Ⅱ类超晶格红外探测器国内外研制现状

1引言

航天光学遥感器是遥感卫星的核心，为了提高遥感卫星的应用水平，用户对后续航天光学遥感器提出了多谱段、远红外、高性能、长寿命和高可靠性等越来越高的要求，红外遥感器已成为航天光学遥感器发展的必然趋势。红外遥感器具有自身的优势：更好的全天候性能；可利用目标和背景红外辐射特性的差异进行目标识别、揭示伪装；可以穿透云烟，探测到可见光无法探测的景物；隐蔽性好。因此，红外光学遥感在军事、气象、水文、地质、环境监测、农业和林业等方面都有可见光遥感无法比拟的优势。

随着红外遥感器的发展，高性能红外探测器的需求也越来越迫切，目前应用最为广泛的红外探测器是碲镉汞红外探测器。Smith和Mailhiot在1987年将InAs/GaSb Ⅱ类超晶格材料应用于红外探测器，Ⅱ类超晶格材料组合是一种材料的能带不包含另一种材料的能带材料，分为“交错型”和“错开型”，Ⅱ类超晶格红外材料的出现克服了碲镉汞红外探测器存在的问题，同时又具备其优势；通过调节材料的能带结构和带隙，使其工作在3 - 30μm的任意波段范围，有利于实现双色及多色探测需求；通过材料设计可抑制俄歇复合及暗电流，提高焦面工作温度，节约卫星功耗资源，有效降低制冷压力；量子效率高，可以吸收正入射，缩短了探测器积分时间，响应时间快；遂穿电流小，可以获得高的探测率，尤其对长波和甚长波有益；利用MBE进行材料生长，均匀性好，成本低，有利于研制均匀大规模器件，因此Ⅱ类超晶格将成为第三代红外探测器的首选材料。

2空间红外遥感器对红外探测器的需求分析

红外探测器的研制水平直接决定红外遥感器的发展水平，我国空间红外遥感器技术水平较美国和欧洲等发达国家还存在一定差距，其根本原因之一就在于国内红外探测器研制技术水平落后于国外红外探测器研制技术水平。因此，国内要研制出高性能水平的红外遥感器，必须首先研制出高性能红外探测器。

目前随着用户需求的提高，国内红外遥感器的研制包括了资源、环境、气象、海洋、红外侦察和红外预警等多种类型，并且对红外遥感器的性能提出了越来越高的要求，高空间分辨率、高光谱分辨率．高时间分辨率、多谱段探测、低功耗等已成为红外遥感器的发展重点。为满足红外遥感器的应用需求，研制出高性能的红外探测器已成为亟待解决的主要问题，国内红外探测器的发展水平已经有了很大的提高，目前可以预见的红外探测器需求如下：

（1）从器件规模来讲，线列红外探测器的元数应该能够覆盖32 -10000元的范围，面阵探测器的元数应该能够覆盖256 x 256 - 4K x 4K元的范围；

（2）从工作谱段范围来讲，红外探测器的工作谱段应该能够覆盖0.85 - 12.8μm的范围；

（3）从谱段集成化来讲，红外探测器的研制需要向双色（或双谱段）或多色（或多谱段）集成技术方向发展；

（4）从节约能源的角度来讲，红外探测器的研制需要向提高焦面工作温度、减小红外探测器包络尺寸方向发展；

（5）从可靠性和工作寿命来讲，红外探测器的寿命应该能够覆盖3 - 8年。

从前面的介绍可以看出，为了研制出高水平的线阵、面阵红外光学遥感器，满足未来我国航天红外遥感发展需求，提高我国红外遥感能力，红外探测器的研制需要发展以下技术：

（1）发展大规模红外探测器技术，为了更好提高红外光学遥感器性能和可靠性，降低红外遥感器的设计难度，低轨道遥感卫星越来越乡的采用推扫成像模式，静止轨道越来越多采用凝视成像模式，因此需要研制出规模更大、分辨率更高的红外探测器。而面临的问题是以目前探测器的研制情况来看，大规模探测器需要大冷量和高可靠性的制冷机作为支撑，为了降低制冷机的研制难度，提高探测器制冷机组件的可靠性，需要研制一种新型红外探测器，其焦面工作温度较目前使用的探测器焦面工作温度有所提高。

