Ⅱ類超晶格紅外探測器國內(nèi)外研制現(xiàn)狀

1引言

航天光學(xué)遙感器是遙感衛(wèi)星的核心，為了提高遙感衛(wèi)星的應(yīng)用水平，用戶對后續(xù)航天光學(xué)遙感器提出了多譜段、遠(yuǎn)紅外、高性能、長壽命和高可靠性等越來越高的要求，紅外遙感器已成為航天光學(xué)遙感器發(fā)展的必然趨勢。紅外遙感器具有自身的優(yōu)勢：更好的全天候性能；可利用目標(biāo)和背景紅外輻射特性的差異進(jìn)行目標(biāo)識別、揭示偽裝；可以穿透云煙，探測到可見光無法探測的景物；隱蔽性好。因此，紅外光學(xué)遙感在軍事、氣象、水文、地質(zhì)、環(huán)境監(jiān)測、農(nóng)業(yè)和林業(yè)等方面都有可見光遙感無法比擬的優(yōu)勢。

隨著紅外遙感器的發(fā)展，高性能紅外探測器的需求也越來越迫切，目前應(yīng)用最為廣泛的紅外探測器是碲鎘汞紅外探測器。Smith和Mailhiot在1987年將InAs/GaSb Ⅱ類超晶格材料應(yīng)用于紅外探測器，Ⅱ類超晶格材料組合是一種材料的能帶不包含另一種材料的能帶材料，分為“交錯型”和“錯開型”，Ⅱ類超晶格紅外材料的出現(xiàn)克服了碲鎘汞紅外探測器存在的問題，同時(shí)又具備其優(yōu)勢；通過調(diào)節(jié)材料的能帶結(jié)構(gòu)和帶隙，使其工作在3 - 30μm的任意波段范圍，有利于實(shí)現(xiàn)雙色及多色探測需求；通過材料設(shè)計(jì)可抑制俄歇復(fù)合及暗電流，提高焦面工作溫度，節(jié)約衛(wèi)星功耗資源，有效降低制冷壓力；量子效率高，可以吸收正入射，縮短了探測器積分時(shí)間，響應(yīng)時(shí)間快；遂穿電流小，可以獲得高的探測率，尤其對長波和甚長波有益；利用MBE進(jìn)行材料生長，均勻性好，成本低，有利于研制均勻大規(guī)模器件，因此Ⅱ類超晶格將成為第三代紅外探測器的首選材料。

2空間紅外遙感器對紅外探測器的需求分析

紅外探測器的研制水平直接決定紅外遙感器的發(fā)展水平，我國空間紅外遙感器技術(shù)水平較美國和歐洲等發(fā)達(dá)國家還存在一定差距，其根本原因之一就在于國內(nèi)紅外探測器研制技術(shù)水平落后于國外紅外探測器研制技術(shù)水平。因此，國內(nèi)要研制出高性能水平的紅外遙感器，必須首先研制出高性能紅外探測器。

目前隨著用戶需求的提高，國內(nèi)紅外遙感器的研制包括了資源、環(huán)境、氣象、海洋、紅外偵察和紅外預(yù)警等多種類型，并且對紅外遙感器的性能提出了越來越高的要求，高空間分辨率、高光譜分辨率．高時(shí)間分辨率、多譜段探測、低功耗等已成為紅外遙感器的發(fā)展重點(diǎn)。為滿足紅外遙感器的應(yīng)用需求，研制出高性能的紅外探測器已成為亟待解決的主要問題，國內(nèi)紅外探測器的發(fā)展水平已經(jīng)有了很大的提高，目前可以預(yù)見的紅外探測器需求如下：

（1）從器件規(guī)模來講，線列紅外探測器的元數(shù)應(yīng)該能夠覆蓋32 -10000元的范圍，面陣探測器的元數(shù)應(yīng)該能夠覆蓋256 x 256 - 4K x 4K元的范圍；

（2）從工作譜段范圍來講，紅外探測器的工作譜段應(yīng)該能夠覆蓋0.85 - 12.8μm的范圍；

（3）從譜段集成化來講，紅外探測器的研制需要向雙色（或雙譜段）或多色（或多譜段）集成技術(shù)方向發(fā)展；

（4）從節(jié)約能源的角度來講，紅外探測器的研制需要向提高焦面工作溫度、減小紅外探測器包絡(luò)尺寸方向發(fā)展；

（5）從可靠性和工作壽命來講，紅外探測器的壽命應(yīng)該能夠覆蓋3 - 8年。

從前面的介紹可以看出，為了研制出高水平的線陣、面陣紅外光學(xué)遙感器，滿足未來我國航天紅外遙感發(fā)展需求，提高我國紅外遙感能力，紅外探測器的研制需要發(fā)展以下技術(shù)：

