基于InAs/GaSbII類超晶格的長(zhǎng)波紅外探測(cè)器

摘要：武漢高芯科技有限公司從2014年開始制備基于InAs/GaSbII 類超晶格的長(zhǎng)波紅外探測(cè)器。在本文中，報(bào)道了像元規(guī)模為640 × 512，像元間距為15 μm的長(zhǎng)波紅外焦平面探測(cè)器。在77 K時(shí)，器件的50%截止波長(zhǎng)為10.5μm，峰值量子效率為38.6%，當(dāng)F數(shù)為2、積分時(shí)間為0.4 ms時(shí)，測(cè)得器件的噪聲等效溫差為26.2 mK，且有效像元率達(dá)99.71%。本文通過(guò)分子束外延（molecular beam epitaxy，MBE）技術(shù)與成熟的III-V族芯片技術(shù)，成功地驗(yàn)證了在大于10 μm的長(zhǎng)波波段，用超晶格代替HgCdTe實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化并大規(guī)模量產(chǎn)的可行性。

關(guān)鍵詞：InAs/GaSbII類超晶格；640 × 512；長(zhǎng)波紅外；焦平面探測(cè)器

0引言

自20 世紀(jì)80年代D.L.Smith首次提出InAs/GaSb II類超晶格可以作為高性能紅外探測(cè)器的應(yīng)用材料以來(lái)，其優(yōu)良的性能受到了廣泛的關(guān)注。特殊的能帶結(jié)構(gòu)，使其擁有與HgCdTe相似的光學(xué)性能，同時(shí)在抑制俄歇復(fù)合與隧穿電流的方面有天然的優(yōu)勢(shì)。隨著II類超晶格在紅外成像技術(shù)方面的快速發(fā)展，其性能已經(jīng)接近HgCdTe。

除此之外，基于III-V族的材料生長(zhǎng)與成熟的芯片工藝，通過(guò)MBE技術(shù)可在大尺寸的晶圓上獲得高質(zhì)量的外延，在成熟的III-V族芯片工藝線上可獲得高良率的芯片，都使得InAs/GaSb II類超晶格芯片的大規(guī)模、低成本生產(chǎn)易于實(shí)現(xiàn)。

InAs/GaSb II類超晶格通過(guò)調(diào)節(jié)疊層材料的厚度可以實(shí)現(xiàn)多波段全覆蓋，我們于2015年報(bào)道了320 × 256短波、中波、長(zhǎng)波焦平面探測(cè)器，其中中波NETD達(dá)到12.4 mK@80 K，長(zhǎng)波NETD達(dá)到15mK@80 K，短波探測(cè)器信噪比≥100@80 K。本文主要報(bào)道在像元規(guī)模為640 × 512、像元間距為15 μm的InAs/GaSb II類超晶格長(zhǎng)波紅外焦平面探測(cè)器方面取得的最新研究成果。

1器件制備

1.1材料結(jié)構(gòu)

美國(guó)西北大學(xué)量子器件中心提出了一種M型超晶格結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)對(duì)于暗電流的降低起到了顯著的作用。由于AlSb的帶隙寬度大于InAs/GaSb超晶格，通過(guò)在InAs/GaSb中引入Al組分來(lái)形成M型勢(shì)壘層結(jié)構(gòu)，可以對(duì)電子或空穴進(jìn)行有效的阻擋，從而抑制表面漏電與隧穿電流的產(chǎn)生。

探測(cè)器采用p-π-M-n雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，如圖1所示，利用MBE技術(shù)在GaSb襯底上依次生長(zhǎng)p型緩沖層、500 nm的InAs/GaSbp型接觸層、2 ~ 3 μm的長(zhǎng)波段InAs/GaSb吸收層、800 nm的InAs/GaSb/AlSbM型勢(shì)壘層、500 nm的InAs/GaSb n型接觸層以及20 nm的n型GaSb。

圖1 p-π-M-n雙異質(zhì)結(jié)超晶格紅外探測(cè)器

1.2芯片工藝

完成MBE材料生長(zhǎng)后，首先利用光刻與電感耦合等離子體（inductively coupled plasma，ICP）干法刻蝕來(lái)實(shí)現(xiàn)陣列臺(tái)面隔離，實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)氣體比例Ar:Cl2:H2＝22 時(shí)，能夠獲得較低的刻蝕損傷及平滑的側(cè)壁，再通過(guò)電化學(xué)陽(yáng)極硫化生長(zhǎng)～20nm的硫化層以及等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（plasma enhanced chemicalvapor deposition，PECVD）在300℃下沉積500 nm的SiO2，保證器件獲得較好的側(cè)壁鈍化效果及耐溫性能，再利用蒸發(fā)設(shè)備完成Ti/Pt/Au ＝ 50/50/300 nm的接觸電極以及4 μm的銦凸點(diǎn)的制備，如圖2所示，待完成劃片后，將單個(gè)模塊與讀出電路（ROIC）倒焊互聯(lián)，再將芯片減薄至60 μm，并通過(guò)拋光、抗反膜生長(zhǎng)等工藝來(lái)完成芯片的制備，如圖3所示。最后通過(guò)焦平面測(cè)試系統(tǒng)對(duì)引線鍵合后的芯片進(jìn)行測(cè)試。