（2）发展双色（双谱段）或多色（多谱段）探测器技术，随着探测器材料、器件和系统技术的进步，红外探测器需要向多谱段集成方向发展，一方面由于多色探测器可以共用一个光学系统，能同时获得多个谱段的目标信息，大大简化相机研制难度，另一方面多个谱段图像数据融合，可以获得目标的“彩色”热图像，可以更丰富、更精确、更可靠地获得目标信息。因此，为了着眼于未来高性能红外光学遥感器的发展需求，需要研制高性能的双色或多色红外探测器。

（3）发展甚长波红外探测器技术，甚长波红外波段具有最高的大气窗口目标辐射能量，是红外探测技术中非常重要的波段。这一波段的红外焦平面探测器能提高探测系统的探测距离、缩短探测时间和精确探测目标温度等，具有十分重要的需求背景，无论是军事还是民用遥感和空间科学研究，甚长波谱段都有明确需求，但是目前国内成熟的红外探测器谱段范围与甚长波谱段需求还有一定差距，其瓶颈技术是甚长波探测器材料与工艺，因此需要加快甚长波探测器的研制脚步，满足甚长波红外光学遥感器的应用需求。

（4）发展长寿命高可靠性红外探测器技术，目前越来越多的空间光学遥感器都提出了8年寿命应用需求，随着遥感器长寿命的要求，作为遥感器核心部组件的红外探测器也必须保证8年使用寿命，因此需要研制出更高可靠性的红外探测器，以满足遥感器8年寿命应用需求。

3Ⅱ类超晶格红外探测器国内外研制现状

3.1国外研制现状

（1）德国AIM/IAF

2004年，德国AIM/IAF研制出了第一个中波SLS热像仪，像元尺寸40μm；AIM/IAF报道了像元间距为24μm的384 x 288中波探测器，截止波长4.9μm，积分时间1ms，NETD为28mK，F数2.4；2006年AIM与IAF报道了384 x 288双色Ⅱ类超晶格红外探测器，像元间距为40μm，探测波长为3 - 4μm和4 - 5μm，NETD分别为<12mK和<22mK，F数均为2，积分时间均为2.8ms；并制备了像元间距为30μm的256 x 256双色SLS探测器，图1为AIM研制的384 x 288中波单色和中波双色热图像。

图1 AIM研制的SLS探测器中波单色及中波双色热像图

（2）美国西北大学量子器件中心

美国西北大学量子器件中心研制出了M-结构的超晶格材料，降低了长波、超长波探测器中遂穿及扩散电流，因此将暗电流降低了1个数量级。利用此结构制备出了长波和甚长波红外探测器。

2012年，美国西北大学量子器仵中心研制了1024 x 1024长波探测器，截止波长达到11μm，NETD在制冷温度81K时达到23.6mK，68K时达到22.5mK，量子效率达到78%，成像效果如图2所示。

图2 1024 x 1024长波探测器

（3）喷气推进实验室

2007年，Raytheon、JPL联合报道了工作温度为78K，截止波长为10.5μm，30μm中心间距的256 x 256长波Ⅱ类超晶格焦平面。2009年制备了截止波长为12μm的长波红外探测器，规格为1024 x 1024。2010年制备了1024x 1024截止波长为11μm的长波红外探测器，87K时，背景限探测率为1.1 x 1011。

（4）瑞典爱尔诺

瑞典爱尔诺红外公司已经有实用化的Ⅱ类超晶格产品，3.2 - 5μm中波320 x 256长波红外探测器，NETD可达到12mK。

3.2国内研制现状

（1）中科院半导体所

国内开展Ⅱ类超晶格材料研究起步较晚，中科院半导体所主要开展Ⅱ类超晶格红外探测器材料的研制，目前相关研制小组已经研制出截止波长为10μm和16μm的Ⅱ类超晶格红外探测器材料，工作温度为77K。

（2）武汉高德红外公司

武汉高德红外公司通过采购半导体所研制的Ⅱ类超晶格红外探测器材料，制备了国内第一款长波面阵器件，器件规模为320 x 256，后截止波长达到10.5μm，NETD小于20mK，像元中心均为30μm，焦面工作温度≥68K。