（1）發(fā)展大規(guī)模紅外探測器技術(shù)，為了更好提高紅外光學(xué)遙感器性能和可靠性，降低紅外遙感器的設(shè)計(jì)難度，低軌道遙感衛(wèi)星越來越鄉(xiāng)的采用推掃成像模式，靜止軌道越來越多采用凝視成像模式，因此需要研制出規(guī)模更大、分辨率更高的紅外探測器。而面臨的問題是以目前探測器的研制情況來看，大規(guī)模探測器需要大冷量和高可靠性的制冷機(jī)作為支撐，為了降低制冷機(jī)的研制難度，提高探測器制冷機(jī)組件的可靠性，需要研制一種新型紅外探測器，其焦面工作溫度較目前使用的探測器焦面工作溫度有所提高。

（2）發(fā)展雙色（雙譜段）或多色（多譜段）探測器技術(shù)，隨著探測器材料、器件和系統(tǒng)技術(shù)的進(jìn)步，紅外探測器需要向多譜段集成方向發(fā)展，一方面由于多色探測器可以共用一個光學(xué)系統(tǒng)，能同時(shí)獲得多個譜段的目標(biāo)信息，大大簡化相機(jī)研制難度，另一方面多個譜段圖像數(shù)據(jù)融合，可以獲得目標(biāo)的“彩色”熱圖像，可以更豐富、更精確、更可靠地獲得目標(biāo)信息。因此，為了著眼于未來高性能紅外光學(xué)遙感器的發(fā)展需求，需要研制高性能的雙色或多色紅外探測器。

（3）發(fā)展甚長波紅外探測器技術(shù)，甚長波紅外波段具有最高的大氣窗口目標(biāo)輻射能量，是紅外探測技術(shù)中非常重要的波段。這一波段的紅外焦平面探測器能提高探測系統(tǒng)的探測距離、縮短探測時(shí)間和精確探測目標(biāo)溫度等，具有十分重要的需求背景，無論是軍事還是民用遙感和空間科學(xué)研究，甚長波譜段都有明確需求，但是目前國內(nèi)成熟的紅外探測器譜段范圍與甚長波譜段需求還有一定差距，其瓶頸技術(shù)是甚長波探測器材料與工藝，因此需要加快甚長波探測器的研制腳步，滿足甚長波紅外光學(xué)遙感器的應(yīng)用需求。

（4）發(fā)展長壽命高可靠性紅外探測器技術(shù)，目前越來越多的空間光學(xué)遙感器都提出了8年壽命應(yīng)用需求，隨著遙感器長壽命的要求，作為遙感器核心部組件的紅外探測器也必須保證8年使用壽命，因此需要研制出更高可靠性的紅外探測器，以滿足遙感器8年壽命應(yīng)用需求。

3Ⅱ類超晶格紅外探測器國內(nèi)外研制現(xiàn)狀

3.1國外研制現(xiàn)狀

（1）德國AIM/IAF

2004年，德國AIM/IAF研制出了第一個中波SLS熱像儀，像元尺寸40μm；AIM/IAF報(bào)道了像元間距為24μm的384 x 288中波探測器，截止波長4.9μm，積分時(shí)間1ms，NETD為28mK，F(xiàn)數(shù)2.4；2006年AIM與IAF報(bào)道了384 x 288雙色Ⅱ類超晶格紅外探測器，像元間距為40μm，探測波長為3 - 4μm和4 - 5μm，NETD分別為<12mK和<22mK，F(xiàn)數(shù)均為2，積分時(shí)間均為2.8ms；并制備了像元間距為30μm的256 x 256雙色SLS探測器，圖1為AIM研制的384 x 288中波單色和中波雙色熱圖像。

圖1 AIM研制的SLS探測器中波單色及中波雙色熱像圖

（2）美國西北大學(xué)量子器件中心

美國西北大學(xué)量子器件中心研制出了M-結(jié)構(gòu)的超晶格材料，降低了長波、超長波探測器中遂穿及擴(kuò)散電流，因此將暗電流降低了1個數(shù)量級。利用此結(jié)構(gòu)制備出了長波和甚長波紅外探測器。

