■摘 要

銻化物探測器是當前主要的紅外探測器類型之一, 主要包括InSb、 InAsSb、 InAlSb以及II類超晶格(T2SL)等紅外探測器, 覆蓋紅外短、中、長波。銻化物探測器在精確制導、機載光電、視覺增強、天文觀測、氣象衛星、火災告警、人員搜救等軍事和民用領域都有廣泛應用。當前紅外探測器已經全面進入第三代發展階段, 銻化物紅外探測器也不斷出現新技術、新特點和新應用。本文詳細分析了銻化物紅外探測器的國內外發展現狀、工藝路線、技術特點等, 并對銻化物紅外探測器未來的發展趨勢進行了預測。

0引 言

紅外探測器是紅外探測系統中的核心元件, 是將入射的紅外輻射能轉變成其他形式能量的轉換器, 是集電子科學與技術、材料學、凝聚態物理、光學工程、工程熱物理等多學科于一體的高技術產品, 是信息化的基礎, 是國家重要的戰略資源, 同時也是國家綜合實力和科技水平的具體體現。紅外探測器一般由焦平面陣列芯片(FPA)、制冷器(斯特林制冷機)、杜瓦和濾光片、光闌等內置光學件組成, 外界目標的紅外輻射經帶通濾光片等內置光學元件濾除不需要的光譜輻射后, 到達光敏芯片, 光敏芯片將紅外輻射轉換為電信號, 輸出給信號處理系統, 實現對目標的探測, 制冷器和杜瓦分別提供光敏芯片正常工作的低溫冷源和隔熱環境。

紅外探測器的發展主要始于第二次世界大戰后, 軍事應用需求是推動紅外探測器發展的主要動力。按照發展歷程, 紅外探測器通常被分為四代: 第一代以分立型為主, 元數在103元以下, 有線列和小面陣結構; 第二代為掃描型和凝視型焦平面結構, 規模在103~106元; 第三代以凝視型為主, 規模在106元以上, 且強調超大規模陣列、 高工作溫度、雙波長(雙色)或多波長(多色)響應。而即將進入的第四代主要特點包括“超越規模”、“超越像元”、光學集成和更強的智能化信息處理功能, 如圖1所示。

圖1制冷型紅外探測器發展歷史

Fig.1Development history of cooled infrared detectors

當前, 高性能的制冷型紅外探測器均采用化合物半導體材料, 其中主要包括: HgCdTe、銻化物半導體(Antimonide Based Compound Semiconductor, ABCS)、量子阱探測器等, 如表1所示。其中銻化物半導體紅外探測器指的是以Sb元素為基礎的InSb, InAsSb, InAlSb, InAs/GaSb T2SL等紅外探測器, 覆蓋紅外短、中、長波, 是目前主要的紅外探測器類型之一。

注: ★號越多, 表示在該項越有優勢。

InSb紅外焦平面探測器在20世紀90年代發展成熟, 具有量子效率高、 穩定性好等特點, 目前在軍用中波紅外探測器系統中占據主導地位。與HgCdTe相比, InSb焦平面陣列材料缺陷密度低、位錯密度小; InSb材料不存在組分均勻性問題, 晶元尺寸更大、均勻性更高, 也無由此產生的探測器光譜及響應的不均勻性; InSb晶片是標準晶片, 可實現芯片自動化生產, 器件成本低、長期使用穩定性高, 在系統應用中具有很強的競爭能力。

T2SL探測器是近年興起的新型本征吸收窄禁帶半導體材料, 在晶格匹配的GaSb襯底上生長, 可實現在整個紅外波段范圍內響應光譜可調, 且屬于6.1?材料體系, 具有靈活的設計空間。與HgCdTe器件相比, T2SL最大的優點是晶格穩定性好, 工藝重復性和器件的均勻性容易保證, 與InSb器件工藝兼容性很高, 有利于制備出大規模焦平面探測器; 此外, T2SL的俄歇壽命和隧道電流也要優于HgCdTe, 有利于器件暗電流的控制。T2SL可用于高工作溫度紅外探測器、長波紅外探測器、雙色及多色探測器, 是HgCdTe探測器有力的競爭者。

