超晶格材料与中长波红外探测器件

1 重大需求分析

III-V族化合物半导体是目前最为重要的半导体光电子材料体系，其光波段覆盖了紫外（AlGaN）、可见光（GaN基）、近红外（GaAs基和InP基）到中远红外（GaSb基）。其中，锑化物光电子器件工作波段可覆盖2 - 30μm的中远红外区域，是高分辨、高探测率、主被动结合的第三代红外技术重要发展方向。该材料体系中的InAs/GaSb纳米结构材料具有特殊Ⅱ型能带结构，改变InAs和GaSb子层厚度就可在中红外波段内进行拓展和调节，并能对俄歇复合、隧穿电流起到抑制的作用。其整体的吸收效率也并不逊于HgCdTe探测器，而成本、尺寸及均匀性上又可与量子阱红外探测器相媲美。因此InAs/GaSb纳米异质结构材料被认为是制造第三代红外焦平面（FPA）芯片和雪崩二极管（APD）的最佳选择之一。同样对于发光器件，InGaAsSb/AIGa（In）AsSb纳米结构材料的能带宽度可以在2 - 4μm内自由调节，更优可通过调节In和Al的组分配比来更自由调节垒与阱两种材料之间的价带带隙差的五元势垒，提供了尽可能高的空穴限制从而极大的抑制热载流子泄露，提高光电转换效率，因而是实现2 - 4μm波段大功率室温连续激射的最佳半导体材料。由此可见，Sb化物纳米结构材料在研制中红外半导体器件上具有得天独厚的优势，并有着迫切的应用需求。

2 国际重大进展

锑化物纳米结构光电器件的研究主要包含以下几个方向：（1）CaSb单晶与外延衬底材料；（2）超晶格材料与中长波红外探测器件；（3）量子阱材料与红外激光器件。

2.1 GaSb单晶与外延衬底材料

锑化物材料与器件取得发展的重要基础之一，就是GaSb单晶及衬底制备技术的出现及不断完善。20世纪70年代，虽然理论上预言了锑化物是制造高性能红外光电器件与低功耗高速电子器件的理想材料，但当时还无法制备出外延用高质量GaSb衬底，外延技术也不成熟。因此，在之后的几十年的时间中，锑化物的发展并未取得实质进展。进入21世纪后，英国Wafer Technology（WT）公司采直拉法（CzoChralski法）生产的直径2 - 4 inGaSb衬底，其表面位错密度（EPD）小于1000 cm2，满足了外延生长和高性能器件制备的严格要求。目前，大部分已知高性能锑化物光电器件都采用了该公司的衬底。随着锑化物器件性能的不断提升，其应用前景日趋明朗，应用领域高度敏感。2009年开始，该公司产品实施包括中国在内的出口禁运。近年来，中国科学院半导体研究所自主开发了GaSb单晶和衬底材料制备技术，目前能够小批量生产GaSb衬底，其质量与WT公司接近。这为国内单位组织锑化物相关研究和发展提供了重要保障。

2.2 超晶格材料与中长波红外探测器件

高性能红外探测器的研究长期以来是国际前沿和热点。20世纪90年代提出的第三代红外探测技术主要具备3个特征：（1）高工作温度、高探测率、高量子效率；（2）多光谱、高分辨率、大面阵；（3）低成本、低制备难度。与当前最主流的碲镉汞（MCT）红外材料相比，锑化物InAs/GaSb超晶格（SL）以其独特的能带特性和材料制备技术成为目前开发第三代红外探测器的最优选材料之一。理论证明，Sb化物的SL能带带隙可以调节覆盖2.0- 30μm的红外波段，其量子效率与MCT相当，暗电流低于MCT。2000年开始，多个著名实验室，包括德国弗朗霍夫协会应用固体物理研究所（Fraunhofer-lnstitut für Angewandte Festkörperphysik，IAF）、AIM公司（Infrarot-ModuleGmbH）、美国西北大学（Northwestern University）量子器件中心（Center for Quantum Devices，CQD）、新墨西哥大学（University of New Mexico）高技术材料研究中心（Center for High TechnologyMaterials，CHTM），以及美国空军实验室（AirForce Research Laboratory，ARL）、海军实验室（Naval Research Laboratory，NRL）、喷气推进实验室（Jet Propulsion Laboratory，JPL）、国家反导弹机构（National Missile Defence System）、波音国防和太空研究中心（Boeing Defense，Space ＆ Security Communications）、陆军作战实验室、马里兰大学（Universityof Maryland）等，先后掌握了先进的锑化物SL材料能带理论、SL材料外延和器件设计技术，开发了适于锑化物的材料器件先进工艺技术，实现了分子束外延对掺杂、超晶格界面、少子寿命、外延缺陷密度的精确控制，探测器综合性能在短短10多年的时间里得到迅速提高，在以下几个方面都达到或超越了MCT探测器（其发展历程为60多年）。