2012年，美國西北大學(xué)量子器仵中心研制了1024 x 1024長波探測器，截止波長達(dá)到11μm，NETD在制冷溫度81K時(shí)達(dá)到23.6mK，68K時(shí)達(dá)到22.5mK，量子效率達(dá)到78%，成像效果如圖2所示。

圖2 1024 x 1024長波探測器

（3）噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室

2007年，Raytheon、JPL聯(lián)合報(bào)道了工作溫度為78K，截止波長為10.5μm，30μm中心間距的256 x 256長波Ⅱ類超晶格焦平面。2009年制備了截止波長為12μm的長波紅外探測器，規(guī)格為1024 x 1024。2010年制備了1024x 1024截止波長為11μm的長波紅外探測器，87K時(shí)，背景限探測率為1.1 x 1011。

（4）瑞典愛爾諾

瑞典愛爾諾紅外公司已經(jīng)有實(shí)用化的Ⅱ類超晶格產(chǎn)品，3.2 - 5μm中波320 x 256長波紅外探測器，NETD可達(dá)到12mK。

3.2國內(nèi)研制現(xiàn)狀

（1）中科院半導(dǎo)體所

國內(nèi)開展Ⅱ類超晶格材料研究起步較晚，中科院半導(dǎo)體所主要開展Ⅱ類超晶格紅外探測器材料的研制，目前相關(guān)研制小組已經(jīng)研制出截止波長為10μm和16μm的Ⅱ類超晶格紅外探測器材料，工作溫度為77K。

（2）武漢高德紅外公司

武漢高德紅外公司通過采購半導(dǎo)體所研制的Ⅱ類超晶格紅外探測器材料，制備了國內(nèi)第一款長波面陣器件，器件規(guī)模為320 x 256，后截止波長達(dá)到10.5μm，NETD小于20mK，像元中心均為30μm，焦面工作溫度≥68K。

（3）其他單位

國內(nèi)探測器研制單位，如中電11所、中電44所、兵器211所和上海技物所都開展了Ⅱ類超晶格紅外探測器的相關(guān)研究。

4Ⅱ類超晶格紅外探測器在空間紅外遙感應(yīng)用中的優(yōu)勢

（1）在工作溫度方面的優(yōu)勢

相比較目前常用的HgCdTe紅外探測器而言，Ⅱ類超晶格紅外探測器焦面工作溫度提高。對于制冷型紅外焦平面探測器，制冷機(jī)的制冷功率大小與探測器焦面工作溫度、探測器組件的重量、體積以及探測器的工作壽命等直接相關(guān)，制冷功率大小是一個重要考慮因素。目前國內(nèi)研制的甚長波紅外探測器，探測器規(guī)模大，截止波長較長，對制冷機(jī)的冷量需求很大，加大了制冷機(jī)的研制難度，同時(shí)對衛(wèi)星的功耗資源帶來一定負(fù)擔(dān)。對于重量、體積、結(jié)構(gòu)形式及工作壽命相同的紅外探測器組件，在相同截止波長的情況下，Ⅱ類超晶格紅外探測器焦面工作溫度提高，焦面工作溫度越高，所需的制冷機(jī)冷量越小，制冷機(jī)所需的制冷功率也就越低，一方面降低了制冷機(jī)和制冷控制器的研制難度，另一方面可以有效節(jié)約衛(wèi)星功耗資源，節(jié)約成本，同時(shí)可以提高系統(tǒng)的可靠性。因此，Ⅱ類超晶格紅外探測器在工作溫度方面有很大的優(yōu)勢。

（2）在發(fā)展雙色或多色器件方面的優(yōu)勢

空間紅外遙感器采用多色探測器，可在復(fù)雜的背景環(huán)境下，提高目標(biāo)的識別能力，采用多色探測技術(shù)并結(jié)合目標(biāo)在不同波段下的特點(diǎn)，可以顯著提高識別距離。采用多色方案，光譜信息可以有效地區(qū)分目標(biāo)特性。傳統(tǒng)的雙色或多色探測技術(shù)大多依賴于光學(xué)系統(tǒng)分光的數(shù)個獨(dú)立單色成像器件完成，這樣就使得遙感器復(fù)雜度高、體積大、功耗大以及可靠性降低，因此，在降低遙感器系統(tǒng)復(fù)雜度、體積、功耗以及提高可靠性等需求驅(qū)動下，發(fā)展雙色或多色成像探測器是必然選擇。通過調(diào)節(jié)Ⅱ類超晶格的能帶結(jié)構(gòu)和帶隙，可以很好的響應(yīng)3 - 30μm之間的任意譜段，利于實(shí)現(xiàn)雙色或多色探測需求，在發(fā)展雙色或多色成像器件方面，Ⅱ類超晶格紅外探測器有明顯的優(yōu)勢。

