銻化物超晶格紅外探測器研究進展與發(fā)展趨勢綜述

銻化物超晶格紅外探測器具有均勻性好、暗電流低和量子效率較高等優(yōu)點，其探測波長靈活可調(diào)，可以覆蓋短波至甚長波整個紅外譜段，是實現(xiàn)高均勻大面陣、長波、甚長波及雙色紅外探測器的優(yōu)選技術，得到了國內(nèi)外相關研究機構(gòu)的關注和重視，近年來取得了突破性的進展。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，中國科學院上海技術物理研究所科研團隊介紹了InAs/GaSb超晶格紅外探測器的技術特點和發(fā)展歷程，并對后續(xù)發(fā)展趨勢作了初步的展望和探討。相關研究內(nèi)容以“銻化物超晶格紅外探測器研究進展與發(fā)展趨勢”為題發(fā)表在《紅外與激光工程》期刊上。

InAs/GaSb超晶格紅外探測器的技術原理和特點

超晶格是由兩種晶格匹配良好的半導體材料交替重復生長而形成的周期性結(jié)構(gòu)，每一層的厚度通常在納米尺度。根據(jù)組成材料相互間能帶排列特點，超晶格一般分為I類超晶格和II類超晶格。在III-V族化合物半導體中，InAs、GaSb、AlSb之間可組成不同類別的能帶排列，GaSb/AlSb組成I類能帶排列，InAs/GaSb、InAs/AlSb組成II類能帶排列。特別的，InAs導帶底能量比GaSb價帶頂能量低約150 meV，當InAs和GaSb結(jié)合時，兩者形成“破隙型”II類能帶排列，電子被限制在InAs層中，而空穴被限制在GaSb層中。當兩者組成超晶格時，相鄰InAs和GaSb層中電子和空穴會由于相互作用分別形成電子微帶和空穴微帶，如圖1所示。

圖1 InAs/GaSb超晶格能帶簡圖

電子微帶與空穴微帶的能量差即為超晶格的有效禁帶寬度，隨著InAs層和GaSb層厚度的改變而改變。對InAs/GaSb II類超晶格的能帶結(jié)構(gòu)進行計算和模擬，可以獲得超晶格材料光電特性等信息。圖2是InAs/GaSb超晶格的截止波長隨InAs厚度變化關系，通過改變InAs層的厚度，可以調(diào)節(jié)超晶格的截止波長，實現(xiàn)短波紅外、中波紅外和長波紅外等不同譜段的紅外探測。

圖2 InAs/GaSb II類超晶格截止波長隨InAs厚度變化關系（GaSb厚度為2.1 nm）

總體來說，InAs/GaSb超晶格紅外探測技術具有如下特點：

1）改變周期厚度可以調(diào)節(jié)InAs/GaSb超晶格的禁帶寬帶（響應截止波長），因此，可以通過結(jié)構(gòu)設計來靈活調(diào)節(jié)超晶格探測器的光電響應特性，響應波段可以覆蓋短波至甚長波的整個紅外譜段，并實現(xiàn)多色探測。

2）InAs/GaSb超晶格結(jié)構(gòu)可以吸收垂直入射光。理論計算表明，InAs/GaSb超晶格可達到與HgCdTe材料相當?shù)奈障禂?shù)，因此具有較高的量子效率。

3）在InAs/GaSb超晶格結(jié)構(gòu)中，由于輕、重空穴帶的分離，抑制了Auger復合速率。在理論上，InAs/GaSb超晶格比HgCdTe具有更高的探測率。

4）相比HgCdTe材料，InAs/GaSb超晶格有更大的有效質(zhì)量，有助于抑制長波探測器的隧穿暗電流。

5）現(xiàn)代材料生長技術，如分子束外延技術，可以在單原子層精度上控制材料的生長，十分有利于材料性能的可控性、穩(wěn)定性和可重復性。

6）InAs/GaSb超晶格是III-V族化合物半導體材料，材料生長與器件工藝較為成熟，有利于實現(xiàn)大規(guī)格、高均勻性焦平面器件。

銻化物超晶格焦平面探測器發(fā)展歷程

技術孕育階段（20世紀80年代—21世紀初）

該階段主要是超晶格紅外探測技術概念的提出、超晶格探測器性能的理論計算分析、超晶格材料外延生長和基本光電特性研究，初步證實了超晶格材料具有優(yōu)良的紅外探測性能。

