Ⅱ類超晶格紅外探測(cè)器國(guó)內(nèi)外研制現(xiàn)狀

1引言

航天光學(xué)遙感器是遙感衛(wèi)星的核心，為了提高遙感衛(wèi)星的應(yīng)用水平，用戶對(duì)后續(xù)航天光學(xué)遙感器提出了多譜段、遠(yuǎn)紅外、高性能、長(zhǎng)壽命和高可靠性等越來(lái)越高的要求，紅外遙感器已成為航天光學(xué)遙感器發(fā)展的必然趨勢(shì)。紅外遙感器具有自身的優(yōu)勢(shì)：更好的全天候性能；可利用目標(biāo)和背景紅外輻射特性的差異進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別、揭示偽裝；可以穿透云煙，探測(cè)到可見光無(wú)法探測(cè)的景物；隱蔽性好。因此，紅外光學(xué)遙感在軍事、氣象、水文、地質(zhì)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、農(nóng)業(yè)和林業(yè)等方面都有可見光遙感無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。

隨著紅外遙感器的發(fā)展，高性能紅外探測(cè)器的需求也越來(lái)越迫切，目前應(yīng)用最為廣泛的紅外探測(cè)器是碲鎘汞紅外探測(cè)器。Smith和Mailhiot在1987年將InAs/GaSb Ⅱ類超晶格材料應(yīng)用于紅外探測(cè)器，Ⅱ類超晶格材料組合是一種材料的能帶不包含另一種材料的能帶材料，分為“交錯(cuò)型”和“錯(cuò)開型”，Ⅱ類超晶格紅外材料的出現(xiàn)克服了碲鎘汞紅外探測(cè)器存在的問(wèn)題，同時(shí)又具備其優(yōu)勢(shì)；通過(guò)調(diào)節(jié)材料的能帶結(jié)構(gòu)和帶隙，使其工作在3 - 30μm的任意波段范圍，有利于實(shí)現(xiàn)雙色及多色探測(cè)需求；通過(guò)材料設(shè)計(jì)可抑制俄歇復(fù)合及暗電流，提高焦面工作溫度，節(jié)約衛(wèi)星功耗資源，有效降低制冷壓力；量子效率高，可以吸收正入射，縮短了探測(cè)器積分時(shí)間，響應(yīng)時(shí)間快；遂穿電流小，可以獲得高的探測(cè)率，尤其對(duì)長(zhǎng)波和甚長(zhǎng)波有益；利用MBE進(jìn)行材料生長(zhǎng)，均勻性好，成本低，有利于研制均勻大規(guī)模器件，因此Ⅱ類超晶格將成為第三代紅外探測(cè)器的首選材料。

2空間紅外遙感器對(duì)紅外探測(cè)器的需求分析

紅外探測(cè)器的研制水平直接決定紅外遙感器的發(fā)展水平，我國(guó)空間紅外遙感器技術(shù)水平較美國(guó)和歐洲等發(fā)達(dá)國(guó)家還存在一定差距，其根本原因之一就在于國(guó)內(nèi)紅外探測(cè)器研制技術(shù)水平落后于國(guó)外紅外探測(cè)器研制技術(shù)水平。因此，國(guó)內(nèi)要研制出高性能水平的紅外遙感器，必須首先研制出高性能紅外探測(cè)器。

目前隨著用戶需求的提高，國(guó)內(nèi)紅外遙感器的研制包括了資源、環(huán)境、氣象、海洋、紅外偵察和紅外預(yù)警等多種類型，并且對(duì)紅外遙感器的性能提出了越來(lái)越高的要求，高空間分辨率、高光譜分辨率．高時(shí)間分辨率、多譜段探測(cè)、低功耗等已成為紅外遙感器的發(fā)展重點(diǎn)。為滿足紅外遙感器的應(yīng)用需求，研制出高性能的紅外探測(cè)器已成為亟待解決的主要問(wèn)題，國(guó)內(nèi)紅外探測(cè)器的發(fā)展水平已經(jīng)有了很大的提高，目前可以預(yù)見的紅外探測(cè)器需求如下：