（3）在發(fā)展均勻大面陣及節(jié)約成本方面的優(yōu)勢

隨著空間紅外遙感器技術(shù)及用戶的應(yīng)用需求的不斷提高，采用大規(guī)模及超大規(guī)模紅外探測器可以提高遙感器空間分辨率，大規(guī)模及超大規(guī)模紅外焦平面探測技術(shù)已成為紅外焦平面探測器發(fā)展的必然趨勢。紅外探測器在規(guī)模上的制約主要來源于探測器芯片尺寸的增大所帶來的讀出電路尺寸以及探測器敏感材料尺寸增大，以至于難以制造，也難以解決低成本、高性能、高均勻性的問題，并且波長越長，該問題就越突出。對于目前廣泛應(yīng)用的HgCdTe紅外探測器，其材料尺寸沒有實(shí)質(zhì)性的限制，晶格匹配的ZnCdTe襯底已經(jīng)做到70mm × 70mm左右，能夠滿足4096 × 4096（15μm中心距）焦面尺寸需求。更大的襯底材料在技術(shù)上沒有原理性困難，大尺寸ZnCdTe襯底的主要問題是成本限制，ZnCdTe襯底由于材料熱導(dǎo)率、缺陷形成能較低等固有性質(zhì)導(dǎo)致單晶材料生長成本高，特別是分子束外延所需的晶面大面積材料受到孿晶等限制，在成本意義上獲取大面積材料仍然存在一定困難。對于Ⅱ類超晶格紅外探測器，其基于Ⅲ - Ⅴ材料生長技術(shù)，均勻性好、便宜，利用MBE進(jìn)行材料生長，具有很高的設(shè)計(jì)自由度，探測器均勻性好。可見，Ⅱ類超晶格紅外探測器在發(fā)展均勻大面陣器件及節(jié)約成本方面有很大的優(yōu)勢。

隨著空間紅外遙感技術(shù)的快速發(fā)展，對紅外探測器的需求指標(biāo)越來越高，Ⅱ類超晶格紅外探測器以其明顯的優(yōu)勢獲得了越來越多的青睞，將會成為紅外探測器發(fā)展的必然結(jié)果。

5Ⅱ類超晶格紅外探測器針對空間紅外遙感應(yīng)用需要攻克技術(shù)難點(diǎn)

Ⅱ類超晶格紅外探測器在空間紅外遙感應(yīng)用中有很大的優(yōu)勢，在研制過程中還需要克服一些技術(shù)難點(diǎn)，包括材料均勻性控制、生長界面控制、原子擴(kuò)散和應(yīng)變補(bǔ)償、剩余雜質(zhì)濃度控制以及側(cè)壁鈍化等方面的難題。

（1）材料均勻性控制

要獲得想要的截止波長，每層InAs/GaSb超晶格層的厚度大約在15 - 90A，因此控制每層材料生長的均勻性顯得非?？量?。這對襯底質(zhì)量、設(shè)備能力要求、工藝控制要求極高。由于GaSb襯底不像Si、GaAs一樣成熟，在材料生長和清洗上還有一定的工藝難度，表面缺陷、劃痕、氧化層厚度和類型等對外延膜均勻性和質(zhì)量均有很大影響；MBE具有外延單原子層的能力，但如何實(shí)現(xiàn)對相應(yīng)的材料具備相應(yīng)的工藝，包括去氧化層工藝、生長速率的準(zhǔn)確測試、生長溫度選擇、生長速率選擇等都提出了很高要求，這些問題均成為材料均勻性控制的難點(diǎn)，還需要在工藝中慢慢摸索。

