銻化物中/中波雙色紅外探測(cè)器的技術(shù)路線(xiàn)及應(yīng)用發(fā)展

面對(duì)第三代紅外探測(cè)器對(duì)多波段探測(cè)的需求，中/中波雙色同時(shí)獲取兩個(gè)波段的目標(biāo)信息，對(duì)復(fù)雜的背景進(jìn)行抑制，可以有效排除干擾源的影響，提高了探測(cè)的準(zhǔn)確性，增強(qiáng)了在人工及復(fù)雜背景干擾下的目標(biāo)識(shí)別能力，因此中/中波雙色探測(cè)器設(shè)計(jì)和制備最近快速發(fā)展起來(lái)。

據(jù)麥姆斯咨詢(xún)報(bào)道，近期，一支由陸裝駐洛陽(yáng)地區(qū)航空軍代室、中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院的研究人員組成的團(tuán)隊(duì)在《紅外技術(shù)》期刊上發(fā)表了以“銻化物中/中波雙色紅外探測(cè)器研究進(jìn)展”為主題的綜述文章。本文闡述了銻化物中/中波雙色紅外探測(cè)器的主要技術(shù)路線(xiàn)和目前研究進(jìn)展，并展望了其未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。 目前正在研究或制備的雙色紅外探測(cè)器有銻化銦平面雙色探測(cè)器、碲鎘汞雙波段探測(cè)器、CdS/InSb光伏型紫外/紅外雙色探測(cè)器以及許多新型的雙色或多色探測(cè)器。其中，銻化銦（InSb）是一種Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體材料，具有閃鋅礦結(jié)構(gòu)，擁有最小帶隙、最小載流子有效質(zhì)量、最大電子飽和漂移速度和最大遷移率等，具有優(yōu)異的光電性能，銻化銦紅外探測(cè)器工作在中波波段，通過(guò)分光可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)中波波段的探測(cè)。另外，以InAs/GaSb為代表的銻化物II類(lèi)超晶格材料，具有周期性重復(fù)結(jié)構(gòu)，可進(jìn)行靈活的能帶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)禁帶寬度在2~30μm波段內(nèi)可調(diào)，并且可以進(jìn)行大尺寸、高均勻性的材料外延生長(zhǎng)，非常適用于多波段和甚長(zhǎng)波段，因此，銻化物超晶格材料在第三代紅外焦平面探測(cè)器材料的選擇中占據(jù)優(yōu)先位置，采用銻化物超晶格材料制備雙色紅外探測(cè)器的研究已經(jīng)成為各國(guó)研究的熱點(diǎn)。

主要技術(shù)路線(xiàn)

平面雙色探測(cè)器

采用平面結(jié)構(gòu)的雙色探測(cè)器，是吸收不同紅外波段的光敏元在同一平面上錯(cuò)開(kāi)排列或拼接而成。優(yōu)點(diǎn)是不同波段的器件可在同一工藝中制成，沒(méi)有增加工藝難度。

疊層雙色探測(cè)器

采用疊層結(jié)構(gòu)的雙色探測(cè)器，是將吸收一種紅外波段的光敏元布置在吸收另一種紅外波段的光敏元之上，波長(zhǎng)較短的紅外材料成為了波長(zhǎng)較長(zhǎng)材料的濾光片。

InAs/GaSb II類(lèi)超晶格紅外中/中波雙色焦平面陣列探測(cè)器一般采用N-P-N或P-N-P疊層雙色器件結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)一般都包括5個(gè)部分，分別為底部接觸層、“紅帶”吸收層，中間接觸層、“藍(lán)帶”吸收層、頂部接觸層。順序型結(jié)構(gòu)器件可通過(guò)調(diào)節(jié)器件工作電壓實(shí)現(xiàn)器件在兩個(gè)截止波段的切換，從而實(shí)現(xiàn)雙波段的順序成像探測(cè)，如圖1（a）。同時(shí)型結(jié)構(gòu)器件在中間接觸層上也增加電極，即三電極輸出，通過(guò)設(shè)置3個(gè)電極上的偏壓實(shí)現(xiàn)兩個(gè)二極管的同時(shí)工作，從而實(shí)現(xiàn)雙波段的同時(shí)成像探測(cè)，如圖1（b）。

圖1 N-P-N器件結(jié)構(gòu)圖：（a）順序型和（b）同時(shí)型 中/中雙色銻化物探測(cè)器的進(jìn)展

并列式結(jié)構(gòu)