（1）從器件規(guī)模來(lái)講，線列紅外探測(cè)器的元數(shù)應(yīng)該能夠覆蓋32 -10000元的范圍，面陣探測(cè)器的元數(shù)應(yīng)該能夠覆蓋256 x 256 - 4K x 4K元的范圍；

（2）從工作譜段范圍來(lái)講，紅外探測(cè)器的工作譜段應(yīng)該能夠覆蓋0.85 - 12.8μm的范圍；

（3）從譜段集成化來(lái)講，紅外探測(cè)器的研制需要向雙色（或雙譜段）或多色（或多譜段）集成技術(shù)方向發(fā)展；

（4）從節(jié)約能源的角度來(lái)講，紅外探測(cè)器的研制需要向提高焦面工作溫度、減小紅外探測(cè)器包絡(luò)尺寸方向發(fā)展；

（5）從可靠性和工作壽命來(lái)講，紅外探測(cè)器的壽命應(yīng)該能夠覆蓋3 - 8年。

從前面的介紹可以看出，為了研制出高水平的線陣、面陣紅外光學(xué)遙感器，滿足未來(lái)我國(guó)航天紅外遙感發(fā)展需求，提高我國(guó)紅外遙感能力，紅外探測(cè)器的研制需要發(fā)展以下技術(shù)：

（1）發(fā)展大規(guī)模紅外探測(cè)器技術(shù)，為了更好提高紅外光學(xué)遙感器性能和可靠性，降低紅外遙感器的設(shè)計(jì)難度，低軌道遙感衛(wèi)星越來(lái)越鄉(xiāng)的采用推掃成像模式，靜止軌道越來(lái)越多采用凝視成像模式，因此需要研制出規(guī)模更大、分辨率更高的紅外探測(cè)器。而面臨的問(wèn)題是以目前探測(cè)器的研制情況來(lái)看，大規(guī)模探測(cè)器需要大冷量和高可靠性的制冷機(jī)作為支撐，為了降低制冷機(jī)的研制難度，提高探測(cè)器制冷機(jī)組件的可靠性，需要研制一種新型紅外探測(cè)器，其焦面工作溫度較目前使用的探測(cè)器焦面工作溫度有所提高。

（2）發(fā)展雙色（雙譜段）或多色（多譜段）探測(cè)器技術(shù)，隨著探測(cè)器材料、器件和系統(tǒng)技術(shù)的進(jìn)步，紅外探測(cè)器需要向多譜段集成方向發(fā)展，一方面由于多色探測(cè)器可以共用一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)，能同時(shí)獲得多個(gè)譜段的目標(biāo)信息，大大簡(jiǎn)化相機(jī)研制難度，另一方面多個(gè)譜段圖像數(shù)據(jù)融合，可以獲得目標(biāo)的“彩色”熱圖像，可以更豐富、更精確、更可靠地獲得目標(biāo)信息。因此，為了著眼于未來(lái)高性能紅外光學(xué)遙感器的發(fā)展需求，需要研制高性能的雙色或多色紅外探測(cè)器。

（3）發(fā)展甚長(zhǎng)波紅外探測(cè)器技術(shù)，甚長(zhǎng)波紅外波段具有最高的大氣窗口目標(biāo)輻射能量，是紅外探測(cè)技術(shù)中非常重要的波段。這一波段的紅外焦平面探測(cè)器能提高探測(cè)系統(tǒng)的探測(cè)距離、縮短探測(cè)時(shí)間和精確探測(cè)目標(biāo)溫度等，具有十分重要的需求背景，無(wú)論是軍事還是民用遙感和空間科學(xué)研究，甚長(zhǎng)波譜段都有明確需求，但是目前國(guó)內(nèi)成熟的紅外探測(cè)器譜段范圍與甚長(zhǎng)波譜段需求還有一定差距，其瓶頸技術(shù)是甚長(zhǎng)波探測(cè)器材料與工藝，因此需要加快甚長(zhǎng)波探測(cè)器的研制腳步，滿足甚長(zhǎng)波紅外光學(xué)遙感器的應(yīng)用需求。

（4）發(fā)展長(zhǎng)壽命高可靠性紅外探測(cè)器技術(shù)，目前越來(lái)越多的空間光學(xué)遙感器都提出了8年壽命應(yīng)用需求，隨著遙感器長(zhǎng)壽命的要求，作為遙感器核心部組件的紅外探測(cè)器也必須保證8年使用壽命，因此需要研制出更高可靠性的紅外探測(cè)器，以滿足遙感器8年壽命應(yīng)用需求。