InAsSb和InAlSb同屬于三元合金, 通過分子束外延(MBE)技術生長, 用于高工作溫度紅外探測器。InAsSb主要在GaSb襯底上生長, 工作溫度在150 K左右, 截止波長4.2 μm; InAlSb主要在重摻雜的InSb襯底上生長, 工作溫度在110 K以上, 截止波長4.8 μm, 可以覆蓋中波紅外的大氣透過窗口。InAsSb、InAlSb探測器制備工藝相對簡單, 成本較低, 是高工作溫度紅外探測器領域的重要材料。

銻化物紅外探測器已經廣泛應用于軍事和民用領域, 如圖2~3所示。軍事方面, 涉及精確制導、戰略戰術情報搜集和目標偵察監視等領域, 是紅外制導類武器系統及光電搜索、偵察、告警類設備獲取目標信息, 實現探測、截獲和跟蹤功能的核心元器件; 在航天領域, 紅外探測器已被成功應用于氣象衛星、 氣候監測、空間紅外望遠鏡等大型航天工程中, 發揮重要作用。民用方面, 紅外探測器在工業檢測、監控、測溫、公安消防和監視、醫學和科學探索等領域廣為使用, 應用范圍越來越廣泛。

圖3F-35光電分布式孔徑系統(DAS)和光電偵查系統(EOTS)采用1 024×1 024 InSb焦平面陣列

Fig.3F-35 photoelectric distributed aperture system (DAS) and photoelectric detection system (EOTS) use 1 024×1 024 InSb focal plane array

1國內外研究情況

1.1 國外銻化物探測器研制情況

國際上, 銻化物紅外探測器已全面進入第三代, 具有超大規模陣列、高工作溫度、高靈敏度、雙色/多色成像等特點。以美國為例, 其研發體系完整, 包含由大學(Northwestern University、University of New Mexico等)、科研機構(NASA、海軍實驗室、空軍實驗室等)、軍工企業(Raytheon、Lockheed Martin等)組成的從基礎研究、技術開發到產品開發的完整體系。近幾年由美國政府組織的VISTA項目將T2SL研發資源整合, 分工明確、強強聯合, 極大地促進了T2SL紅外探測器的工程化進展。此外, 在美國, HgCdTe與銻化物探測器并重, 紅外中波領域主要以InSb為主, 長波及雙色探測器領域以HgCdTe為主, 隨著T2SL紅外探測器的發展, 逐漸開始對InSb和HgCdTe在部分領域進行替代。

國外主要的銻化物探測器廠商的具體情況如下:

a. 美國L3公司/Cincinnati Electronics

L3公司是世界第七大防務公司, 2004年收購Cincinnati Electronics 后增強其紅外探測器研制能力。Cincinnati Electronics公司成立于1973年, 是著名的紅外焦平面陣列和相機制造商, 主要業務是為軍事裝備提供支持, 包括熱跟蹤導引頭、威脅告警、遠距離偵查等。L3公司具備超大規模焦平面陣列制備能力, 如4K×4K/15、8K×8K/10 InSb焦平面陣列, 其中8K×8K焦平面陣列屬于全球領先產品。同時該公司還具有線性斯特林制冷機技術和數字/模擬讀出電路技術。L3公司已經開始采用4″和5″InSb制備工藝, 并且擴大了超凈間廠房, 為F-35的DAS系統提供支持。

在T2SL/nBn技術方面, L3公司是美國VISTA項目的成員之一, 通過該項目成功開發出中波高工作溫度nBn紅外探測器, 且在工程化進展方面獲得巨大進展。

b. Lockheed Martin/Santa Barbara Focalplane

Lockheed Martin公司是美國主要防務公司之一, 通過兼并Santa Barbara Focalplane形成InSb和nBn焦平面陣列的研制能力。Santa Barbara Focalplane公司成立于1985年, 主要為Lockheed Martin公司和政府部門的實驗室提供各類紅外探測器以支持其軍用裝備, 主要產品包括InSb和nBn焦平面陣列, 以及各種類型的杜瓦和制冷器。同時作為紅外探測器供應商對外提供320×256、640×512、1 024×1 024以及1 280×1 024(12 μm和8 μm像元中心距)的InSb焦平面陣列。

c. Raytheon/Raytheon Vision Systems

Raytheon Vision Systems是Raytheon公司內部探測器研發和生產中心, 主要產品是InSb、nBn/T2SL焦平面陣列, 其中nBn/T2SL焦平面陣列主要在Raytheon的Ⅲ-V實驗室進行研發, 產品主要應用于航空航天裝備中, 在滿足母公司需求的前提下, 會對外進行銷售。

