总结近十年对中波红外探测器的研究热点

随着中波红外探测器在军事探测、红外成像、红外制导等领域研究潜力日益凸显，本文总结了近年来中波红外探测器的研究热点。主要介绍了中波段高工作温度（High Operating Temperature，HOT）红外探测器和量子阱红外探测器（QWIP）的器件特性、材料结构和发展前景。

中波红外是指在3 ~ 5 mm波段的红外线，该波段属于“大气窗口”，即大气对其的红外辐射透射成分很多。因此，中波红外探测器在大气监测、气体探测和红外对抗等多个方面都有着重要的作用。同时，中波红外在军用红外探测领域具有重大研究价值，尤其是在红外热成像、红外制导方面研究前景广阔。本文总结近年来中波红外探测器的研究热点，介绍三种类型的中波红外探测器：锑化物中波红外探测器、HgCdTe中波红外探测器和量子阱中波红外探测器。

1高工作温度中波红外探测器

通过对选择高性能材料、优化器件结构、改进材料生长和器件工艺，中波红外探测器工作温度（一般是液氮温度）可以提高到更高的温度（约150 K左右），又被称之为HOT红外探测器。HOT探测器的关键技术途径是降低暗电流。它比传统的中波红外探测器具有更高的可靠性、更低的成本、更强的自主性和更小的体积。而HOT工作的主要问题是更高的工作温度会是现有的材料和器件的出现更多的缺陷，产生更大的低频噪声。因此研发高质量的材料、掌握成熟的器件工艺技术（退火、刻蚀、表面钝化、倒装互连等）和改进传统工艺对于研制HOT探测器十分重要。目前，针对中波HOT红外探测器在国内外已经展开了大量的研究，包括nBn结构的InAsSb探测器和热电制冷的HgCdTe探测器等。

1.1锑化物中波红外探测器

美国洛克希德马丁公司的Maimon博士等人针对锑化物超晶格探测器进行了多年的研究，并于2006年发明了“n型锑化物超晶格-势垒-n型锑化物超晶格”（nBn）器件。nBn是一种典型的单极性器件，该器件利用异质结材料能带差主要落在导带的特点，多数载流子电子的导电性能被宽禁带隔离层构成的势垒ΔEc来阻碍了。通过控制偏压，耗尽区大部分位于宽禁带的势垒区，势垒区的产生-复合电流非常小，因此器件暗电流小，能够有高工作温度。采用nBn InAsSb/AlAsSb体材料制备的中波红外焦平面阵列由以色列SCD公司研发。该中波红外焦平面阵列的工作温度为150 K左右，噪声等效温差NETD为20mK。nBn InAsSb/AlAsSb中波红外焦平面的主要有点事可调的器件响应波长、简单的材料结构、易生长的高性能材料等，器件性能十分优越。

图1 nBn结构能带图

特别的是，利用InAs/InAsSb（无镓）型应变层超晶格（T2SLS）吸收器的红外探测器的发展取得了巨大的进步。根据InAs/InAsSb超晶格中少数载频寿命较长，开发处基于这种超晶格的各种红外探测器，包括MWIR探测器，以及偏置可选的双波段MWIR探测器。这种超晶格的红外探测器的结构包括一个n型吸收体区域和n型接触被宽带隙势垒（B）隔开。势垒被设计成单极性的，延伸到导带中以阻挡多数载流子电子在任一方向上的流动，同时在价带中没有阻碍少数载流子从吸收体流向触点的流动。

1.2 HgCdTe中波红外探测器

迄今在各种研究的红外材料中，HgCdTe表现出突出的良好性能，比如有制冷速度快、工作温度高、响应速度快等特点。但同时材料也存在不少缺陷，其材料制备困难，材料稳定性、耐辐射特性和晶体的均匀性差，不利于制作大型的焦平面阵列，器件工艺特殊、成品率低，因此探测器的成本居高不下。同时，有着较高的俄歇复合速率，隧道电流和暗电流也较大，因此为了改善性能，常常将探测器在低温下工作，这使得器件在实现小型化、低成本和便携性方面有不少困难。因此，如何缩小器件尺寸、降低成本、提高器件性能也是当前HgCdTe红外探测器研究的关键问题。

近年来，采用热电制冷的HOT红外探测器得到了飞速发展。热电制冷的原理是塞贝克效应：将直流工作电压加在热电制冷器两端，其正面制冷（冷端），背面发热（热端）。在冷端粘接探测器，在热端固定金属散热块。调节热电制冷器两端的电压差，可控制其制冷温度，使探测器在合适的工作温度稳定工作。热电制冷红外探测器的响应率与工作温度负相关，热电制冷可以降低工作温度，从而减小探测器的噪声，提高其探测率和响应率。利用一级或多级热电制冷的HOT红外探测器是一种兼顾非制冷型热探测器和制冷型光子探测器的优点的高性能探测器，并且其具有比非制冷型热探测器更高的探测率和更快的响应速度。

2量子阱中波红外探测器

量子阱红外探测器（QWIP）近年来也常被研究在中波红外波段的应用，具有良好的应用前景。通常研究者利用两层或三层叠加的非对称耦合量子阱（QWs）和对称量子阱来实现对中波红外和长波红外波段的多个红外辐射波段的检测，研究了许多不同类型的QWIP。与HgCdTe红外探测器相比，QWIP探测器的量子效率相对较低，通常低于10%。该探测器的光谱响应波段也很窄，其在全宽度夏半最大值约为15%。所有截止波长为9 mm的QWIP数据在工作温度为77 K时，均集中在1010～1011cm·Hz1/2/W-1之间。相反，由于HgCdTe材料所涉及的问题（p型掺杂、Shockley-Read复合、陷阱辅助隧道、表面和界面不稳定性），HgCdTe红外探测器在50K以下温度范围内的优势并不明显。

这里介绍一种多量子阱（MQW）结构的中波红外探测器。多量子阱结构的每个周期由40Å耦合量子阱组成，包括10Å GaAs，20Å In0.3Ga0.7As和10ÅGaAs层（掺杂n = 1 × 1018 cm-3），和在耦合量子阱之间的40Å未掺杂的In0.3Ga0.7As壁垒，以及一个400Å厚度的未掺杂的In0.3Ga0.7As壁垒。将许多相同的周期（通常为50个）连接在一起可以增加光子吸收。通过向GaAs和Si层掺杂，在探测器中提供基态电子。这种光敏发光结构是夹在0.5 μm GaAs顶部和底部接触层（掺杂n = 5 × 1017 cm-3）半绝缘性GaAs衬底上生长的分子束外延。然后300Å Al0.3Ga0.7As蚀刻停止层上面一层厚0.7 μm GaAs覆盖层原位生长在高端设备制造的光耦合光学腔结构上。这种结构的探测器在有限的背景性能条件下，噪声等效微分温度在折痕积分时间内得到改善。并且，随着量子阱掺杂密度的增加，吸收量子效率可以进一步提高到60 - 70%。因此，设备的操作温度会降低。

3总结

本文总结近十年对中波红外探测器的研究热点，主要是HOT红外探测器和量子阱红外探测器。特别的是，HOT红外探测器在中波红外波段的应用被科学家们广泛地研究，包括nBnInAsSb/AlAsSb体材料制备的中波红外焦平面阵列和热电制冷型HgCdTe红外探测器等研究成果。HOT红外探测器与传统的中波红外探测器相比，具有更小的暗电流、更高的量子效率和更高的工作温度等优点。另外，量子阱红外探测器在50 K以下相比HgCdTe红外探测器相比更具有优势，因而也被科学家们大量研究。