3Ⅱ類超晶格紅外探測(cè)器國(guó)內(nèi)外研制現(xiàn)狀

3.1國(guó)外研制現(xiàn)狀

（1）德國(guó)AIM/IAF

2004年，德國(guó)AIM/IAF研制出了第一個(gè)中波SLS熱像儀，像元尺寸40μm；AIM/IAF報(bào)道了像元間距為24μm的384 x 288中波探測(cè)器，截止波長(zhǎng)4.9μm，積分時(shí)間1ms，NETD為28mK，F(xiàn)數(shù)2.4；2006年AIM與IAF報(bào)道了384 x 288雙色Ⅱ類超晶格紅外探測(cè)器，像元間距為40μm，探測(cè)波長(zhǎng)為3 - 4μm和4 - 5μm，NETD分別為<12mK和<22mK，F(xiàn)數(shù)均為2，積分時(shí)間均為2.8ms；并制備了像元間距為30μm的256 x 256雙色SLS探測(cè)器，圖1為AIM研制的384 x 288中波單色和中波雙色熱圖像。

圖1 AIM研制的SLS探測(cè)器中波單色及中波雙色熱像圖

（2）美國(guó)西北大學(xué)量子器件中心

美國(guó)西北大學(xué)量子器件中心研制出了M-結(jié)構(gòu)的超晶格材料，降低了長(zhǎng)波、超長(zhǎng)波探測(cè)器中遂穿及擴(kuò)散電流，因此將暗電流降低了1個(gè)數(shù)量級(jí)。利用此結(jié)構(gòu)制備出了長(zhǎng)波和甚長(zhǎng)波紅外探測(cè)器。

2012年，美國(guó)西北大學(xué)量子器仵中心研制了1024 x 1024長(zhǎng)波探測(cè)器，截止波長(zhǎng)達(dá)到11μm，NETD在制冷溫度81K時(shí)達(dá)到23.6mK，68K時(shí)達(dá)到22.5mK，量子效率達(dá)到78%，成像效果如圖2所示。

圖2 1024 x 1024長(zhǎng)波探測(cè)器

（3）噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室

2007年，Raytheon、JPL聯(lián)合報(bào)道了工作溫度為78K，截止波長(zhǎng)為10.5μm，30μm中心間距的256 x 256長(zhǎng)波Ⅱ類超晶格焦平面。2009年制備了截止波長(zhǎng)為12μm的長(zhǎng)波紅外探測(cè)器，規(guī)格為1024 x 1024。2010年制備了1024x 1024截止波長(zhǎng)為11μm的長(zhǎng)波紅外探測(cè)器，87K時(shí)，背景限探測(cè)率為1.1 x 1011。

（4）瑞典愛(ài)爾諾

瑞典愛(ài)爾諾紅外公司已經(jīng)有實(shí)用化的Ⅱ類超晶格產(chǎn)品，3.2 - 5μm中波320 x 256長(zhǎng)波紅外探測(cè)器，NETD可達(dá)到12mK。

3.2國(guó)內(nèi)研制現(xiàn)狀

（1）中科院半導(dǎo)體所

國(guó)內(nèi)開展Ⅱ類超晶格材料研究起步較晚，中科院半導(dǎo)體所主要開展Ⅱ類超晶格紅外探測(cè)器材料的研制，目前相關(guān)研制小組已經(jīng)研制出截止波長(zhǎng)為10μm和16μm的Ⅱ類超晶格紅外探測(cè)器材料，工作溫度為77K。

（2）武漢高德紅外公司

武漢高德紅外公司通過(guò)采購(gòu)半導(dǎo)體所研制的Ⅱ類超晶格紅外探測(cè)器材料，制備了國(guó)內(nèi)第一款長(zhǎng)波面陣器件，器件規(guī)模為320 x 256，后截止波長(zhǎng)達(dá)到10.5μm，NETD小于20mK，像元中心均為30μm，焦面工作溫度≥68K。