Raytheon Vision Systems成立已有50余年, 擁有完整的InSb、T2SL探測器產品線, 包括320×256、640×512、1024×1024、2K×2K、4K×4K、高工作溫度、中/中雙色、中/長雙色等。

d. FLIR Systems/Indigo Detector Operations

FLIR公司成立于1978年, 是全球主要的紅外成像系統供應商, 包括軍用紅外系統和民用紅外系統。該公司通過在全球范圍內的兼并不斷發展壯大, 2004年兼并Indigo公司將銻化物探測器納入其業務范圍, 主要產品包括InSb和T2SL長波焦平面陣列。FLIR公司同時發展了讀出集成電路業務, 以便與焦平面陣列芯片進行集成。

FLIR公司自主開發紅外焦平面陣列和機芯, 最大限度地降低成本, 并集成到紅外系統中, 為其產品提供差異化及價格優勢。銻化物探測器方面主要有640×512、1280×720、2048×1536/10 InSb焦平面陣列探測器等, 并已經大量裝備于各類軍用武器裝備中。

e. 以色列Rafael&Elbit Systems/SCD公司

SCD公司成立于1976年, 隸屬于Rafael&Elbit Systems, 是以色列主要的紅外探測器供應商, 同時也是世界范圍內主要的探測器供應商之一。SCD公司產品應用范圍涉及熱成像瞄準系統、戰術導彈、機載及地面紅外視覺增強系統、遠距離偵查系統、精確制導武器等軍用和民用領域, 其產品50%出口北美、歐洲、東亞等地區。2018年, SCD公司在美國成立了分部(SCD USA)。

f. 韓國KAIST/i3 system公司

i3 system成立于1998年, 隸屬于韓國科學技術院(KAIST), 是韓國主要的紅外探測器研發和制造商。該公司主要的貨架產品有:320×256/30/15 640×512/20/15 InSb焦平面陣列, 1280×1024/10 InSb焦平面陣列正在研發。在T2SL方面, i3公司正在研發640×512/15焦平面陣列, 用于中波和長波探測。

此外, 法國Lynred公司, 近年來也開始著手建設銻化物探測器生產能力。

這些廠商的共同點主要有:

·大軍工公司子公司或控股;

·采用4 in芯片生產線并正在進行6 in技術開發, 設備自動化程度高;

·實現1K×1K及以下系列InSb探測器量產, InAs/GaSb T2SL探測器即將進行量產, 如表2所示。

1.2 國內銻化物探測器研制情況

國內銻化物紅外探測器目前處于第二代焦平面陣列實現批產階段, 第三代大陣列焦平面樣機研究階段, 如表3所示。主要的銻化物紅外探測器基本可以實現國產化, 形成了預先研究、產品開發、工程化應用較為完整的技術鏈, 光譜范圍覆蓋短、中、長、甚長、雙色等。

1.3 國內外研究對比分析

國內銻化物紅外探測器設計與制造技術與國外相比, 存在5~10年的差距, 主要體現在以下幾個方面: 在陣列規模方面, 國外可達單片4K×4K, 拼接8K×8K的陣列規模, 國內實現1K×1K焦平面陣列樣機; 在像元中心距方面, 國外最小像元中心距為5 μm, 國內為10~12 μm; 在工作溫度方面, 國外已基本實現150 K焦平面探測器的工程化應用, 國內實現130 K的焦平面樣機; 在長波探測器方面, 國內外均可實現大于12.5 μm響應截止波長, 國外技術已接近工程化, 國內仍處于樣機階段; 在中/短、中/長雙色焦平面陣列方面, 國外陣列規模達到640×512, 接近工程化應用, 國內處于樣機階段; 在外延襯底方面, 國外已具備InSb 5 in、GaSb 4 in的量產能力, 國內主要以2 in、 3 in為主; 此外, 國外數字化焦平面片的規模已達到640×512, 精度為16位。

