长/长波双色InAs/GaSb超晶格焦平面探测器芯片研究

双色红外探测器可以同时获取目标和环境在两个波段的辐射特征，从而有效抑制复杂的背景噪声，实现不受环境制约的红外探测，提升目标的探测效果，在预警、搜索和跟踪系统中能明显地降低虚警率，显著地提高系统性能。目前双色红外探测器的研究主要包括短/中波、中/中波、中/长波和长/长波等。近年来长/长波双色红外探测器应用研究上取得了较大的发展，采用的材料主要为二类超晶格与碲镉汞。与碲镉汞相比，锑基II类超晶格具有暗电流低、工艺稳定性高、材料缺陷少等优点，尤其是在长波和甚长波波段的应用，超晶格展现出了更大的优势。

据麦姆斯咨询报道，近期，华北光电技术研究所和中国科学院半导体研究所的科研团队在《红外与毫米波学报》期刊上发表了以“长/长波双色二类超晶格红外探测器研究”为主题的文章。该文章第一作者和通讯作者为刘铭研究员，主要从事红外探测材料与器件方面的研究工作。

本文报道了长/长波双色二类超晶格红外焦平面探测器组件的研制。通过能带结构设计和分子束外延技术，获得了表面质量良好的长/长波双色超晶格外延材料。突破了长波超晶格低暗电流钝化、低损伤干法刻蚀等关键技术，制备出像元中心距30 μm的320×256长/长波双色InAs/GaSb超晶格焦平面探测器芯片。

实验

器件结构设计

为抑制器件的暗电流和双波段间的光谱串音，本文基于NMIP-PIMN 结构，在两通道间插入Al0.2Ga0.8Sb势垒阻挡电子反向移动，移除两个p型接触区，组成“NMIBIMN”器件结构，通过改变势垒区的掺杂浓度调整两个通道的饱和偏压和光谱串音，器件结构及能带如图1所示。

图1 长/长波双色器件结构及能带图

材料生长与质量表征

文中使用材料采用分子束外延技术进行制备，针对长/长波双色超晶格材料生长温度窗口窄、中间势垒区与超晶格区生长温度相差大（约75 ℃）、长波吸收区InSb层厚度大使应力大的问题，本文通过调节材料的V族III族束流比、衬底温度、III族元素的源炉温度、快门开关顺序来保证材料符合器件制备标准。通过能带模拟，设计出短长波和长长波吸收区分别为10.5 mL InAs/7 mL GaSb和14 mL InAs/7 mL GaSb。根据已有经验，长波超晶格吸收区需要更多的InSb平衡应力，太多的InSb界面导致外延难度增大。

在GaSb衬底上要实现共格生长，1 mL的InAs需要0.1 mL的InSb平衡张应力，因此短长波吸收区和长长波吸收区各需要1.05 mL和1.4 mL的InSb平衡应力。考虑到界面处存在的部分GaAs，实际需要的InSb厚度要更多，太多的InSb可能会导致应力释放，破坏晶格结构。10.5 mL InAs/7 mL GaSb需要1.05 mL InSb平衡应力，在InAs onGaSb界面处更容易形成InSb界面。因此在InAs on GaSb界面处生长0.52 mL InSb，在GaSb on InAs界面处生长0.53 mL InSb。14 mL InAs/7 mL GaSb需要1.4 mL InSb平衡应力，如果采用InSb双界面，两边的InSb厚度为0.7mL，这个数值接近晶格弛豫的临界值，因此采用三界面生长方式，在InAs on GaSb界面和GaSb on InAs界面处各生长0.45 mL InSb，并在GaSb层中间位置插入0.5 mL InSb。界面生长顺序如图2所示。

图2（a）10.5 mL InAs/7 mL GaS界面生长顺序，（b）14 mL InAs/7 mL GaSb界面生长顺序

为了表征材料质量，将外延的长/长波双色超晶格材料进行光学显微镜、原子力显微镜（AFM）、X射线衍射仪测试（XRD），表征材料表面形貌和晶格完整性。在外延样品选取多个点位进行测试。对表面缺陷数量进行统计，视场长度和宽度分别为344 nm和245 nm，视场面积为0.08428 cm²。材料表面缺陷密度小于120 cm⁻²。

图3 长/长波双色超晶格材料表面形貌（a）样品#1，（b）样品#2

图4为双色材料的AFM测试图像，扫描范围为10 μm×10 μm，结果显示材料表面粗糙度Ra均小于0.2 nm，表面起伏较小，证明了超晶格具有良好的表面质量。

图4 长/长波双色超晶格材料AFM测试图像（a）样品#1，（b）样品#2

图5为材料X射线衍射仪的测试图谱，材料有多级卫星峰，不同点位卫星峰的位置高度重合，吸收区一级卫星峰半峰宽均小于30 arcsec，应力均在200 arcsec以内，表明超晶格材料具有良好的生长周期和晶格质量。

图5 长/长波双色超晶格材料XRD测试图谱

根据材料设计，短长波吸收区设计厚度为56.5395Å；长长波吸收区的设计厚度为68.2741 Å；M层（18 mL InAs /3 mL GaSb/5 mL AlSb/3 mL GaSb）的设计厚度为92.0481 Å。

