华北光电技术研究所研制中/长波双色二类超晶格红外探测器

双波段红外探测器是第三代焦平面探测器发展的重要方向之一，二类超晶格材料由于其优异的光电性能而成为制备双色红外探测器的优选材料之一。相对于其他材料二类超晶格材料具有能带结构灵活可调、隧穿电流小、俄歇复合低、材料均匀性好、原位掺杂容易、量子效率较高等优点，而成为近年来双色红外探测器的重要发展方向，并取得迅速发展。

据麦姆斯咨询报道，近期，华北光电技术研究所刘铭等人在《激光与红外》期刊上发表了以“中/长波双色二类超晶格红外探测器技术”为主题的文章。该文章介绍了华北光电技术研究所在中/长波双色二类超晶格红外探测器方面的研制情况，重点针对工程应用，开展材料结构设计、材料外延、读出电路设计、芯片加工、组件化等方面研究，制备出性能良好的640×512中/长波双色二类超晶格制冷型组件，主要指标：像元中心间距20μｍ，读出方式同时读出，中波波段3.5 ～ 4.8μｍ，长波波段7.5 ～ 9.5μｍ，噪声等效温差中波28.8ｍK、长波38.8ｍK，响应率非均匀性中波4.52%、长波7.89%，盲元率中波1.2%、长波1.3%。最终完成成像演示，成像质量良好，为双色红外探测器工程化应用奠定了基础。

材料结构设计与外延

二类超晶格材料主要通过调节InAs、GaSb、AlSb、InSb等层厚来实现能带结构裁剪，实现响应波段、暗电流等其他光电性能调控，通过经验紧束缚理论和8带k.p微扰能带理论等超晶格能带计算模型进行理论计算，得到相应的材料参数。

图1 器件结构和参数

中/长波双色二类超晶格材料结构基于PπBN-NBπP的双色探测器结构，其具体结构和参数图1所示，该结构为两个PπBN器件背靠背，其吸收层分别对应了中波（8ML InAs/8ML GaSb）和长波（13ML InAs/8ML GaSb）波段，中波器件在下，长波器件在上，两个器件间采用1μｍ的n型InAs公共电极层，中波吸收层材料厚度3μｍ，长波吸收层材料厚度2.5μｍ，充分保证了器件的量子效率，较厚的中波吸收层、势垒结构的引入、以及合理的极性设计都能抑制两个器件间的串音，保证了各自的最佳性能器件。

中/长波双色材料生长是在芬兰DCA公司的P600系统上进行的。中/长波双色超晶格材料在外购2in GaSb衬底上外延生长，衬底首先经过进样室、缓冲室除气，然后被推入生长室，在Sb束流保护下升温到560℃左右去除表面氧化层，然后降温至500℃生长0.5 ～ 1μｍ厚的GaSb缓冲层。生长完成后，降温至400℃左右生长双色二类超晶格材料，通过优化外延温度、Ｖ/Ⅲ束流比、生长速率、界面控制等关键参数，实现对双色超晶格材料的厚度、组分、应变等精确控制。

器件制备

中/长波双色二类超晶格器件制备中，由于外延层厚度较大，为实现像素单元的有效隔离，同时为了实现高信噪比器件制备，需要制备台面结型焦平面阵列，基于640×512 20μｍ中心距双色组件小间距、大阵列、多电学引出等技术难点，本文采用设计单铟柱偏压选择型技术路线，示意图如图2所示。选用干湿法结合的工艺体系，通过干法刻蚀工艺形成高深宽比台面结构，通过湿法腐蚀工艺去除刻蚀损伤，提高表面质量；通过硫化处理以及SiO2／SiNO复合钝化膜进行钝化降低表面复合电流；具体技术路线如图3所示。

图2 单In柱器件结构示意图

图3 中/长波双色超晶格焦平面红外探测器制备流程

刻蚀后台面的形貌图如图4（a）所示，可见经过干法刻蚀后，台面具有良好的形貌，侧壁较为光滑，孔底没有明显的生成物。图4（b）为台面钝化、开电极孔、长完电极后结构剖面图。

图4 台面形貌刻蚀效果图及器件成型后剖面图（SEM）

性能测试

中长波双色混成芯片采用底部填充衬底减薄提升量子效率以及组件可靠性，封装于全金属结构提供真空环境，通过与制冷机耦合制备出红外探测器组件，采用傅里叶转换红外（FTIR）光谱仪进行探测器芯片及组件的测试评价，得到器件在70Ｋ温度下的归一化光谱响应曲线，如图5所示中波截止波长为4.8μｍ，长波后截止波长为9.5μｍ。所制备中/长波双色二类超晶格红外探测器实现了像元中心间距20μｍ，读出方式同时读出，中波波段3.5 ～4.8μｍ，长波波段7.5 ～ 9.5μｍ，噪声等效温差中波28.8ｍK、长波38.8ｍK，响应率非均匀性中波4.52%、长波7.89%，盲元率中波1.2%、长波1.3%。最终成像演示如图6，成像质量良好。

图5 光谱图

图6 640×512中/长波双色二类超晶格红外探测器成像

结论

本文设计了中/长波双色二类超晶格器件结构，采用分子束外延技术生长出结构完整、表面平整、缺陷密度低的P-N-P结构的双色超晶格材料。通过改进了深台面刻蚀以及钝化方法，制备出性能良好的单铟柱640×512中/长波双色二类超晶格红外探测器。双色器件的性能达到：噪声等效温差（＠Ｆ/３）中波28.8mK、长波38.8mK，响应率非均匀性中波4.52％、长波7.89％，盲元率中波1.2％、长波1.3％，读出方式同时读出。探测器组件完成成像演示以及初步环境试验室试验，为后续工程化应用奠定了坚实的基础。

论文信息：

DOI:10.3969/j.issn.1001-5078.2022.12.015

审核编辑 ：李倩