（3）其他单位

国内探测器研制单位，如中电11所、中电44所、兵器211所和上海技物所都开展了Ⅱ类超晶格红外探测器的相关研究。

4Ⅱ类超晶格红外探测器在空间红外遥感应用中的优势

（1）在工作温度方面的优势

相比较目前常用的HgCdTe红外探测器而言，Ⅱ类超晶格红外探测器焦面工作温度提高。对于制冷型红外焦平面探测器，制冷机的制冷功率大小与探测器焦面工作温度、探测器组件的重量、体积以及探测器的工作寿命等直接相关，制冷功率大小是一个重要考虑因素。目前国内研制的甚长波红外探测器，探测器规模大，截止波长较长，对制冷机的冷量需求很大，加大了制冷机的研制难度，同时对卫星的功耗资源带来一定负担。对于重量、体积、结构形式及工作寿命相同的红外探测器组件，在相同截止波长的情况下，Ⅱ类超晶格红外探测器焦面工作温度提高，焦面工作温度越高，所需的制冷机冷量越小，制冷机所需的制冷功率也就越低，一方面降低了制冷机和制冷控制器的研制难度，另一方面可以有效节约卫星功耗资源，节约成本，同时可以提高系统的可靠性。因此，Ⅱ类超晶格红外探测器在工作温度方面有很大的优势。

（2）在发展双色或多色器件方面的优势

空间红外遥感器采用多色探测器，可在复杂的背景环境下，提高目标的识别能力，采用多色探测技术并结合目标在不同波段下的特点，可以显著提高识别距离。采用多色方案，光谱信息可以有效地区分目标特性。传统的双色或多色探测技术大多依赖于光学系统分光的数个独立单色成像器件完成，这样就使得遥感器复杂度高、体积大、功耗大以及可靠性降低，因此，在降低遥感器系统复杂度、体积、功耗以及提高可靠性等需求驱动下，发展双色或多色成像探测器是必然选择。通过调节Ⅱ类超晶格的能带结构和带隙，可以很好的响应3 - 30μm之间的任意谱段，利于实现双色或多色探测需求，在发展双色或多色成像器件方面，Ⅱ类超晶格红外探测器有明显的优势。

（3）在发展均匀大面阵及节约成本方面的优势

随着空间红外遥感器技术及用户的应用需求的不断提高，采用大规模及超大规模红外探测器可以提高遥感器空间分辨率，大规模及超大规模红外焦平面探测技术已成为红外焦平面探测器发展的必然趋势。红外探测器在规模上的制约主要来源于探测器芯片尺寸的增大所带来的读出电路尺寸以及探测器敏感材料尺寸增大，以至于难以制造，也难以解决低成本、高性能、高均匀性的问题，并且波长越长，该问题就越突出。对于目前广泛应用的HgCdTe红外探测器，其材料尺寸没有实质性的限制，晶格匹配的ZnCdTe衬底已经做到70mm × 70mm左右，能够满足4096 × 4096（15μm中心距）焦面尺寸需求。更大的衬底材料在技术上没有原理性困难，大尺寸ZnCdTe衬底的主要问题是成本限制，ZnCdTe衬底由于材料热导率、缺陷形成能较低等固有性质导致单晶材料生长成本高，特别是分子束外延所需的晶面大面积材料受到孪晶等限制，在成本意义上获取大面积材料仍然存在一定困难。对于Ⅱ类超晶格红外探测器，其基于Ⅲ - Ⅴ材料生长技术，均匀性好、便宜，利用MBE进行材料生长，具有很高的设计自由度，探测器均匀性好。可见，Ⅱ类超晶格红外探测器在发展均匀大面阵器件及节约成本方面有很大的优势。

随着空间红外遥感技术的快速发展，对红外探测器的需求指标越来越高，Ⅱ类超晶格红外探测器以其明显的优势获得了越来越多的青睐，将会成为红外探测器发展的必然结果。

5Ⅱ类超晶格红外探测器针对空间红外遥感应用需要攻克技术难点

Ⅱ类超晶格红外探测器在空间红外遥感应用中有很大的优势，在研制过程中还需要克服一些技术难点，包括材料均匀性控制、生长界面控制、原子扩散和应变补偿、剩余杂质浓度控制以及侧壁钝化等方面的难题。