超晶格概念是20世紀70年代美國國際商用機器（IBM）公司的江琦、朱兆詳?shù)热颂岢龅?，指出電子在沿超晶格材料生長方向運動將受到超晶格周期勢的影響，形成與自然界材料性能迥異的特性，分子束外延技術的發(fā)展又允許人們生長出高質(zhì)量的超晶格材料。1977年，江琦、朱兆祥等人又提出了銻化物（InAs/GaSb）II類超晶格的概念。

技術突破階段（21世紀初—2010年）

該階段主要聚焦于突破高性能焦平面器件制備的關鍵技術。采用先進的異質(zhì)結(jié)構(gòu)抑制超晶格長波探測器的暗電流；研究超晶格材料的刻蝕和側(cè)壁鈍化技術，制備出超晶格面陣器件。

長波探測是超晶格技術發(fā)展的一個重要方向，而降低暗電流是長波紅外探測器研究工作的一個重要內(nèi)容。對于銻化物超晶格探測器，利用其靈活的能帶結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)能力以及分子束外延低維材料生長能力，國外各研究機構(gòu)設計、制備出了多種寬禁帶勢壘的探測器結(jié)構(gòu)來抑制暗電流，如pπMn結(jié)構(gòu)、CBIRD結(jié)構(gòu)、nBn結(jié)構(gòu)等。上述不同結(jié)構(gòu)的基本思想是利用寬禁帶勢壘層與吸收區(qū)形成異質(zhì)結(jié)，從而達到抑制產(chǎn)生-復合電流的效果。

像元臺面刻蝕與側(cè)壁鈍化是超晶格焦平面制備研究的一個重要內(nèi)容。在臺面?zhèn)缺?，由于半導體周期性晶格結(jié)構(gòu)的突然中斷，會引起能帶在表面的彎曲，從而使得接近表面的半導體層內(nèi)形成電荷累積，甚至引起表面反型，這會導致在表面形成導電通道。另外，在刻蝕等工藝過程中產(chǎn)生的損傷、沾污或者氧化物等也可能引起表面勢能的變化，在帶隙內(nèi)形成載流子陷阱，增加隧穿電流。

隨著超晶格探測器結(jié)構(gòu)的不斷優(yōu)化，器件制備工藝水平的提升，基于高質(zhì)量分子束外延超晶格材料，結(jié)合前期建立的紅外焦平面技術（如讀出電路、銦柱混成互聯(lián)等），相關研究機構(gòu)相繼研制出了320×256、640×512、1024×1024等不同規(guī)格的超晶格紅外焦平面。

雙色或多色探測器具備多譜段探測能力，可顯著提升識別距離、抗紅外干擾與抗偽裝能力，是新一代焦平面探測器重點發(fā)展方向之一。銻化物超晶格材料能帶靈活可調(diào)及寬譜響應的特性，使得其成為制備雙色、多色探測領域的優(yōu)選技術。各研究機構(gòu)先后報道了基于該材料體系的中/中波、中/長波、長/長波雙色焦平面探測器。

技術發(fā)展階段（2010年—至今）

超晶格焦平面制備能力的提升

在相關政府機構(gòu)的支持下，西方技術先進國家突破了超晶格結(jié)構(gòu)設計、材料生長、芯片制備工藝等關鍵技術，多家研發(fā)機構(gòu)先后獲得高性能的超晶格長波大面陣器件和雙色焦平面器件。這些成果的取得也使人們充分認識到超晶格技術在紅外探測領域的意義和價值。在此基礎上，2011年，美國啟動了“重要紅外傳感器技術加速計劃（VISTA）”，這是一個由政府主導的，包括JPL、MIT林肯實驗室、Sandia國家實驗室、海軍實驗室等研究結(jié)構(gòu)，以及休斯實驗室、洛克-馬丁公司、L3辛辛那提電子公司等行業(yè)領先公司的聯(lián)合體，技術鏈涵蓋了襯底制備、超晶格材料外延生長、焦平面芯片制備工藝、讀出電路設計、超晶格組件集成等。在5年時間內(nèi)，VISTA計劃在高性能長波、中長波雙色、超大面陣焦平面、高溫工作（HOT）焦平面器件等多方面獲得了進一步的發(fā)展。