2012年，以色列SCD公司采用兩個(gè)并列的480×384的InSb芯片制作探測(cè)器，用于機(jī)載導(dǎo)彈預(yù)警系統(tǒng)。它是依靠每個(gè)芯片上面的濾光片來(lái)進(jìn)行雙色分光，形成兩個(gè)光學(xué)通道，每個(gè)都有特定的芯片和讀出電路，集成在一個(gè)杜瓦中。并且通過(guò)抗反射膜層設(shè)計(jì)使頻帶之間的光譜串?dāng)_最小，通常低于0.1%，其成像效果如圖2。

圖2 并列式中/中波雙色紅外探測(cè)器成像：（a）“藍(lán)帶” 和（b）“紅帶”

平面式結(jié)構(gòu)

2003年美國(guó)CMC Electronics Cincinnati公司提出了一種平面式雙色I(xiàn)nSb焦平面探測(cè)器設(shè)計(jì)方案，即將濾光片制備到芯片表面實(shí)現(xiàn)雙色成像。2017年瑞典IRnova公司報(bào)道了采用該方案的InAs/GaSb超晶格中/中波雙色探測(cè)器，也是在焦平面陣列上增加濾光片。制備陣列器件時(shí)將陣列上沉積的像元濾光薄膜刻蝕成棋盤(pán)圖案，如圖3所示。

圖3 InAs/GaSb中波雙色紅外探測(cè)器濾光片方案

該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是探測(cè)器具有極高的光譜分辨率而無(wú)串?dāng)_，還可以實(shí)現(xiàn)高占空比和高靈敏度。采用該種結(jié)構(gòu)還可以設(shè)計(jì)更多種類(lèi)的濾光片實(shí)現(xiàn)三色及多色探測(cè)，即實(shí)現(xiàn)彩色成像，也可以設(shè)計(jì)窄帶通濾光片實(shí)現(xiàn)對(duì)某種氣體輻射信號(hào)的探測(cè)。該結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是每一個(gè)波段的占空比將減小，會(huì)損失相應(yīng)波段探測(cè)的空間分辨率。目前采用該結(jié)構(gòu)的中/中雙色焦平面探測(cè)器技術(shù)難度不大，工藝相對(duì)成熟，已經(jīng)處于應(yīng)用。

PIN 型疊層結(jié)構(gòu) 2006年德國(guó)Fraunhofer institution首先報(bào)道了中/中波雙色超晶格焦平面探測(cè)器，該器件包括兩個(gè)背靠背的InAs/GaSb超晶格光電二極管，器件在“藍(lán)帶”（3～4μm）的噪聲等效溫差（NETD）為29.5mK，在“紅帶”（4～5μm）為16.5mK。2011年該研究所對(duì)器件結(jié)構(gòu)和生長(zhǎng)工藝進(jìn)行了優(yōu)化，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。經(jīng)過(guò)優(yōu)化后，像元間距縮小到30μm，“紅帶”和“藍(lán)帶”的NETD性能分別提高到17.9mK和9.9mK。

圖4 雙色I(xiàn)nAs/GaSb超晶格器件結(jié)構(gòu)圖

2015年中科院上海技術(shù)物理研究所報(bào)道了InAs/GaSb II類(lèi)超晶格中/中雙色焦平面陣列探測(cè)器的初步結(jié)果。探測(cè)器采用P-N-P疊層雙色外延結(jié)構(gòu)，如圖5所示。中/中波段紅外吸收區(qū)的超晶格周期結(jié)構(gòu)分別為InAs（7ML）/GaSb（7ML）和InAs（10ML）/GaSb（10ML）。同年該研究所還報(bào)道了N-P-N結(jié)構(gòu)的640×512探測(cè)器的研究結(jié)果，通過(guò)紅外焦平面偏壓調(diào)節(jié)成像測(cè)試，該器件得到了清晰的雙波段熱成像。

圖5 雙色器件結(jié)構(gòu)及互連示意圖

該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)除了銻化物超晶格具有的量子效率高、電子有效質(zhì)量大、吸收率高外，還具有結(jié)構(gòu)緊湊，雙波段的像元對(duì)準(zhǔn)精確，提高了探測(cè)器整體性能，也簡(jiǎn)化了系統(tǒng)其它部件的設(shè)計(jì)。

niBin型疊層結(jié)構(gòu)