（1）材料均匀性控制

要获得想要的截止波长，每层InAs/GaSb超晶格层的厚度大约在15 - 90A，因此控制每层材料生长的均匀性显得非常苛刻。这对衬底质量、设备能力要求、工艺控制要求极高。由于GaSb衬底不像Si、GaAs一样成熟，在材料生长和清洗上还有一定的工艺难度，表面缺陷、划痕、氧化层厚度和类型等对外延膜均匀性和质量均有很大影响；MBE具有外延单原子层的能力，但如何实现对相应的材料具备相应的工艺，包括去氧化层工艺、生长速率的准确测试、生长温度选择、生长速率选择等都提出了很高要求，这些问题均成为材料均匀性控制的难点，还需要在工艺中慢慢摸索。

（2）生长界面控制

InAs/GaSb Ⅱ类超晶格由于InAs层与GaSb层Ⅲ族元素与Ⅴ族元素的原子都不相同，因而在界面处可以形成两种界面类型，即Ga和As原子结构形成GaAs界面，以及In和Sb原子结合形成InSb界面，这两种界面分别被称为GaAs-like界面和InSb-like界面。相比较GaAs-like界面，InSb-like界面被认为更有利于红外探测器性能的提高。由于晶格的失配，GaAs-like界面和InSb-like界面都将在界面处引入应变，从能带方面考虑，InAs/GaSb Ⅱ类超晶格中，光跃迁发生在界面处InAs层电子和GaSb层中空穴。在InSb-like界面处，InSb层增加了能带的排列，加强了波函数之间的重叠。但是，在GaAs-like界面处，形成了一个电子和空穴的势垒层，减少了波函数的重叠，从而减少了光跃迁的发生。因此，在超晶格材料生长的过程中，主要考虑如何实现InSb-like界面。如何控制界面类型成为InAs/GaSb Ⅱ类超晶格器件的首要技术难点。

（3）原子扩散和应变补偿

因为GaSb表面富集Sb，在GaSb衬底上生长的InAs层中引入了Sb，这样会影响生长材料的质量。由于InAs（6.0583A）和GaSb（6.09593A）之间存在晶格突变，晶格失配约为0.62%，由于InAs的晶格常数小，In- As、Ga - Sb原子间结合能差别较大，从而导致要获得高质量超晶格材料的难度较大，原子扩散和应变补偿是Ⅱ类超晶格器件的难点之一，可以通过材料设计、引入缓冲层等技术手段方面解决这一难题。

（4）剩余杂质浓度控制

对于p - on - n光伏型探测器，背景载流子浓度对整个红外探测器的性能有着至关重要的作用，在很大程度上决定着少数载流子的寿命和扩散长度，从而影响探测器的量子效率及探测率。材料的本底浓度增强，俄歇复合速率提高，俄歇复合是探测器暗电流的重要来源。美国DRS红外技术公司指出，高温工作的红外探测器需要材料的本底载流子浓度小于1014cm-3，以抑制俄歇复合。由于本征缺陷，带来了较高的n型掺杂浓度。因此，与HgCdTe材料相比，Ⅱ类超晶格材料仍然显示较短的载流子寿命，较大的暗电流，降低InAs/GaSb超晶格材料的本底浓度是进一步提高探测器性能的关键。

（5）侧壁钝化

对于器件工艺而言，表面钝化是一个关系器件性能好坏的关键工艺，由于台面隔离暴露了有源区，暴露出的台面侧壁被认为是暗电流的主要贡献者。对于侧壁钝化，目前采用了不同的清洁方法、化学处理、介电层Si02和Si3N4覆盖、硫化铵钝化、浅腐蚀台面隔离、二次外延等方法，但是降低表面漏电流仍然是目前各谱段器件工艺有待进一步完善的技术难题。

6结论

针对空间红外遥感应用需求，从Ⅱ类超晶格红外探测器的原理及优点、国内外研制现状、在空间红外遥感应用中的优势、需要攻克的技术难点这几个方面进行了介绍。Ⅱ类超晶格红外探测器有很多优点，为其在空间红外遥感器中的应用带来了明显优势，Ⅱ类超晶格红外探测器具有很好的光电性能，使用Ⅱ类超晶格红外探测器，可以降低空间红外遥感器的研制难度，节约成本，并且有较高的可靠性。但是，Ⅱ类超晶格红外探测器还有很多技术难点需要攻克，从我国目前研究情况来看，还需要不断完善研制工艺，积极探索其中的领域，从而对Ⅱ类超晶格红外探测器的研制有一个新的突破，以满足不断增加的空间应用需求。