圖3 （a）超晶格5 μm像元尺寸的SEM照片，（b）超晶格中波紅外焦平面在160 K和170 K工作溫度下成像示意圖，（c）超晶格中長波雙色野外成像圖

超晶格焦平面的工程應用

隨著制備能力和探測器性能的不斷提高，超晶格紅外焦平面開始了應用試驗。2005年，德國IAF和AIM公司研制的中/中波超晶格雙色焦平面探測器應用于歐洲大型運輸機Airbus A400 M的多色紅外預警系統(tǒng)（MIRAS）。

圖4 非洲某地區(qū)的可見（來源谷歌地圖）和CTI紅外成像圖片（來自美國NASA國際空間站拍攝），Band 1為中波紅外圖像，Band 2為長波紅外圖像

銻化物超晶格探測器的展望與思考

碲鎘汞是當前最成功的紅外探測材料，其響應波段可以覆蓋短波至甚長波的整個紅外譜段，具有高的吸收系數(shù)和量子效率。由于碲鎘汞非常低的肖特基-里德-霍爾（SRH）復合速率，少子壽命長，暗電流低，可以實現(xiàn)高性能紅外探測器。碲鎘汞的挑戰(zhàn)主要來自于材料生長、芯片制備工藝等方面難度大及由此而帶來的成品率和制備成本等問題。

InAs/GaSb超晶格在譜段覆蓋性方面和碲鎘汞一樣可以在短波至甚長波整個紅外譜段內(nèi)調(diào)節(jié)。與碲鎘汞相比，超晶格紅外探測器在量子效率和少子壽命還需要進一步的提升。但另一方面，InAs/GaSb超晶格屬于III-V族化合物半導體，其物理化學性質(zhì)較為穩(wěn)定，超晶格焦平面在空間均勻性、時間穩(wěn)定性等方面具有優(yōu)勢，同時，超晶格在材料、芯片的制備技術方面也具備更好的可控性。

近年來，InAs/GaSb超晶格紅外探測器取得了飛速的發(fā)展。在國外，超大規(guī)格、高像元密度、高溫工作中波焦平面、高性能長波紅外焦平面及雙色焦平面等已先后獲得突破，超晶格探測器也已初步獲得航天應用。國內(nèi)自“十二五”布局開展銻化物超晶格紅外探測技術研究，相關研究單位先后在超晶格長波焦平面技術、雙色焦平面技術等方面取得突破，初步形成了超晶格材料外延生長、芯片制備等技術能力和平臺。后續(xù)，超晶格紅外探測技術將在進一步提升材料基本性能（量子效率、少子壽命）的基礎上，發(fā)展大規(guī)格和超大規(guī)格紅外焦平面，高像元密度焦平面，甚長波和雙色、多色探測器，高工作溫度紅外焦平面等。

提升超晶格材料基本性能

在少子壽命方面，在超晶格中，輕、重空穴帶的分離抑制了俄歇復合過程，因此，理論上超晶格的少子壽命可以比碲鎘汞更長。但目前InAs/GaSb超晶格的少子壽命一般小于100 ns，與碲鎘汞相比有很大的差距，這主要是由于超晶格材料存在較強的SRH復合。InAs/InAsSb超晶格因表現(xiàn)出了更長的載流子壽命而頗受關注，但對于相同的探測波長，InAs/InAsSb超晶格的吸收系數(shù)較小；同時，InAs/InAsSb超晶格的空穴遷移率和擴散長度也較小。另一種新型超晶格材料——晶格匹配 InAs/GaAsSb超晶格展現(xiàn)出了優(yōu)良的光電性能，計算表明，對于相同的探測波長，InAs/GaAsSb超晶格具有與InAs/GaSb超晶格相似的吸收系數(shù)。

在量子效率方面，由于在超晶格中電子和空穴分別位于InAs和GaSb層中，吸收系數(shù)的大小與電子波函數(shù)和空穴波函數(shù)的交疊積分相關，從而導致器件的量子效率隨波長增大而下降。目前中波紅外超晶格探測器的量子效率可以實現(xiàn)70%~80%，長波器件的量子效率約30%~40%。提升長波、甚長波超晶格焦平面器件的量子效率是一個重要的研究課題。近年來，采用超表面微納光子結(jié)構(gòu)提升器件量子效率成為一個有效途徑。與探測器集成的微納光子結(jié)構(gòu)主要包括一維、二維光子晶體、光柵、匯聚透鏡、微腔結(jié)構(gòu)等。近年來，美國麻省理工學院、空軍實驗室、JPL等在該方面開展研究并取得了較好的成果。

