yīng)用。通過響應(yīng)光譜和性能測試，證明了所設(shè)計的多層背增透膜可實現(xiàn)超晶格焦平面探測器響應(yīng)性能的提升與響應(yīng)光譜的調(diào)控。

審核編輯 ：李倩