（3）其他單位

國(guó)內(nèi)探測(cè)器研制單位，如中電11所、中電44所、兵器211所和上海技物所都開展了Ⅱ類超晶格紅外探測(cè)器的相關(guān)研究。

4Ⅱ類超晶格紅外探測(cè)器在空間紅外遙感應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)

（1）在工作溫度方面的優(yōu)勢(shì)

相比較目前常用的HgCdTe紅外探測(cè)器而言，Ⅱ類超晶格紅外探測(cè)器焦面工作溫度提高。對(duì)于制冷型紅外焦平面探測(cè)器，制冷機(jī)的制冷功率大小與探測(cè)器焦面工作溫度、探測(cè)器組件的重量、體積以及探測(cè)器的工作壽命等直接相關(guān)，制冷功率大小是一個(gè)重要考慮因素。目前國(guó)內(nèi)研制的甚長(zhǎng)波紅外探測(cè)器，探測(cè)器規(guī)模大，截止波長(zhǎng)較長(zhǎng)，對(duì)制冷機(jī)的冷量需求很大，加大了制冷機(jī)的研制難度，同時(shí)對(duì)衛(wèi)星的功耗資源帶來(lái)一定負(fù)擔(dān)。對(duì)于重量、體積、結(jié)構(gòu)形式及工作壽命相同的紅外探測(cè)器組件，在相同截止波長(zhǎng)的情況下，Ⅱ類超晶格紅外探測(cè)器焦面工作溫度提高，焦面工作溫度越高，所需的制冷機(jī)冷量越小，制冷機(jī)所需的制冷功率也就越低，一方面降低了制冷機(jī)和制冷控制器的研制難度，另一方面可以有效節(jié)約衛(wèi)星功耗資源，節(jié)約成本，同時(shí)可以提高系統(tǒng)的可靠性。因此，Ⅱ類超晶格紅外探測(cè)器在工作溫度方面有很大的優(yōu)勢(shì)。

（2）在發(fā)展雙色或多色器件方面的優(yōu)勢(shì)

空間紅外遙感器采用多色探測(cè)器，可在復(fù)雜的背景環(huán)境下，提高目標(biāo)的識(shí)別能力，采用多色探測(cè)技術(shù)并結(jié)合目標(biāo)在不同波段下的特點(diǎn)，可以顯著提高識(shí)別距離。采用多色方案，光譜信息可以有效地區(qū)分目標(biāo)特性。傳統(tǒng)的雙色或多色探測(cè)技術(shù)大多依賴于光學(xué)系統(tǒng)分光的數(shù)個(gè)獨(dú)立單色成像器件完成，這樣就使得遙感器復(fù)雜度高、體積大、功耗大以及可靠性降低，因此，在降低遙感器系統(tǒng)復(fù)雜度、體積、功耗以及提高可靠性等需求驅(qū)動(dòng)下，發(fā)展雙色或多色成像探測(cè)器是必然選擇。通過(guò)調(diào)節(jié)Ⅱ類超晶格的能帶結(jié)構(gòu)和帶隙，可以很好的響應(yīng)3 - 30μm之間的任意譜段，利于實(shí)現(xiàn)雙色或多色探測(cè)需求，在發(fā)展雙色或多色成像器件方面，Ⅱ類超晶格紅外探測(cè)器有明顯的優(yōu)勢(shì)。

（3）在發(fā)展均勻大面陣及節(jié)約成本方面的優(yōu)勢(shì)