2結(jié)果與討論

將芯片封裝成真空杜瓦中，其中濾光片前截止為7.7 μm，通過(guò)單色儀光譜測(cè)試系統(tǒng)對(duì)焦平面探測(cè)器在77 K下測(cè)得：探測(cè)器的50%截止波長(zhǎng)約為10.5 μm，然后將測(cè)得的相對(duì)響應(yīng)光譜經(jīng)過(guò)計(jì)算得到量子效率與波長(zhǎng)的關(guān)系如圖4所示，其峰值量子效率約為38.6%。

探測(cè)器的量子效率可能提高的方向有：①優(yōu)化外延吸收層厚度，提高單次吸收效率。②調(diào)節(jié)ICP刻蝕條件，降低側(cè)壁角度與粗糙度，優(yōu)化光信號(hào)反射路線。③通過(guò)優(yōu)化拋光，抗反膜生長(zhǎng)等工藝提高器件的外量子效率。

圖2 掃描顯微鏡圖

圖3 芯片工藝結(jié)束

圖4 量子效率隨波長(zhǎng)的變化

利用焦平面暗電流測(cè)試系統(tǒng)對(duì)探測(cè)器在77 K下進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖5所示：偏壓為-50 mV時(shí)，暗電流密度Id為3.8×10-5 A/cm2，動(dòng)態(tài)電阻面積RA為2.4×103 cm2；偏壓為-150 mV時(shí)，Id為9×10-4 A/cm2，RA為4.9×102 cm2。

圖6為探測(cè)器面對(duì)20℃黑體且無(wú)非均勻性校正情況下的輸出信號(hào)圖，可以看出此長(zhǎng)波探測(cè)器的整體均勻性很好，且無(wú)大團(tuán)簇。探測(cè)器的響應(yīng)非均勻性達(dá)4.61%，輸出的響應(yīng)信號(hào)非常均勻，如圖7所示。

圖5 I-V與R-V曲線

圖6 探測(cè)器輸出信號(hào)圖

圖7 探測(cè)器響應(yīng)信號(hào)圖

通過(guò)焦平面測(cè)試系統(tǒng)面對(duì)黑體溫度20℃ ~ 35℃，在77 K、F數(shù)為2、幀頻為25 Hz、積分時(shí)間為0.4ms（半阱）的測(cè)試條件下采集響應(yīng)信號(hào)與噪聲信號(hào)，測(cè)得探測(cè)器性能：去盲元后，平均NETD為26.2 mK，有效像元99.71%。圖8為NETD直方圖，可以看出，近32萬(wàn)多個(gè)像元的NETD分布區(qū)間（近10 mK）非常窄，均勻性較好，探測(cè)器的整體性能較為突出。

圖8 NETD直方圖

3組件成像及國(guó)內(nèi)外性能對(duì)比

將杜瓦測(cè)試后的焦平面器件封裝成探測(cè)器組件。用我們已經(jīng)量產(chǎn)640 ×512、像元間距為15 μm的HgCdTe中波焦平面探測(cè)器，與本文所報(bào)道的640 × 512、像元間距為15 μm的InAs/GaSb II類超晶格長(zhǎng)波焦平面探測(cè)器（7.7 μm前截止濾光片）做成像對(duì)比。用普通打火機(jī)與中波窗口（100%完全截止7 μm）作為輔助道具。

如圖9所示，長(zhǎng)波探測(cè)器成像圖中的火焰輪廓（高溫CO2）要明顯小于中波探測(cè)器，且用中波窗口遮擋后，火焰信號(hào)消失，未被中波窗口遮擋的部分還能看到些許尾焰。對(duì)比結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，面對(duì)溫度區(qū)間為200℃ ~ 800℃的高溫物體，長(zhǎng)波較中波能顯示更多的有效信息。

圖9 640 × 512@15 m中波&長(zhǎng)波探測(cè)器的成像對(duì)比

相比于HgCdTe，超晶格作為一種新型的、極具潛力的紅外材料而被國(guó)內(nèi)外各大研究機(jī)構(gòu)納入重點(diǎn)研究計(jì)劃。表1為報(bào)道的部分國(guó)內(nèi)外超晶格長(zhǎng)波紅外探測(cè)器性能對(duì)比。對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，本文報(bào)道的640 ×512的InAs/GaSb II類超晶格長(zhǎng)波紅外焦平面探測(cè)器基本達(dá)到了國(guó)際主流水平。

表1 部分超晶格長(zhǎng)波探測(cè)器性能對(duì)比

4結(jié)論

本文主要報(bào)道了我們?cè)?40 × 512的InAs/GaSb II類超晶格長(zhǎng)波紅外焦平面探測(cè)器方面取得的最新成果，77 K 的溫度時(shí)，探測(cè)器的50%截止波長(zhǎng)~10.5 μm、峰值量子效率約38.6%、噪聲等效溫差NETD為26.2 mK、有效像元99.71%、響應(yīng)非均勻性4.61%。探測(cè)器具有良好的均勻性，整體性能較為突出，對(duì)本司后期的量產(chǎn)有重要的指導(dǎo)意義。