綜述：硅基BIB紅外探測器研究進展

阻擋雜質帶（BIB）探測器亦稱雜質帶電導（IBC）型探測器，可探測波長覆蓋5～300μm，被用于各種大型天基和地基探測平臺，大大提高了人類探測未知宇宙的能力，促進了紅外天文和相關科學探索的實施。硅基BIB紅外探測器具有量子效率高、積分時間長、讀出噪聲低、暗電流低以及抗輻射能力強等優(yōu)點，相對于HgCdTe（MCT）探測器，BIB探測器具有更優(yōu)異的像素可操作性、響應均勻性和穩(wěn)定性。圖1對硅基BIB紅外探測器和其他類型紅外探測器的探測波長范圍和工作溫度進行了比較，結果表明硅基BIB探測器在特定條件的航天工程中具有不可替代的地位。

圖1 硅基BIB紅外探測器與其他類型紅外探測器的探測波長范圍及工作溫度比較

國外對硅基BIB紅外探測器的研究已有40多年，以美國航空航天局（NASA）為主的科研機構已經實現了硅基BIB紅外探測器在天文領域的諸多應用，而國內對硅基BIB紅外探測器的研究尚處于起步階段。

據麥姆斯咨詢報道，近期，昆明物理研究所、云南大學和云南省先進光電材料與器件重點實驗室的聯合科研團隊在《紅外技術》期刊上發(fā)表了以“硅基BIB紅外探測器研究進展”為主題的綜述文章。該文章通訊作者為唐利斌正高級工程師，主要從事光電材料與器件的研究工作。

該文章首先闡述了硅基BIB紅外探測器的工作原理，然后簡單概述了器件結構和制備工藝，并對不同類型的硅基BIB探測器的性能進行了對比分析，之后介紹了其在天文探測中的應用，最后對硅基BIB紅外探測器未來的發(fā)展進行了展望。

硅基BIB紅外探測器的工作原理

BIB探測器巧妙地利用重摻雜半導體材料中雜質帶內的跳躍導電機制，在兩平行電極之間夾了一層高摻雜吸收層和一層本征的或者低摻雜的阻擋層。所以，BIB探測器不僅能像傳統(tǒng)的ESPC探測器一樣實現帶隙中雜質能級的光激發(fā)，而且能夠收集兩種載流子，即連續(xù)介質中的載流子和“跳躍”雜質帶中的載流子，這一特性極大地降低了探測器的復合噪聲，使得BIB探測器更適合應用于航天場景，較理想地解決了傳統(tǒng)的ESPC探測器的問題。由于阻擋層的存在，BIB探測器的工作原理不遵循傳統(tǒng)的光導體模型，它們的行為更接近反偏光電二極管，不同點是BIB探測器的電子的光激發(fā)發(fā)生在施主雜質和導電帶之間。

硅基BIB紅外探測器的工作原理如圖2（b）所示，當有紅外光照射時，紅外光通過透明襯底進行背照射，在重摻雜的Si:As紅外吸收層中，紅外光子將中性的As原子中的電子激發(fā)到導帶，導帶電子在耗盡層電場作用下漂移出吸收層，并穿過阻擋層由透明電極收集，而D+電荷借助跳躍導電機構向相反方向移動，最終被硅襯底上的電子中和。由于紅外吸收層被D+電荷所耗盡，導帶下方沒有電子陷阱，因此電子收集效率非常高。同樣，由于在這種條件下的導電帶電子濃度幾乎為零，D+電荷的收集效率也相當高。

圖2 硅基BIB紅外探測器的結構和工作原理：（a）非本征硅光電導探測器的工作原理示意圖；（b）硅基BIB紅外探測器的工作原理圖；（c）Si:AsBIB紅外探測器結構示意圖；（d）Si:Sb BIB紅外探測器的器件結構圖；（e）背照射式Si:Sb BIB探測器的結構示意圖，其中Nd為中性施主的密度，Nd+為電離施主的濃度，Na-為電離受主的濃度；（f）Si:Sb BIB探測器的紅外吸收層在正的反偏電壓下的平衡電荷分布圖