隨著空間紅外遙感器技術(shù)及用戶的應(yīng)用需求的不斷提高，采用大規(guī)模及超大規(guī)模紅外探測(cè)器可以提高遙感器空間分辨率，大規(guī)模及超大規(guī)模紅外焦平面探測(cè)技術(shù)已成為紅外焦平面探測(cè)器發(fā)展的必然趨勢(shì)。紅外探測(cè)器在規(guī)模上的制約主要來(lái)源于探測(cè)器芯片尺寸的增大所帶來(lái)的讀出電路尺寸以及探測(cè)器敏感材料尺寸增大，以至于難以制造，也難以解決低成本、高性能、高均勻性的問(wèn)題，并且波長(zhǎng)越長(zhǎng)，該問(wèn)題就越突出。對(duì)于目前廣泛應(yīng)用的HgCdTe紅外探測(cè)器，其材料尺寸沒(méi)有實(shí)質(zhì)性的限制，晶格匹配的ZnCdTe襯底已經(jīng)做到70mm × 70mm左右，能夠滿足4096 × 4096（15μm中心距）焦面尺寸需求。更大的襯底材料在技術(shù)上沒(méi)有原理性困難，大尺寸ZnCdTe襯底的主要問(wèn)題是成本限制，ZnCdTe襯底由于材料熱導(dǎo)率、缺陷形成能較低等固有性質(zhì)導(dǎo)致單晶材料生長(zhǎng)成本高，特別是分子束外延所需的晶面大面積材料受到孿晶等限制，在成本意義上獲取大面積材料仍然存在一定困難。對(duì)于Ⅱ類超晶格紅外探測(cè)器，其基于Ⅲ - Ⅴ材料生長(zhǎng)技術(shù)，均勻性好、便宜，利用MBE進(jìn)行材料生長(zhǎng)，具有很高的設(shè)計(jì)自由度，探測(cè)器均勻性好?？梢?，Ⅱ類超晶格紅外探測(cè)器在發(fā)展均勻大面陣器件及節(jié)約成本方面有很大的優(yōu)勢(shì)。

隨著空間紅外遙感技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)紅外探測(cè)器的需求指標(biāo)越來(lái)越高，Ⅱ類超晶格紅外探測(cè)器以其明顯的優(yōu)勢(shì)獲得了越來(lái)越多的青睞，將會(huì)成為紅外探測(cè)器發(fā)展的必然結(jié)果。

5Ⅱ類超晶格紅外探測(cè)器針對(duì)空間紅外遙感應(yīng)用需要攻克技術(shù)難點(diǎn)

Ⅱ類超晶格紅外探測(cè)器在空間紅外遙感應(yīng)用中有很大的優(yōu)勢(shì)，在研制過(guò)程中還需要克服一些技術(shù)難點(diǎn)，包括材料均勻性控制、生長(zhǎng)界面控制、原子擴(kuò)散和應(yīng)變補(bǔ)償、剩余雜質(zhì)濃度控制以及側(cè)壁鈍化等方面的難題。

（1）材料均勻性控制

要獲得想要的截止波長(zhǎng)，每層InAs/GaSb超晶格層的厚度大約在15 - 90A，因此控制每層材料生長(zhǎng)的均勻性顯得非常苛刻。這對(duì)襯底質(zhì)量、設(shè)備能力要求、工藝控制要求極高。由于GaSb襯底不像Si、GaAs一樣成熟，在材料生長(zhǎng)和清洗上還有一定的工藝難度，表面缺陷、劃痕、氧化層厚度和類型等對(duì)外延膜均勻性和質(zhì)量均有很大影響；MBE具有外延單原子層的能力，但如何實(shí)現(xiàn)對(duì)相應(yīng)的材料具備相應(yīng)的工藝，包括去氧化層工藝、生長(zhǎng)速率的準(zhǔn)確測(cè)試、生長(zhǎng)溫度選擇、生長(zhǎng)速率選擇等都提出了很高要求，這些問(wèn)題均成為材料均勻性控制的難點(diǎn)，還需要在工藝中慢慢摸索。

（2）生長(zhǎng)界面控制

InAs/GaSb Ⅱ類超晶格由于InAs層與GaSb層Ⅲ族元素與Ⅴ族元素的原子都不相同，因而在界面處可以形成兩種界面類型，即Ga和As原子結(jié)構(gòu)形成GaAs界面，以及In和Sb原子結(jié)合形成InSb界面，這兩種界面分別被稱為GaAs-like界面和InSb-like界面。相比較GaAs-like界面，InSb-like界面被認(rèn)為更有利于紅外探測(cè)器性能的提高。由于晶格的失配，GaAs-like界面和InSb-like界面都將在界面處引入應(yīng)變，從能帶方面考慮，InAs/GaSb Ⅱ類超晶格中，光躍遷發(fā)生在界面處InAs層電子和GaSb層中空穴。在InSb-like界面處，InSb層增加了能帶的排列，加強(qiáng)了波函數(shù)之間的重疊。但是，在GaAs-like界面處，形成了一個(gè)電子和空穴的勢(shì)壘層，減少了波函數(shù)的重疊，從而減少了光躍遷的發(fā)生。因此，在超晶格材料生長(zhǎng)的過(guò)程中，主要考慮如何實(shí)現(xiàn)InSb-like界面。如何控制界面類型成為InAs/GaSb Ⅱ類超晶格器件的首要技術(shù)難點(diǎn)。