2017年中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所報(bào)道了niBin結(jié)構(gòu)的雙色超晶格探測(cè)器，器件的能帶圖如圖6所示，包括5個(gè)部分，分別為底部接觸層、“紅帶”吸收層，勢(shì)壘層、“藍(lán)帶”吸收層、頂部接觸層?！八{(lán)帶”由500個(gè)周期的InAs（4ML）/GaSb （7ML）超晶格構(gòu)成，“紅帶”由400個(gè)周期的InAs（7ML）/GaSb（7ML）超晶格構(gòu)成。

圖6 niBin結(jié)構(gòu)的雙色超晶格材料能帶圖

該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是通過(guò)插入勢(shì)壘層來(lái)降低器件的暗電流和提高器件的工作溫度，最終提高探測(cè)器的探測(cè)率。但增加了器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料外延生長(zhǎng)難度，目前還處于單元中/中波雙色器件試驗(yàn)驗(yàn)證階段。

銻化物中/中波雙色技術(shù)展望

從器件結(jié)構(gòu)上看，銻化物中/中波雙色紅外探測(cè)器結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了增加濾光片的方式到疊層結(jié)構(gòu)，疊層結(jié)構(gòu)的中中波的分離由光敏芯片完成，其焦平面陣列結(jié)構(gòu)緊湊，且可得到精確的像元配準(zhǔn)，提高了系統(tǒng)的性能，同時(shí)也大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)其他元件的設(shè)計(jì)，能夠滿(mǎn)足靈敏度高、響應(yīng)速度快、結(jié)構(gòu)緊湊的軍事應(yīng)用需求。從材料設(shè)計(jì)上看，主要采用InAs/GaSb II類(lèi)超晶格材料，從PIN結(jié)構(gòu)逐步向在超晶格中插入薄的AlSb或合金層作為新的調(diào)整手段。目前典型的二元InAs/GaSb對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)仍是最成熟的主流技術(shù)。近年來(lái)InAs/InAsSb超晶格逐漸受到重視，其波長(zhǎng)范圍逐漸從長(zhǎng)波擴(kuò)展到中波。優(yōu)點(diǎn)是高溫暗電流小，無(wú)II類(lèi)界面生長(zhǎng)控制問(wèn)題，缺點(diǎn)是吸收率不占優(yōu)勢(shì)，有Ⅴ族比例控制問(wèn)題，因此在雙色器件中還沒(méi)有表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢(shì)。從工藝加工上看，經(jīng)歷了濕法腐蝕臺(tái)面到干法刻蝕臺(tái)面，但對(duì)主要影響器件性能的鈍化方法都沒(méi)有介紹。但發(fā)展趨勢(shì)仍然是不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)和提升工藝水平來(lái)減小暗電流和提高器件性能，工藝穩(wěn)定性和一致性也需要進(jìn)一步驗(yàn)證。 綜上所述，目前中/中波雙色銻化物探測(cè)器需要在探測(cè)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、銻化物超晶格材料生長(zhǎng)、陣列器件制備等方面進(jìn)行進(jìn)一步研究。針對(duì)中/中波雙色探測(cè)需求，綜合匹配濾光片、超晶格材料特性、讀出電路等。進(jìn)行超晶格材料生長(zhǎng)，設(shè)計(jì)和驗(yàn)證不同層厚和勢(shì)壘結(jié)構(gòu)的器件。開(kāi)展銻化物超晶格雙色焦平面陣列制備，突破刻蝕技術(shù)、鈍化技術(shù)和互連技術(shù)等。

結(jié)語(yǔ)

本文概述了中/中波雙色銻化物紅外探測(cè)技術(shù)的主要技術(shù)路線(xiàn)和技術(shù)特點(diǎn)，并簡(jiǎn)要回顧了中/中波雙色銻化物紅外探測(cè)技術(shù)的發(fā)展歷史。從中可以看出，與傳統(tǒng)InSb雙色探測(cè)器相比，中/中波雙色超晶格紅外器件用于紅外成像探測(cè)具有鮮明的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。中/中波雙色超晶格紅外探測(cè)技術(shù)在國(guó)內(nèi)獲得越來(lái)越高的重視，不斷接近國(guó)際先進(jìn)水平。但是距實(shí)用階段還有相當(dāng)多的工作要做，目前需要進(jìn)一步突破中/中雙色焦平面芯片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及材料生長(zhǎng)、大規(guī)模小像元焦平面芯片制備、中波雙色時(shí)分讀出電路設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)，研制出更大陣列規(guī)模的中波雙色疊層式超晶格焦平面探測(cè)器，提高探測(cè)器性能，早日實(shí)現(xiàn)中/中波雙色大規(guī)模銻化物紅外焦平面探測(cè)器的工程化應(yīng)用。

審核編輯：郭婷