硅基BIB紅外探測器的結構及制備工藝

硅基BIB探測器在重摻雜的紅外吸收層和平面接觸層之間設置了一層未摻雜的本征硅，稱之為阻擋層。在適當的操作條件下，該層可以有效抑制暗電流而不會由于紅外吸收層中的中性雜質的光電離而阻礙電流的流動。雷神公司生產的Si:As IBC探測器，如圖2（c）所示，底部是對紅外光透明的硅襯底，并埋設透明電極。Si:Sb BIB探測器的結構與Si:As BIB探測器類似，如圖2（d）所示，該探測器也是在對紅外光透明的硅襯底上進行生長的，采用離子注入并經過退火處理制備的Sb層作為埋藏電極，其紅外吸收層是一層重摻雜的、外延沉積的Si:Sb層，最后，生長了一層未摻雜的硅層，作為阻擋層。20世紀90年代初，Rockwell公司開發(fā)了世界上首個背照射式Si:Sb BIB探測器陣列，其器件結構的如圖2（e）所示，他們通過化學氣相沉積（CVD）法獲得了具有高純度和高晶體質量的Si:Sb外延層，該探測器的紅外吸收層中正偏壓下的電荷的平衡分布如圖2（f）所示，表明該區(qū)域已被電離施主（D+）所耗盡。

表1列舉了硅基BIB探測器的部分制備工藝參數，吸收層的重摻雜可通過多種方法實現，譬如可以采用在外延生長過程中引入摻雜，也可以采用離子注入、中子嬗變等方法進行摻雜。在外延之前先制備透紅外光的高電導電極層，這一電極層在焦平面陣列器件中作為所有像元的公共底電極。在吸收層上面采用外延方法沉積一層未摻雜的高純硅阻擋層，除了其導帶電子和價帶空穴外，該層不能產生其他顯著的電荷傳輸。在阻擋層表面采用離子注入制備一層高電導薄層，通過SiO2鈍化和開孔金屬化做成探測器的頂電極。通過刻蝕提供與公共埋入式透明電極的電接觸，并在每個探測器元件上形成銦柱，與多路復用器的輸入單元形成電接觸。

硅基BIB紅外探測器的性能

BIB探測器的量子效率、暗電流及光電導增益等性能參數主要受測試環(huán)境和器件結構兩個因素的影響。其中，測試環(huán)境的影響主要為偏壓的大小、溫度的高低和先前輻照史等。器件結構的影響則主要體現在耗盡層的寬度上，而耗盡層寬度又是由補償受主濃度來決定的。

Si:As BIB探測器在中長波紅外（MLWIR）光譜區(qū)域（3～28μm）顯示出高靈敏度、高量子效率、寬頻率響應、低光學串擾、耐核輻射以及穩(wěn)定和可預測的性能。由于Sb在硅中的摻雜深度比As更淺，Si:SbBIB探測器對更長的波長、更弱的光子要更敏感，其暗電流和光學性能可與高性能低通量Si:As BIB探測器相媲美，同時保持Si:Sb探測器特有的長波長響應（15～40μm）。Si:P是Si:As BIB探測器擴展探測波段的一種可行的替代材料，由于磷原子在硅基體中的雜質能級比砷原子略淺，所以Si:P BIB的截止波長約為35μm，超過了Si:As的28μm，將Si:P探測器的波長擴展到75μm以上可能相對更容易。相較于Si:As BIB探測器來說，Si:Ga BIB探測器探測波長范圍較?。▋H為5～17μm）且量子效率較低。