（1）面阵规模。至2012年，中长波双色探测器最大阵列规模为640 × 512，单色SL探测器阵列达到1024 × 1024。

（2）探测效率。至2012年，3 - 16μm SL探测器D*已经非常接近MCT探测器液氮温度（78K）的理论值。锑化物SL中红外探测器D*达到1 × 1013cmHzW（探测率），量子效率为85%，长波及甚长波锑化物SL探测率的均匀性明显优于MCT。

（3）工作温度。中波段超晶格探测器工作温度处于77 - 185开尔文区间，长波、甚长波SL探测器工作的温度性能优于MCT探测器。

（3）暗电流。2012年的数据表明，3 - 16μm锑化物SL探测器ROASL与MCT探测器阻抗值RoAMCT已经非常接近，在长波范围超晶格探测器的阻抗性能或暗电流水平与MCT探测器相比有一定优势，如图1所示。

图1 目前II类超晶格的器件阻抗已经达到与MCT相当的水平

最近几年，锑化物SL红外探测器正在走向应用。2006年，德国Fraunhofer研究所首先制造出288 × 384双波段中红外FPA原型器件后，迅速与AIM公司合作开发出实用双色红外FPA成像系统。2009年，美国国防部先进研究项目局（Defense Aclvanced ResearchProjects Agency，DARPA）设立专项FASTFPA计划，集中了美国西北大学、新墨西哥大学、海军实验室、喷气推进实验室，英国IQE公司、雷神公司、FLIR系统公司、BAE系统公司等英、美红外器件和系统制造先进机构，部署了InAs/GaSb SL焦平面器件与系统应用的研究计划。2013年，瑞典IRnova公司则全面推出自己在高工作温度的中波段红外探测器产品。2013年初，Teledyne Imaging Sensor公司也开始涉足锑化物红外探测器技术领域，并于今年推出了性能与同型碲镉汞探测器指标一致甚至部分超越的超晶格红外探测器产品，如图2所示。

图2 Teledyne Imaging Sensor公司640x 512超晶格中波段高工作温度红外焦平面探测器组件，阵列规模：640 × 512、响应波段：0.4 - 5.0μm、NETD<20mk（f/3.5），具备重量轻、体积小可靠性高等技术特点

2.3 量子阱材料与红外激光器件

锑化物I型量子阱（QW）和带间级联ICL量子阱结构是实现1.85- 4μm波段电泵浦在室温中连续工作的高效率半导体激光器的核心材料体系。锑化物I型QW工作波段2 - 3μm，ICL工作波段2 - 4μm。美国NRL、JPL、纽约州立大学石溪分校，德国Franhofer IAF研究所、慕尼黑工业大学、DILAS公司、Nanoplus公司等近几年先后开发出了高性能Sb化物激光器。例如，德国DILAS公司产品有1.85 - 3.0μm波段的单管激光器、Bar条激光器，其中1.94μm单管QW激光器的室温连续功率2W，脉冲功率9W，电光转换效率（Wall-plug efficiency）为19%，工作电流10A时效率为13.5%，寿命达7000h；2.9μm单管QW激光器功率为360mW（10℃）；10Bar条集成1.9μm QW激光器20℃下连续输出功率140W。美国NRL2013年制备成功ICL结构3.7μm激光器在20℃下输出功率达到470mW。德国Nanoplus公司采用侧面金属光栅，使单模分布反馈式（DFB）激光器在0. 76 - 6.0μm波段任意中心波长里实现了小于3MHz的超窄线宽和高边模抑制比（SMSR）。2011年，美国国家航空航天局（NASA）发射了“好奇号”火星探测器；探测器上搭载了Nanoplus公司的Sb化物QWDFB激光器和JPL的ICL DFB激光器，用于火星表面气体成分分析（见图3）。2012年“好奇号”到达火星后，科学家成功分析出火星表面H20（特征吸收峰2.783μm），CO2（特征吸收峰2.785μm）和CH4（特征吸收峰3.3μm）3种气体浓度，检测灵敏度达到了2ppm（H2O，CO2）和2ppb（CH4）。从国际总的趋势来看，现在锑化物纳米结构激光器激射波长拓展和激射功率提高是未来发展的重点。

图3 美国“好奇号”火星漫游车及搭载的气体样品分析系统示意图

3 国内研发现状

锑化物材料包含的各种元素（如Ga、In、Sb等）已经成为欧盟等发达国家认定的具有战略意义的资源，这些元素的矿藏储量和产量一半以上来自中国。中国科学院半导体研究所目前能够提供GaSb单晶材料和最大直径为7.5cm的GaSb衬底，其物理性质基本达到国外先进水平。

锑化物SL红外探测器的研究起步较晚。中国科学院半导体所和上海技术物理研究所近年来相继在GaSb基InAs/GaSb超晶格焦平面器件的研究中取得阶段性成果，2010年和2011年先后实现了5μm和9μm波段探测器。2013年，中国科学院上海技术物理研究所首先制备成功128 × 128像元单色红外焦平面探测器。随后中国科学院半导体研究所与中国空空导弹研究院合作也获得同样的结果，并进一步研制双色红外焦平面。华北光电技术研究所、昆明物理研究所、哈尔滨工业大学等也开展了相关研究。