设计吻合度的计算方法为周期厚度/设计厚度，得到M层、长长波、短长波的设计吻合度分别为99.29%、99.44%和97.37%。数据拟合结果和详细卫星峰参数如下表所示。

通过以上对外延的长/长波双色超晶格材料的表面形貌、粗糙度和XRD表征，结果均验证了所生长的超晶格材料具备较好的晶体质量，可以满足制备焦平面阵列的需求。

器件制备与性能测试

本文制备的焦平面探测器芯片阵列规格为320×256，像元中心距为30 μm×30 μm。芯片的制备工艺流程包括：通过光刻和ICP干法刻蚀形成台面结结构，使像素间产生隔离。采用PECVD等离子体化学气相沉积在台面结的表侧壁覆盖SiOxNy/SiO₂钝化层。经过刻蚀工艺开出电极接触通孔，通过光刻与电子束蒸发制备Ti/Pt/Au金属电极。将制备得的芯片与专用双色读出电路通过铟柱倒装互连，形成混成芯片。再通过低应力底部填充与背减薄技术，减薄衬底，完成长/长波双色超晶格红外探测器芯片的制备，芯片实物和焦平面像元阵列如图6所示。

图6 （a）320×256（30 m）长/长波双色超晶格探测器混成芯片照片，（b）焦平面像元阵列SEM照片

将完成上述工艺的320×256（30 μm）长/长波双色超晶格红外探测器芯片进行微杜瓦封装，冷屏F数为2，制冷至约70 K。将20 ℃黑体和35 ℃黑体先后对准测试窗口，通过焦平面测试系统采集全面阵各像元的响应信号。设置积分时间和调节偏置，计算出探测器的性能参数，包括探测率、盲元率、响应非均匀性等。

结果及分析

电学特性

采用低温探针台系统（Agilent B1500A）对InAs/GaSb超晶格长/长波双色探测器芯片的电学特性进行测试。光敏元面积为30 μm×30 μm，测试温度为77 K。测试得随偏压变化的长/长波双色器件电流密度-电压（J-V）曲线，并通过计算得出阻抗面积乘积-电压（RA-V）曲线如图7所示。从该图可以看出，偏压为-150 mV时，短长波二极管暗电流密度为8.2×10⁻⁴ A/cm²，差分电阻和面积乘积RA值为7.4×10⁴ Ωcm²。偏压为50 mV 时，长长波二极管暗电流密度为1.2×10⁻³ A/cm²，RA值为70.3Ωcm²。

光谱响应

在70K下通过傅里叶红外光谱仪（VERTEX 70）与高温黑体测试探测器的光谱响应特性。本文像元器件结构为两个背靠背的PN结，通过调节整体工作偏压，实现双波段的探测。偏压调节下焦平面器件的长波相对双色响应光谱如图7所示，其中波段1的50%后截止波长约为7.7 μm，波段2的后截止波长约为10.0 μm，体现了组件的长/长波双色红外探测功能。根据相对光谱串音的定义，计算得出短长波向长长波的串音为11.8%，长长波向短长波的串音为35.0%。长长波在短长波波段存在较大相对光谱串音，主要来源于较薄的短长波吸收层，未被吸收的光子辐射至长长波吸收层，被吸收后产生光谱串音。后续应进一步增加短长波波段的吸收区厚度，或在双色通道间引入反射光栅，减少辐射至长长波通道的短长波光子数量。

图7 J-V和RA-V特性曲线

成像演示

将焦平面器件封装入微杜瓦，形成制冷型红外探测器组件。长/长波超晶格焦平面探测器组件的双波段成像效果如图9所示。从图中可清晰的分辨出人脸、口罩、帽檐等图像特征，成像效果清晰。组件通过双色读出电路实现信号提取，双波段图像信号反向。组件测试结果为短长波的平均峰值探测率达到8.21×10¹⁰ cmW⁻¹Hz1/2，NETD 实现28.8 mK，盲元率为4.17%；长长波的平均峰值探测率达到6. 15×10¹⁰ cmW⁻¹Hz1/2，NETD为37.8 mK，盲元率为4.95%；证明了器件具有双波段探测信息分辨能力。

图8 长/长波双色超晶格探测器光谱响应曲线

图9 双波段成像演示图（a）波段1成像图，（b）波段2 成像图

结论

本文报道了基于双色叠层超晶格材料的长/长波双色焦平面探测器。通过分子束外延技术成功制备了NPN叠层结构的双色超晶格材料，并由材料表征验证了超晶格晶体质量。采用光刻、ICP干法刻蚀、PECVD钝化等工艺，实现了320×256规格、30 μm像元中心距的长/长波双色超晶格焦平面探测器芯片制备。通过与长/长波双色读出电路倒装互连、杜瓦封装、耦合分体式制冷机后，形成长/长波双色超晶格红外焦平面组件。在70K下，通过响应光谱测试，验证了探测器的长/长波双色探测功能。组件性能测试得到，该双色超晶格焦平面探测器的双波段截止波长分别为7.7 μm和10.0 μm，NETD分别为28.8 mK和37.8 mK，并实现了清晰的成像演示，为后续长/长波双色超晶格焦平面探测器迈向工程化奠定了基础。

审核编辑：刘清