长波超晶格探测器制备方面的研究进展

摘要：由于具有带隙可调、电子有效质量大、俄歇复合率低等特点，Ⅱ类超晶格在长波红外和甚长波红外探测方面具有独特优势。介绍了长波超晶格探测器制备方面的研究进展，包括能带结构设计、表面缺陷控制、周期结构控制和表面钝化。最后报道了320 × 256长波超晶格焦平面阵列及其测试性能。结果表明，在77 K工作温度下，该阵列的截止波长为9.6 μm，平均峰值探测率D＊为7 × 1010 cm·Hz1/2/W，噪声等效温差（Noise Equivalent Temperature Difference，NETD）为34 mK，响应非均匀性为7%。

0引言

由于具有可穿透烟雾、抗干扰能力强以及全天候工作等特点，红外探测器在国防和国民经济多个领域得到了广泛应用。随着新需求的不断发展，长波红外探测器呈现良好的市场前景。碲镉汞红外探测器具有量子效率高、响应速度快等优点，已成为目前应用最为广泛的红外探测器。但它在长波波段存在均匀性差、成品率低和成本高的问题，导致高性能长波红外探测器难以得到广泛应用。而Ⅱ类超晶格红外探测器是近年来兴起的一种新型红外探测器，它具有以下几个特点：（1）材料带隙可调，光谱响应可覆盖2 ~ 30 μm波长范围。（2）独特的能带结构决定其具有较大的电子有效质量，并且随着探测波长的增大，电子有效质量却几乎保持不变。在长波红外波段，其电子有效质量约为碲镉汞材料的3倍，导致此类探测器隧穿电流小。（3）通过应变调节能带结构，可以降低俄歇复合率，提高载流子有效寿命，从而实现较高的器件性能（见图1）。（4）Ⅱ类超晶格通常采用分子束外延（Molecular Beam Epitaxy，MBE）生长方式，材料均匀性较高。通过采用晶格匹配且可商业化供给的GaSb衬底，能够生长出大面积、均匀性良好的Ⅱ类超晶格材料，从而易于制备大面阵红外探测器。基于以上特点，研究人员认为Ⅱ类超晶格在制备长波和甚长波红外探测器时具有独特优势，因此是制备新一代红外探测器的优选材料。

图1 不同截止波长及工作温度下Ⅱ类超晶格和p-on-n HgCdTe的理论性能对比

1理论设计

一个在反偏状态下工作的光伏型探测器的暗电流通常包括少子扩散电流、产生－－复合电流、隧穿电流和表面漏电流等。由于材料带隙较宽，Ⅱ类超晶格中波红外探测器的性能受暗电流的影响较小，所以采用p-i-n结构能够实现良好的探测器性能。但对于长波红外探测器来说，若仍使用简单的p-i-n结构，则隧穿电流、产生-复合电流以及表面漏电流等将会大大增加，进而严重制约器件性能。通过设计和引入异质结构，可以抑制以上暗电流，使探测器的暗电流仅由本征扩散电流控制。在光伏结构中，通过在超晶格吸收层两侧分别插入宽带隙的p型势垒层和n型势垒层来形成电子势垒和空穴势垒。双异质结的引入对于探测器暗电流的抑制起到决定性作用：首先，外加偏压的电场主要作用在宽带材料上，使得空间电荷区主要在宽带材料里产生，进而有效抑制器件的产生-复合电流；其次，由于宽带材料的引入，器件的隧穿电流也得到极大抑制；最后，通过在导电通道上引入宽带材料，能够提高其表面电阻率，使器件的整体漏电流得到有效抑制。采用经验紧束缚方法（Empirical Tight-Binding Methob，ETBM）计算超晶格材料的能带结构。在设计中，长波吸收层周期结构由13个InAs分子层和8个GaSb分子层组成（13 MLs InAs / 8 MLs GaSb），而电子势垒层和空穴势垒层则分别由８MLs InAs / 8 MLs GaSb超晶格和16 MLs InAs / 4 MLsAlSb超晶格构成。该异质结构（见图2）能够较好地抑制暗电流，从而提高长波红外探测器的性能。

图2 长波红外探测器的能带结构图

2材料生长与探测器阵列制备

锑化物超晶格材料生长采用固态源MBE系统，其中Sb源和As源均为裂解源（出射束流分别为Sb2和As2），Ⅴ/Ⅲ束流比由束流监测计获得。利用在腔室上安装的反射式高能电子衍射仪（Reflection High-Energy Electron Diffractometer，RHEED）实时观察样品表面状态，并通过表面再构（见图3）来校正温度。InAs层和GaSb层均采用Ⅲ族元素限制生长模式。

图3 基于表面再构转变的RHEED衍射图

在n型GaSb（100）衬底上生长0.5 μm厚的Si掺杂InAsSb缓冲层，然后是0.5 μm厚的n型掺杂16 MLs InAs / 4 MLs AlSb电极层和不掺杂的同周期结构的空穴势垒层，接着是2 μm厚的p型弱掺杂13 MLs InAs/ 8 MLs GaSb长波吸收层（掺杂浓度为1 × 1016 / cm3），最后是8 MLs InAs / 8 MLs GaSb电子势垒层和20 nm厚的Be掺杂GaSb盖层（掺杂浓度为2 × 108/ cm3）。