超晶格紅外焦平面發(fā)展趨勢展望

在焦平面器件發(fā)展趨勢方面，將充分利用超晶格自身技術優(yōu)勢，發(fā)展高像元密度大面陣探測器、甚長波探測器、雙色和多色探測器、高工作溫度探測器及新型雪崩探測器等。

在高像元密度大面陣器件發(fā)展方面，國際上超晶格外延材料尺寸已經(jīng)達到6 in（1 in=2.54 cm），正向更大晶圓發(fā)展；像元尺寸已縮小至5 μm，最大規(guī)格達到6 K×4 K。國內(nèi)已具備4~6 in超晶格外延材料生長和銻化物半導體探測器芯片制備能力，在小像元尺寸的臺面芯片制備方面也具有技術基礎。

在甚長波紅外探測器方面，關鍵在于降低器件暗電流，紅外探測器的暗電流與少子壽命密切相關。因此，提升超晶格材料的少子壽命是一個重要的研究課題。晶格匹配InAs/GaAsSb新型超晶格材料有助于降低材料的深能級缺陷，從而提升少子壽命。降低器件暗電流的另一途徑是運用InAs、GaSb、AlSb等材料間多樣的能帶排列方式，靈活設計出先進的抑制暗電流器件結(jié)構(gòu)。最近，國外報道了14 μm超晶格甚長波焦平面探測器，采用先進勢壘設計結(jié)構(gòu)，大大地抑制了器件的暗電流。

在實現(xiàn)高溫工作超晶格紅外探測器的研究方面，主要集中在設計和制備各種具有暗電流抑制功能的異質(zhì)勢壘結(jié)構(gòu)器件。國外研究機構(gòu)采用nBn等異質(zhì)勢壘結(jié)構(gòu)，很好地將超晶格中波紅外探測器的工作溫度提升至150 K以上。在國外，高溫工作的超晶格中波紅外焦平面已經(jīng)顯示出了替代傳統(tǒng)InSb器件的趨勢。

實現(xiàn)雙色或多色探測是超晶格發(fā)展的一個重要發(fā)展方向。超晶格主要采用改變材料周期厚度來調(diào)節(jié)響應波長，采用分子束外延技術，只要改變InAs、GaSb單層的生長時間（改變層厚）就可以獲得不同響應波長的超晶格材料，因此非常容易在一次外延生長過程中集成兩個甚至多個響應不同波長的探測器材料結(jié)構(gòu)。近期研究結(jié)果也表明，超晶格是實現(xiàn)雙色或多色探測的優(yōu)先技術。

在新型探測器方面，銻化物超晶格雪崩探測器（APD）近年來也備受關注。美國伊利諾斯大學研究發(fā)現(xiàn)，InAs/GaSb超晶格的空穴/電子碰撞電離系數(shù)比可以近似為零，研制的電子雪崩型器件的增益為300時，過剩噪聲因子小于1.2。該團隊與美國雷神公司合作研制的電子雪崩型超晶格APD，在增益為500時，過剩噪聲因子仍舊保持在接近于1的水平，表現(xiàn)出了極低的雪崩噪聲特性。

結(jié)論

這項研究簡要介紹了銻化物超晶格紅外探測技術的技術特點、發(fā)展歷程及其發(fā)展趨勢。自InAs/GaSb超晶格紅外探測器的設想被提出后，30多年來，通過結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化和制備技術提升，國內(nèi)外研究結(jié)構(gòu)先后獲得了一系列的大面陣、高溫工作、長波、多色紅外探測器，超晶格紅外焦平面也表現(xiàn)出了高均勻性、高穩(wěn)定性、高制備可控性等優(yōu)勢，并且在紅外遙感成像等航空航天領域得到應用。今后，超晶格紅外焦平面將向著更高的像素密度、更大的規(guī)格、更高的工作溫度、甚長波、雙色（多色）、雪崩器件等方向發(fā)展。

論文信息：

DOI: 10.3788/IRLA20230153

審核編輯：劉清