硅基BIB紅外探測器的國內外研究現狀不足

BIB探測器通過巧妙利用與雜質帶相關的跳躍電導的缺失效應，有效突破了非本征硅探測器的一些限制。BIB探測器具有更小的光電串擾和更高響應均勻性，更小的橫截面積以降低空間輻射效應，在高偏差時沒有非線性和異常瞬態(tài)響應。此外，由于阻擋層的存在，阻斷了雜質帶內暗電流的傳導，BIB探測器實現了在允許高摻雜濃度的同時，保持較低的暗電流。隨著BIB探測器的發(fā)展，非本征光電導的方式被迅速取代。

圖3 天文用硅基BIB紅外探測器的發(fā)展歷程

當前，天文用硅基BIB紅外探測器的發(fā)展還存在以下挑戰(zhàn)：

①國外硅基BIB紅外探測器的最大焦平面陣列仍局限在1k×1k。發(fā)展更大規(guī)格的硅基BIB焦平面需要良好的材料均勻性和大面積橫向均勻性，而且對工藝的要求更高； ②用于天文探測的硅基BIB紅外探測器的工作溫度極低，當制冷劑液氦耗盡時，探測器性能會急劇降低，導致探測器的有效工作時間也縮短； ③雖然已有研究表明退火處理可以在一定程度降低輻射對BIB探測器暗電流的影響，但是熱處理一方面會使得雜質熱電離，導致載流子濃度降低，影響探測器的性能。另一方面，頻繁的熱退火也會降低器件的壽命；

④硅基BIB紅外探測器的截止波長在40μm以內，而大于40μm波段是遠紅外探測的重要窗口，拓寬硅基BIB探測器的光譜響應范圍，對于紅外天文探測具有重大意義。盡管Ge基和GaAs基BIB探測器能探測的波長比Si基BIB探測器更長，但是其器件生產成本更高、器件制作難度也更大。目前采取的擴展響應波長的方法主要為增加吸收層的摻雜濃度，然而，過高的摻雜也會導致雜質帶與導帶簡并，造成器件的擊穿，所以拓展其光譜響應范圍難度較大，仍需進一步探索。

圖4 國外硅基BIB紅外探測器的研究進展：（a）空間紅外望遠鏡設備（SIRTF）上的128×128長波長紅外焦平面組件；（b）DRS公司的HF1024焦平面陣列，封裝在84針無鉛芯片載體上；（c）百萬像素中紅外陣列裸多路復用器；（d）無摻雜單晶襯底晶圓；（e）Si:AsBIB焦平面陣列的封裝；（f）256×256 Si:AsIBC陣列及其航天封裝；（g）1024×1024 Si:AsIBC陣列的紅外傳感器芯片；（h）1024×1024Si:As IBC陣列的讀出電路；（i）由雙側可粘扣的HF1024Si:As和Si:Sb焦平面陣列組成的2048×2048焦平面陣列，像元間距為18μm

我國硅基BIB紅外探測器的發(fā)展還存在如下困難：

①對BIB器件的物理模型及關鍵機理的認識有所欠缺：雖然國外對BIB探測器相關成果有所報道，然而大多以綜述為主，關于器件物理模型和實際工藝路線的公開報道極為罕見。在深低溫條件下的BIB器件物理模型尚未得到全面的了解，需要開展更多的工作來驗證BIB器件的低溫能帶和輸運特性。 ②探索最佳的BIB器件制作工藝也遇到了困難：離子注入具有工藝路線簡單、注入劑量精確可控等優(yōu)點，然而由于受限于離子注入能量，注入深度太淺，制備的橫向結構注入型阻擋雜質帶紅外探測器件性能表現一般。此外，高能量大劑量的離子注入會損傷晶格襯底，引入大量的缺陷，盡管后期可通過快速退火工藝修復損傷晶格，但不易做到完全恢復。硅外延生長技術制備阻擋雜質帶結構薄膜具有生長材料質量量好，在外延生長的同時保持對摻雜雜質種類、摻雜濃度及外延層厚度的靈活控制，可顯著提升吸收層體積等優(yōu)點，從而可以大幅提高器件性能。然而，外延法需要生長兩層硅外延薄膜，重摻雜的吸收層和高純本征層，其工藝相對復雜，且由于在生長過程中吸收層的摻雜雜質容易外擴散至本征阻擋層，使得外延法生長的阻擋層純度不夠高，電阻率偏低。