生长的长波Ⅱ类超晶格材料通过湿法腐蚀完成台面成型。经硫化去除本征氧化层后，采用SiO2/SiON复合膜层进行表面钝化以抑制表面漏电流。通过用热蒸发沉积工艺生长Ti/Pt/Au电极体系来实现良好的欧姆接触。探测器阵列制备完成后（见图4）与读出集成电路（Readout Integrated Circuit，ROIC）倒装互联，从而实现混成耦合。最后对混成芯片的GaSb衬底进行背减薄，并将其封入杜瓦结构进行测试。

图4 长波探测器阵列

3结果与讨论

3.1材料表面缺陷

由于不同厂家的衬底氧化层的厚度和透过率不同，用国产衬底替代进口衬底后，超晶格材料的生长参数发生了变化。以前期优化的超晶格生长条件在新衬底上生长的超晶格材料的表面缺陷大幅增加，如图5（a）所示。缺陷形状为底部近似椭圆的金字塔形，椭圆长轴尺寸约为6 μm，短轴约为3 μm。经200倍光学显微镜观察可知，缺陷密度为2000 cm-2。通过对不同衬底的参数进行表征并对缺陷形状和缺陷分布进行分析，调整长波超晶格材料的生长条件（生长温度等），使材料表面质量得到明显提升。结果表明，材料表面缺陷密度降到800 cm-2以下时，可以满足红外焦平面阵列的制作要求（见图5（b））。超晶格材料表面质量的提升，将会减小长波器件的暗电流，从而提高探测器性能。

图5 长波超晶格材料表面图像：（a）换衬底后外延表面缺陷多；（b）工艺调整后缺陷减少

3.2超晶格周期结构控制

传统碲镉汞（Mercury Cadmium Telluride，MCT）等体材料的带隙由组分决定，而超晶格材料则不同，其带隙由超晶格周期结构中InAs层、GaSb层以及类InSb界面层的厚度决定。尽管在材料生长之前已经设计了确定的周期结构，但在MBE生长超晶格材料的过程中，以下因素通常会导致实际周期结构与设计方案之间存在偏差，比如高温生长中原子互扩散、原子活性不同而产生原子替换、富V族原子生长导致原子混入。

为了表征超晶格材料的实际周期结构，采用高分辨Ｘ射线衍射仪（HighResolution X-Ray Diffraction，HRXRD）对其进行测试和模拟。以长波超晶格材料吸收层为例，首先测试实际衍射曲线，然后根据衍射峰位置模拟出实际结构参数，如图6所示。经模拟得到的InAs层、界面1、GaSb层和界面2的厚度分别为43Å、3 Å、2192 Å和176 Å。通过对比设计值发现存在偏差，InAs层的厚度增加，GaSb层的厚度减小，界面层的厚度稍有增加。结合能带理论分析可知，InAs层和界面层厚度的增加将会导致响应截止波长向长波方向偏移。同理，电子势垒层和空穴势垒层的结构偏差将会使该层能带结构改变，导致暗电流抑制作用减弱或者载流子输运受到阻碍，从而降低探测器性能。

结合上述原因，优化挡板开关顺序和时间，精确控制超晶格材料的实际生长结构。并且通过生长和测试的反复迭代，获得与设计周期结构一致的超晶格材料，以达到能带结构设计目的，进而获得具有良好性能的长波超晶格材料。

3.3长波超晶格芯片的表面钝化

超晶格材料表面极易被氧化，从而形成Ga2O3等多种氧化物导电层。另外，在芯片阵列制备中，台面刻蚀过程会导致晶体周期结构遭到破坏，产生悬挂键，引起表面漏电流。以上两种过程会严重降低Sb基超晶格探测器的性能，因此必须对该探测器进行表面钝化。

图6 长波超晶格吸收层的XRD测试与拟合曲线

与中波超晶格探测器相比，长波器件的带隙小，受暗电流的影响更大，使其表面钝化更加困难。因此，我们结合Sb基超晶格的特点，开发了硫化物钝化工艺。有效去除刻蚀后的本征氧化层，然后通过沉积SiO2/SiON复合膜层进行表面钝化加固，从而增强钝化层的稳定性。结果表明，该方法具有良好的钝化效果。

3.4长波超晶格焦平面阵列测试

我们利用上述工艺制备了长波超晶格材料和320 × 256长波超晶格焦平面混成阵列（见图7），并对其性能进行了测试。图8所示为光学F数为2、工作温度为77 K时的光谱响应曲线。该探测器的截止波长为9.6 μm，平均峰值探测率D＊为7 × 1010 cm∙Hz1/2/W，NETD为34 mK，响应非均匀性为7%。可以看出，这种焦平面阵列具有良好性能。

图7 长波混成芯片

图8 长波超晶格器件的响应光谱

4结论

基于Ⅱ类超晶格在长波探测方面的优势，介绍了我们在长波超晶格探测器制备方面的研究进展。通过设计双异质结构抑制了器件暗电流；优化生长温度等条件后减少了表面缺陷，并通过用软件拟合超晶格周期结构来提高结构控制精度；利用复合钝化层减小了漏电流。采用以上措施制备了320 × 256长波红外焦平面阵列。测试结果表明，77 K温度下的平均峰值探测率D＊为7 × 1010 cm∙Hz1/2/W，NETD为34 mK，响应非均匀性为7%。下一阶段将通过优化长波超晶格能带结构和长波钝化工艺来进一步提高长波超晶格探测器的性能。本文研究对长波超晶格探测器研制及其工程化应用具有参考意义。宏观缺陷密度小于等于100 cm-2、表面平整度小于等于15 μm、表面粗糙度小于等于1.0 nm、位错密度低于5 ×106 cm-2的4in硅基碲镉汞材料。该研究为后续的大面阵碲镉汞探测器研制奠定了坚实的材料基础。

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