基于InAs/GaSbII类超晶格的长波红外探测器

摘要：武汉高芯科技有限公司从2014年开始制备基于InAs/GaSbII 类超晶格的长波红外探测器。在本文中，报道了像元规模为640 × 512，像元间距为15 μm的长波红外焦平面探测器。在77 K时，器件的50%截止波长为10.5μm，峰值量子效率为38.6%，当F数为2、积分时间为0.4 ms时，测得器件的噪声等效温差为26.2 mK，且有效像元率达99.71%。本文通过分子束外延（molecular beam epitaxy，MBE）技术与成熟的III-V族芯片技术，成功地验证了在大于10 μm的长波波段，用超晶格代替HgCdTe实现国产化并大规模量产的可行性。

关键词：InAs/GaSbII类超晶格；640 × 512；长波红外；焦平面探测器

0引言

自20 世纪80年代D.L.Smith首次提出InAs/GaSb II类超晶格可以作为高性能红外探测器的应用材料以来，其优良的性能受到了广泛的关注。特殊的能带结构，使其拥有与HgCdTe相似的光学性能，同时在抑制俄歇复合与隧穿电流的方面有天然的优势。随着II类超晶格在红外成像技术方面的快速发展，其性能已经接近HgCdTe。

除此之外，基于III-V族的材料生长与成熟的芯片工艺，通过MBE技术可在大尺寸的晶圆上获得高质量的外延，在成熟的III-V族芯片工艺线上可获得高良率的芯片，都使得InAs/GaSb II类超晶格芯片的大规模、低成本生产易于实现。

InAs/GaSb II类超晶格通过调节叠层材料的厚度可以实现多波段全覆盖，我们于2015年报道了320 × 256短波、中波、长波焦平面探测器，其中中波NETD达到12.4 mK@80 K，长波NETD达到15mK@80 K，短波探测器信噪比≥100@80 K。本文主要报道在像元规模为640 × 512、像元间距为15 μm的InAs/GaSb II类超晶格长波红外焦平面探测器方面取得的最新研究成果。

1器件制备

1.1材料结构

美国西北大学量子器件中心提出了一种M型超晶格结构，该结构对于暗电流的降低起到了显著的作用。由于AlSb的带隙宽度大于InAs/GaSb超晶格，通过在InAs/GaSb中引入Al组分来形成M型势垒层结构，可以对电子或空穴进行有效的阻挡，从而抑制表面漏电与隧穿电流的产生。

探测器采用p-π-M-n双异质结结构，如图1所示，利用MBE技术在GaSb衬底上依次生长p型缓冲层、500 nm的InAs/GaSbp型接触层、2 ~ 3 μm的长波段InAs/GaSb吸收层、800 nm的InAs/GaSb/AlSbM型势垒层、500 nm的InAs/GaSb n型接触层以及20 nm的n型GaSb。

图1 p-π-M-n双异质结超晶格红外探测器

1.2芯片工艺

完成MBE材料生长后，首先利用光刻与电感耦合等离子体（inductively coupled plasma，ICP）干法刻蚀来实现阵列台面隔离，实验证明，当气体比例Ar:Cl2:H2＝22 时，能够获得较低的刻蚀损伤及平滑的侧壁，再通过电化学阳极硫化生长～20nm的硫化层以及等离子体增强化学气相沉积（plasma enhanced chemicalvapor deposition，PECVD）在300℃下沉积500 nm的SiO2，保证器件获得较好的侧壁钝化效果及耐温性能，再利用蒸发设备完成Ti/Pt/Au ＝ 50/50/300 nm的接触电极以及4 μm的铟凸点的制备，如图2所示，待完成划片后，将单个模块与读出电路（ROIC）倒焊互联，再将芯片减薄至60 μm，并通过抛光、抗反膜生长等工艺来完成芯片的制备，如图3所示。最后通过焦平面测试系统对引线键合后的芯片进行测试。

2结果与讨论

将芯片封装成真空杜瓦中，其中滤光片前截止为7.7 μm，通过单色仪光谱测试系统对焦平面探测器在77 K下测得：探测器的50%截止波长约为10.5 μm，然后将测得的相对响应光谱经过计算得到量子效率与波长的关系如图4所示，其峰值量子效率约为38.6%。

探测器的量子效率可能提高的方向有：①优化外延吸收层厚度，提高单次吸收效率。②调节ICP刻蚀条件，降低侧壁角度与粗糙度，优化光信号反射路线。③通过优化抛光，抗反膜生长等工艺提高器件的外量子效率。

图2 扫描显微镜图

图3 芯片工艺结束

图4 量子效率随波长的变化

利用焦平面暗电流测试系统对探测器在77 K下进行测试，结果如图5所示：偏压为-50 mV时，暗电流密度Id为3.8×10-5 A/cm2，动态电阻面积RA为2.4×103 cm2；偏压为-150 mV时，Id为9×10-4 A/cm2，RA为4.9×102 cm2。

图6为探测器面对20℃黑体且无非均匀性校正情况下的输出信号图，可以看出此长波探测器的整体均匀性很好，且无大团簇。探测器的响应非均匀性达4.61%，输出的响应信号非常均匀，如图7所示。

图5 I-V与R-V曲线

图6 探测器输出信号图

图7 探测器响应信号图

通过焦平面测试系统面对黑体温度20℃ ~ 35℃，在77 K、F数为2、帧频为25 Hz、积分时间为0.4ms（半阱）的测试条件下采集响应信号与噪声信号，测得探测器性能：去盲元后，平均NETD为26.2 mK，有效像元99.71%。图8为NETD直方图，可以看出，近32万多个像元的NETD分布区间（近10 mK）非常窄，均匀性较好，探测器的整体性能较为突出。

图8 NETD直方图

3组件成像及国内外性能对比

将杜瓦测试后的焦平面器件封装成探测器组件。用我们已经量产640 ×512、像元间距为15 μm的HgCdTe中波焦平面探测器，与本文所报道的640 × 512、像元间距为15 μm的InAs/GaSb II类超晶格长波焦平面探测器（7.7 μm前截止滤光片）做成像对比。用普通打火机与中波窗口（100%完全截止7 μm）作为辅助道具。

如图9所示，长波探测器成像图中的火焰轮廓（高温CO2）要明显小于中波探测器，且用中波窗口遮挡后，火焰信号消失，未被中波窗口遮挡的部分还能看到些许尾焰。对比结果可以发现，面对温度区间为200℃ ~ 800℃的高温物体，长波较中波能显示更多的有效信息。

图9 640 × 512@15 m中波&长波探测器的成像对比

相比于HgCdTe，超晶格作为一种新型的、极具潜力的红外材料而被国内外各大研究机构纳入重点研究计划。表1为报道的部分国内外超晶格长波红外探测器性能对比。对比可以发现，本文报道的640 ×512的InAs/GaSb II类超晶格长波红外焦平面探测器基本达到了国际主流水平。

表1 部分超晶格长波探测器性能对比

4结论

本文主要报道了我们在640 × 512的InAs/GaSb II类超晶格长波红外焦平面探测器方面取得的最新成果，77 K 的温度时，探测器的50%截止波长~10.5 μm、峰值量子效率约38.6%、噪声等效温差NETD为26.2 mK、有效像元99.71%、响应非均匀性4.61%。探测器具有良好的均匀性，整体性能较为突出，对本司后期的量产有重要的指导意义。