锑化物激光器的研究单位主要包括中国科学院上海微系统与信息技术研究所、中国科学院半导体研究所、中国科学院长春光学精密机械与物理研究所、长春理工大学等。2001年中国科学院上海微系统与信息技术研究所在国内首次报道了2μm量子阱激光器，其输出功率为30 mW。长春理工大学研制的2.2μm激光器，输出功率为32mW。中国科学院半导体研究所研制的2μm激光器，最高工作温度达到了80℃嘲，室温连续输出功率为357mW。

4 项目的主要研究进展介绍

项目组针对锑化物纳米结构光电器件的发展中所遇到的瓶颈问题，基于半导体纳米结构的物性和结构调控特性，重点围绕解决器件工作波段拓展、光电效率提升等所涉及的关键科学问题，从纳米材料能带特性、电子光子互作用、激子行为、表面／界面状态可控性、载流子输运复合、光电转换能效机理等出发，采用先进的纳米技术，开展能带结构调控方法、能量耦合增强机制、纳米结构材料制备、器件关键工艺等研究，制备出了红外波段高性能发光和探测器件。

首先，在锑化物材料生长研究工作上，根据器件结构设计要求，优化了不同组分的材料生长条件，实现了各生长参数及结构参数的精确控制。精确控制InAs/GaSb纳米超晶格结构中异质界面类型，抑制生长过程中As和Sb元素在界面以外的元素互混并减小应变，处理好InGaAsSb /AIGaInAsSb纳米超晶格结构中多元合金各组成元素之间的配比，以达到理论设计要求。

然后，在器件制作关键工艺技术研究工作上，采用液体硫化钝化法和介质覆盖的方法，成功实现了对器件表面复合表面钝化，降低器件噪声水平。采用Cl基干法刻蚀技术实现对Sb化物纳米结构材料的干法刻蚀，改变刻蚀气体组分和刻蚀温度以达到均匀陡峭的刻蚀。采用通用倒装焊技术实现生长的探测器面阵与Si读出电路通过In柱互联。互联后芯片采用机械研磨和化学选择腐蚀的方法进行减薄。对激光器将采用GaAs大功率激光器通用冷却热承进行制冷，采用多层介质膜进行端面镀膜，最终实现红外激光器的瓦级输出，激光器激射功率结果如图4所示。

图4 腔面镀膜的激光器在10℃控温测试、脉冲测试以及室温连续测试的功率比较；器件室温连续出光功率达到1.277W，最大10℃连续测试时，器件最大功率为1 - 45W；在频率为1000Hz，脉宽为50μs的脉冲条件下，器件最大功率为2.83W

5 未来发展趋势

目前，2 - 4in单晶和衬底材料制造技术已基本成熟，更大尺寸衬底制备技术的发展依赖于锑化物光电器件的需求。基于锑化物超晶格材料的探测器在结构设计方面有巨大的灵活性，其前沿课题主要是优化提高载流子寿命所需要的锑化物低维结构。锑化物表面钝化技术是这类探测器的制备工艺中的难题，很大程度上决定了探测的光电效率、工作温度、噪声等性能。而从应用需求来看，锑化物探测器研究热点方向有以下3个。

（1）适应第三代红外探测技术所需要的多波段探测识别能力；大面阵、多色、低成本探测器；多种平台应用需求的探测组件整体体积小、重量轻、功耗低等的产业化技术。

（2）目前中长波红外探测器工作温度大都在液氮温度，而16μm以上甚长波探测器的工作温度需要低至10开尔文。结构复杂的低温制冷部件使得探测器系统体积大、成本高，使用寿命和可靠性受到限制。基于锑化物SL材料发展新型势垒结构（barrier infrared detector）的探测器，有可能实现高工作温度和低噪声。

（3）雪崩倍增（APD）探测器及主被动红外探测技术的应用。通过能带设计锑化物SL结构，可以实现更高的电子和空穴电离率，研制出更高灵敏度和响应速度的APD器件。

另外，如果能够将锑化物APD探测器与锑化物红外激光器联用，那么它有可能使红外激光雷达技术中的激光器件与探测器件的材料同属一个体系。

锑化物激光器的发展趋势是开发出2 - 5μm波段的更大功率、高光束质量单管激光器或阵列，以及窄线宽DFB或外腔可调谐激光器，以满足主动式光电对抗系统以及高灵敏度气体检测系统的需求。锑化物HBD阵列太赫兹器件的未来发展方向是进一步扩大其阵列尺寸并配备读出电路模块。锑化物热光伏电池具有可吸收中红外光，大大降低供电系统的设计难度，以及提高电池对废热的回收效率等优势，这也是未来重要的发展方向。

总体来说，锑化物光电器件种类几乎涵盖红外系统的所有关键部件，在下一代小体积、轻重量、低功耗、低成本（low SWaP-C）系统的应用方面具有优势。2μm以上高性能锑化物光电器件已被西方国家列为限制出口的技术产品。锑化物材料与器件研究正处于从实验室到应用的重要时期，将面临新的重大发展机遇。