2銻化物焦平面探測器技術路線

InSb焦平面探測器的制備工藝已經十分成熟, 具有陣列規模大、有效像元率高、穩定性高、工藝重復性好等特點。InSb單晶采用熔煉、直拉法等晶體生長工藝制備, 摻入Te來形成n型半導體, 采用化學-機械拋光來減小表面缺陷。通過擴散Cd工藝或離子注入Be工藝在表面進行p型摻雜, 從而形成p+-on-n二極管。目前國內常用的InSb單晶是2 in和3 in單晶片, 國際上6 in的InSb單晶片正在研發。

在InSb焦平面探測器方面, 采用濕法腐蝕/干法刻蝕形成臺面; 采用SiOX、SiON等介質膜對芯片表面進行鈍化, 減小表面漏電流; 采用Ti/Ni/Au或Cr/Au電極形成良好的歐姆接觸, 完成焦平面陣列芯片的制備。讀出電路在完成電路及芯片版圖設計后, 采用標準CMOS工藝在集成電路代工廠進行流片加工, 流片完成后再經測試、篩選及銦柱制備滿足焦平面芯片制備需要[4]。

InSb焦平面芯片的封裝主要有四種結構, 如圖4所示。(1)非填充膠式: 在InSb芯片制作好后, 生長銦柱, 互連, 填充易溶式支撐材料, 減薄、溶解支撐材料, 共用電極為N。該技術使用較少, 主要出現于早期小面陣InSb探測器制作。(2)Si轉移固定技術: 在InSb芯片制作好后, 先粘到中介載體上, 減薄, 再轉移到雙拋Si片上, 生長銦柱, 互連, 共用電極為N, 通過增加Si支撐片, 可有效增強InSb芯片對熱失配的抵抗能力。(3)填充膠式: 在InSb芯片制作好后, 生長In柱, 互連, 填充膠, 固化, 減薄, 共用電極為N, 該技術在中、小面陣InSb探測器應用較多, 大部分公司采用該結構, 為主流結構。(4)InSb-Si鍵合技術: InSb成結后, 與雙拋p-Si鍵合, 減薄, 刻蝕成陣列, 生長銦柱, 互連, 共用電極為P。該技術與前三種最大的不同是, 消除了探測器與Si讀出電路的應力失配, 可靠性高, 適合于中大規模的InSb焦平面探測器制備方案, 目前只有LJ公司采用該技術路線。

圖4InSb焦平面探測器技術路線

Fig.4InSb focal plane detector technology route

在杜瓦方面, 以系列化金屬杜瓦為主, 同時還可使用玻璃杜瓦、金屬—玻璃復合杜瓦、快啟動金屬薄壁結構滿足不同的應用要求; 在制冷方面, 可根據用戶需求選配機械制冷機以及自調式、直噴式J-T、斯特林制冷器等多種結構。

在T2SL探測器方面, 主要在GaSb襯底上, 采用分子束外延工藝制備, 而在InAs襯底上采用MOCVD生長T2SL材料的工藝也正在快速發展。T2SL因材料及芯片結構差異而制備工藝稍有不同外, 其余與InSb探測器基本相同, 如圖5所示。CaSb襯底和InSb襯底的制備工藝基本相同, 但外延襯底對缺陷密度、表面粗糙度等要求更為嚴格。分子束外延設備能對材料進行原子層厚度級別的精確調控, 有利于對材料結構進行精確控制。

圖5銻化物焦平面陣列工藝路線

Fig.5Antimonide focal plane array process route

3InSb探測器

3.1 InSb探測器簡介

InSb是一種具有閃鋅礦結構的Ⅲ-Ⅴ族化合物半導體材料, 具有較窄的禁帶寬度和較高的電子遷移率, 在77 K溫度下, 其禁帶寬度為0.227 eV, 對3~5.5 μm紅外波段非常敏感, 由于是本征吸收, 量子效率高, 因此廣泛應用于中波紅外探測器的研制[5]。InSb探測器性能好, 成本低, 器件制造工藝成熟, 雖然由于本征載流子濃度原因導致其理論上的性能極限低于HgCdTe, 但從西方發達國家數十年來的發展經驗來看, InSb始終是最重要的紅外探測器之一, 在紅外制導及紅外光電設備等高性能軍用系統應用中波紅外探測器領域中占主導地位。