（3）原子擴(kuò)散和應(yīng)變補(bǔ)償

因?yàn)镚aSb表面富集Sb，在GaSb襯底上生長(zhǎng)的InAs層中引入了Sb，這樣會(huì)影響生長(zhǎng)材料的質(zhì)量。由于InAs（6.0583A）和GaSb（6.09593A）之間存在晶格突變，晶格失配約為0.62%，由于InAs的晶格常數(shù)小，In- As、Ga - Sb原子間結(jié)合能差別較大，從而導(dǎo)致要獲得高質(zhì)量超晶格材料的難度較大，原子擴(kuò)散和應(yīng)變補(bǔ)償是Ⅱ類超晶格器件的難點(diǎn)之一，可以通過(guò)材料設(shè)計(jì)、引入緩沖層等技術(shù)手段方面解決這一難題。

（4）剩余雜質(zhì)濃度控制

對(duì)于p - on - n光伏型探測(cè)器，背景載流子濃度對(duì)整個(gè)紅外探測(cè)器的性能有著至關(guān)重要的作用，在很大程度上決定著少數(shù)載流子的壽命和擴(kuò)散長(zhǎng)度，從而影響探測(cè)器的量子效率及探測(cè)率。材料的本底濃度增強(qiáng)，俄歇復(fù)合速率提高，俄歇復(fù)合是探測(cè)器暗電流的重要來(lái)源。美國(guó)DRS紅外技術(shù)公司指出，高溫工作的紅外探測(cè)器需要材料的本底載流子濃度小于1014cm-3，以抑制俄歇復(fù)合。由于本征缺陷，帶來(lái)了較高的n型摻雜濃度。因此，與HgCdTe材料相比，Ⅱ類超晶格材料仍然顯示較短的載流子壽命，較大的暗電流，降低InAs/GaSb超晶格材料的本底濃度是進(jìn)一步提高探測(cè)器性能的關(guān)鍵。

（5）側(cè)壁鈍化

對(duì)于器件工藝而言，表面鈍化是一個(gè)關(guān)系器件性能好壞的關(guān)鍵工藝，由于臺(tái)面隔離暴露了有源區(qū)，暴露出的臺(tái)面?zhèn)缺诒徽J(rèn)為是暗電流的主要貢獻(xiàn)者。對(duì)于側(cè)壁鈍化，目前采用了不同的清潔方法、化學(xué)處理、介電層Si02和Si3N4覆蓋、硫化銨鈍化、淺腐蝕臺(tái)面隔離、二次外延等方法，但是降低表面漏電流仍然是目前各譜段器件工藝有待進(jìn)一步完善的技術(shù)難題。

6結(jié)論

針對(duì)空間紅外遙感應(yīng)用需求，從Ⅱ類超晶格紅外探測(cè)器的原理及優(yōu)點(diǎn)、國(guó)內(nèi)外研制現(xiàn)狀、在空間紅外遙感應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)、需要攻克的技術(shù)難點(diǎn)這幾個(gè)方面進(jìn)行了介紹。Ⅱ類超晶格紅外探測(cè)器有很多優(yōu)點(diǎn)，為其在空間紅外遙感器中的應(yīng)用帶來(lái)了明顯優(yōu)勢(shì)，Ⅱ類超晶格紅外探測(cè)器具有很好的光電性能，使用Ⅱ類超晶格紅外探測(cè)器，可以降低空間紅外遙感器的研制難度，節(jié)約成本，并且有較高的可靠性。但是，Ⅱ類超晶格紅外探測(cè)器還有很多技術(shù)難點(diǎn)需要攻克，從我國(guó)目前研究情況來(lái)看，還需要不斷完善研制工藝，積極探索其中的領(lǐng)域，從而對(duì)Ⅱ類超晶格紅外探測(cè)器的研制有一個(gè)新的突破，以滿足不斷增加的空間應(yīng)用需求。