③限制我國BIB探測器發(fā)展的關鍵技術主要有：半導體材料外延技術、深低溫致冷技術、低溫焦平面讀出電路技術和低溫制冷技術、高靈敏度紅外探測器技術、低溫冷光學技術等未獲得突破，現有儀器和關鍵元部件的性能指標達不到天文探測的要求。

圖5 國內硅基BIB紅外探測器的研究進展：（a）平面型Si:P BIB探測器結構示意圖；（b）垂直型Si:P BIB探測器模型；（c）Si:P BIB探測器在2V偏壓和不同溫度下的響應光譜；（d）等離子體調諧太赫茲探測器橫截面示意圖；（e）不同周期性孔結構（PHSs）的Si:P BIB探測器的歸一化光電流譜；（f）Si:Ga BIB探測器在不同功能區(qū)上的層狀材料結構示意圖；（g）Si:Ga BIB探測器不同溫度下的響應譜；（h）金屬光柵/硅基BIB太赫茲探測器的工作原理圖；（i）有金屬光柵的器件（參數：p=7μm，d=5μm，DR=2/7）與無金屬光柵的器件的實驗光譜響應對比

硅基BIB紅外探測器在天文探測中的應用

硅基BIB探測器自開發(fā)以來一直被選用于太空科學任務的紅外波段探測，其中Si:As和Si:Sb BIB焦平面陣列的峰值量子效率分別超過50%和30%，已被成功應用于在諸多儀器上進行天基和地基的天文觀測。

圖6 硅基BIB紅外探測器的天文應用：（a）斯皮策太空望遠鏡；（b）斯皮策太空望遠鏡觀測到的“紅蝴蝶”星系；（c）WISE捕捉的最古老的超新星RCW86的圖像；（d）水瓶座/SAC-D航天探測器；（e）平流層天文臺；（f）平流層天文臺捕捉的恒星合并的快照；（g）詹姆斯·韋伯空間望遠鏡（JWST）；（h）JWST的近紅外照相機捕捉的第一張全彩圖像；（i）COBE在太空中運行的示意圖

總結與展望

在各種紅外探測器中，BIB探測器由于其低暗電流、高量子效率和優(yōu)異的耐輻射性，已經成為中遠紅外天文觀測的最優(yōu)選擇。而硅基BIB探測器的獨特優(yōu)勢在于低成本的材料、成熟的半導體制造工藝、與CMOS工藝的兼容性及其在遠紅外波段的探測能力。硅基BIB紅外探測器未來是向著更大的焦平面陣列、更小的像元尺寸、更強的抗輻射能力和更高探測效率去發(fā)展的。近些年來隨著我國航空航天事業(yè)的迅速發(fā)展，對于高性能光子探測器的需求也越來越迫切。由于BIB探測器應用的領域比較特殊，為打破發(fā)達國家長期以來對我國長波紅外探測器關鍵核心技術的封鎖，滿足天文物理、生命科學、航空航天和國防等領域對長波紅外探測器的迫切需求，必須加大對深低溫制冷技術和硅外延生長技術的突破力度，同時探索設備成本更低、工藝路線更簡單的制備技術，以降低硅基BIB探測器的研發(fā)門檻，這樣更有利于提高該領域的研究深度。此外，為了獲得高性能的硅基BIB探測器，目前主流的制備技術仍以外延生長法為主，但是外延生長存在自摻雜和外擴散現象，都會影響雜質在襯底和外延層之間的過渡。所以，為了實現高純度的阻擋層和高質量的吸收層，必須解決材料生長方面的挑戰(zhàn)，包括抑制界面相互擴散和控制少數摻雜污染等。

這項研究獲得國家重點研發(fā)計劃（2019YFB2203404）和云南省創(chuàng)新團隊項目（2018HC020）的支持。

審核編輯 ：李倩