InSb探測器始于20世紀50年代, 60年代研制出多元、線列探測器, 80年代開始焦平面探測器的研制, 至90年代基本發展成熟, 目前向著更小光敏元尺寸、更大陣列規模的方向發展。InSb探測器擁有完整的產品系列, 包括128×128,320×256,640×512,1K×1K,2K×2K,4K×4K,8K×8K以及其他定制規格, 像元中心距主要有12, 15, 25, 30, 50等, 10 μm及更小的像元中心距的產品也已經開發成功, 如圖6~7所示。2K×2K及以下的InSb焦平面陣列已經成為商用貨架產品, 并且8K×8K已經在宇航和軍用領域得到應用。InSb探測器無論是技術性能、陣列規模, 還是探測器生產規模, 代表了當今紅外探測器發展的最高水平。

圖6RVS公司InSb焦平面陣列發展歷史

Fig.6RVS InSb focal plane array development history

圖74×2K×2K ORION InSb焦平面陣列用于天文望遠鏡

Fig.74×2K×2K ORION InSb focal plane array for astronomical telescope

InSb紅外焦平面陣列按用途形成了不同的技術特點。低背景戰術應用的InSb陣列特點為規模大、噪聲低、工作溫度低、幀頻低; 中、高背景戰術應用的InSb陣列主要用于導彈制導和熱成像。陣列特點為規模適度、電荷處理能力強、幀頻高。InSb焦平面探測器在美國軍用中波紅外系統中占有主導地位, 主要包括精確制導和紅外熱成像兩個方面。在精確制導方面主要有: AIM-9X“響尾蛇”空空導彈(128×128), FIM-92E/F“毒刺”便攜防空彈(128×128), THAAD“薩德”末端高空防御反導導彈(256×256), RIM-116B“拉姆”艦載防空反導導彈(128×1)等; 紅外熱成像方面主要有: V-14M多傳感器機載系統(320×240), Star SAFIREⅢ, Sea Star SAFIRE Ⅲ轉塔(640×480), AN/AAQ-27、AN/AAQ-29系統(640×480), AN/AAS-5多光譜瞄準系統(MTS-A)(640×480), Global Hawk集成傳感器(ISS)(640×480)等。此外, 俄羅斯、以色列、南非等國家也使用了大量裝備InSb焦平面探測器的軍用紅外系統。

3.2 分子束外延InSb

英國QinetiQ公司和以色列SCD公司分別采用分子束外延技術在重摻雜的InSb襯底上生長pin結構的InSb。通過控制材料的摻雜濃度以及采用更為精細的結構設計能有效控制熱生載流子, 減小器件的暗電流水平, 從而提升探測器的工作溫度。2003年英國QinetiQ公司報道了256×256 InSb焦平面探測器, 110 K溫度下成像質量與80 K溫度下十分相近, 且在130 K溫度下仍然保持較好的成像效果, 如圖8所示。2007年以色列SCD公司推出兩款商用外延InSb產品PICCOLO“C”和GALI, 在95 K溫度下探測器性能指標與標準離子注入工藝80 K溫度下性能指標相當。外延InSb完全繼承了傳統InSb工藝的優點, 且能夠減低探測器組件功耗20%~30%, 同時配合相應的臺面制備工藝能夠有效減小光生載流子的橫向擴散, 從而減小光敏元之間的光學串音。