（2）生長界面控制

InAs/GaSb Ⅱ類超晶格由于InAs層與GaSb層Ⅲ族元素與Ⅴ族元素的原子都不相同，因而在界面處可以形成兩種界面類型，即Ga和As原子結(jié)構(gòu)形成GaAs界面，以及In和Sb原子結(jié)合形成InSb界面，這兩種界面分別被稱為GaAs-like界面和InSb-like界面。相比較GaAs-like界面，InSb-like界面被認(rèn)為更有利于紅外探測器性能的提高。由于晶格的失配，GaAs-like界面和InSb-like界面都將在界面處引入應(yīng)變，從能帶方面考慮，InAs/GaSb Ⅱ類超晶格中，光躍遷發(fā)生在界面處InAs層電子和GaSb層中空穴。在InSb-like界面處，InSb層增加了能帶的排列，加強(qiáng)了波函數(shù)之間的重疊。但是，在GaAs-like界面處，形成了一個電子和空穴的勢壘層，減少了波函數(shù)的重疊，從而減少了光躍遷的發(fā)生。因此，在超晶格材料生長的過程中，主要考慮如何實(shí)現(xiàn)InSb-like界面。如何控制界面類型成為InAs/GaSb Ⅱ類超晶格器件的首要技術(shù)難點(diǎn)。

（3）原子擴(kuò)散和應(yīng)變補(bǔ)償

因?yàn)镚aSb表面富集Sb，在GaSb襯底上生長的InAs層中引入了Sb，這樣會影響生長材料的質(zhì)量。由于InAs（6.0583A）和GaSb（6.09593A）之間存在晶格突變，晶格失配約為0.62%，由于InAs的晶格常數(shù)小，In- As、Ga - Sb原子間結(jié)合能差別較大，從而導(dǎo)致要獲得高質(zhì)量超晶格材料的難度較大，原子擴(kuò)散和應(yīng)變補(bǔ)償是Ⅱ類超晶格器件的難點(diǎn)之一，可以通過材料設(shè)計(jì)、引入緩沖層等技術(shù)手段方面解決這一難題。

（4）剩余雜質(zhì)濃度控制

對于p - on - n光伏型探測器，背景載流子濃度對整個紅外探測器的性能有著至關(guān)重要的作用，在很大程度上決定著少數(shù)載流子的壽命和擴(kuò)散長度，從而影響探測器的量子效率及探測率。材料的本底濃度增強(qiáng)，俄歇復(fù)合速率提高，俄歇復(fù)合是探測器暗電流的重要來源。美國DRS紅外技術(shù)公司指出，高溫工作的紅外探測器需要材料的本底載流子濃度小于1014cm-3，以抑制俄歇復(fù)合。由于本征缺陷，帶來了較高的n型摻雜濃度。因此，與HgCdTe材料相比，Ⅱ類超晶格材料仍然顯示較短的載流子壽命，較大的暗電流，降低InAs/GaSb超晶格材料的本底濃度是進(jìn)一步提高探測器性能的關(guān)鍵。

（5）側(cè)壁鈍化

對于器件工藝而言，表面鈍化是一個關(guān)系器件性能好壞的關(guān)鍵工藝，由于臺面隔離暴露了有源區(qū)，暴露出的臺面?zhèn)缺诒徽J(rèn)為是暗電流的主要貢獻(xiàn)者。對于側(cè)壁鈍化，目前采用了不同的清潔方法、化學(xué)處理、介電層Si02和Si3N4覆蓋、硫化銨鈍化、淺腐蝕臺面隔離、二次外延等方法，但是降低表面漏電流仍然是目前各譜段器件工藝有待進(jìn)一步完善的技術(shù)難題。

6結(jié)論

針對空間紅外遙感應(yīng)用需求，從Ⅱ類超晶格紅外探測器的原理及優(yōu)點(diǎn)、國內(nèi)外研制現(xiàn)狀、在空間紅外遙感應(yīng)用中的優(yōu)勢、需要攻克的技術(shù)難點(diǎn)這幾個方面進(jìn)行了介紹。Ⅱ類超晶格紅外探測器有很多優(yōu)點(diǎn)，為其在空間紅外遙感器中的應(yīng)用帶來了明顯優(yōu)勢，Ⅱ類超晶格紅外探測器具有很好的光電性能，使用Ⅱ類超晶格紅外探測器，可以降低空間紅外遙感器的研制難度，節(jié)約成本，并且有較高的可靠性。但是，Ⅱ類超晶格紅外探測器還有很多技術(shù)難點(diǎn)需要攻克，從我國目前研究情況來看，還需要不斷完善研制工藝，積極探索其中的領(lǐng)域，從而對Ⅱ類超晶格紅外探測器的研制有一個新的突破，以滿足不斷增加的空間應(yīng)用需求。