圖8256×256 InSb焦平面探測器成像

Fig.8256 × 256 InSb focal plane detector imaging

2014年法國SOFRADIR公司的Evirgen等人采用分子束外延nBn結構的InSb, 進一步減小探測器內部暗電流[6,7]。該方案采用InAlSb材料作為nBn結構中的勢壘層, 為了減小勢壘層對外延材料產生的失配作用, 采用Al組分漸變的勢壘結構設計, 將Al組分由小到大逐漸增加, 同時調控勢壘層的摻雜濃度, 保證勢壘層導帶/價帶對器件內部載流子輸運的選通作用。在標準的Ⅲ-V半導體器件測試系統中, 在F/3和量子效率80%的標準條件下, 以暗電流低于光電流兩個數量級為標準, 衡量探測器的工作溫度。nBn結構的InSb探測器能夠工作于120 K, pin結構的InSb能夠工作于100 K, 而離子注入工藝的InSb工作溫度為80 K, 如圖9所示。

圖9三種不同制備工藝InSb探測器工作溫度對比

Fig.9Comparison of InSb working temperature detector with three different preparation processes

3.3 InSb平面雙色探測器

雙色探測器通過對比目標在兩個波段內的光譜信息來增強對目標的識別能力, 在精確制導和來襲告警等領域能夠降低虛警率。對于InSb探測器, 通常是通過濾光片將InSb的響應波段分成兩個部分。主要采用的技術方案有: 分立集成(Hybrid)和單片集成(Monolithic)。

分立集成主要是通過光學分光, 將不同波段的紅外輻射透射到兩個分立InSb焦平面探測器上, 具有高幀頻、高空間分辨率、高光譜分辨率等, 但對光學系統設計有很高的要求, 且在系統設計上要求更大的空間。2012年以色列SCD公司推出了一款分立式雙色InSb焦平面探測器, 由兩個480×384/20 數字InSb焦平面陣列組成, 每個焦平面陣列有獨立的冷屏和濾光片, 如圖10所示。將探測器的光學系統集成到同一個杜瓦中以減小整體的重量和體積, 信號輸出通過讀出電路同步[8]。

圖10雙色IDCA探測器組件

Fig.10The two-color IDCA detector assembly

單片集成主要是采用單個InSb焦平面陣列, 通過濾光膜來對不同區域的光敏元的響應波段進行分區。濾光膜制備到單獨的濾光片上或直接制備到探測器芯片表面。單片集成雙色探測器和單色InSb探測器具有幾乎完全相同的系統設計, 但是會損失探測器的空間分辨率, 濾光膜的制備工藝要求很高, 并且存在串音風險。2003年Cincinnati Electronics發表了一種并列式雙色InSb焦平面探測器設計方案, 如圖11(a)所示[9]。該方案在Si基的CCD可見光相機中已經被應用, 并且可以有多種不同的雙色組合方案, 如圖11(b)所示的棋盤格式方案等。

圖11并列式和棋盤格式雙色焦平面探測器

Fig.11Side-by-side and checkerboard format dual-color focal plane detectors

4 T2SL探測器

4.1 T2SL探測器簡介

T2SL材料通常采用分子束外延技術生長。通過調節多層半導體薄膜的排列周期及摻雜濃度可對其禁帶寬度進行“人工裁剪”, 實現從短波至甚長波紅外波段吸收的調節。T2SL材料主要包括InAs/GaSb、InAs/GaInSb以及InAs/InAsSb等, 主要在GaSb襯底上生長以實現晶格匹配。

InAs/GaSb T2SL材料是由InAs薄膜和GaSb薄膜按照不同的排列周期, 相互堆疊形成。在InAs和GaSb層的界面, InAs層的導帶頂比GaSb層的價帶底還要低約150 meV, 從而形成type-Ⅱ類異質結結構。T2SL材料的禁帶寬度是由布里淵區中電子微帶(C1)底和第一重空穴微帶(HH1)頂之間的帶隙構成的。根據薄膜的厚度及排列方式不同, 理論上T2SL的禁帶寬度可以在0~400 meV之間連續調節, 如圖12所示。

圖12InAs/GaSb超晶格能帶結構示意圖

Fig.12InAs / GaSb superlattice energy band structure diagram

T2SL材料的研究最早可追溯到1977年, Sai-Halasz等人第一次在理論上提出了InAs/GaSb T2SL的概念。從2000年開始, 隨著分子束外延技術的迅速進步, 國際上不斷涌現出以T2SL材料為基礎的理論研究、材料制備研究及器件研究。歐美研究機構對高質量的T2SL材料設計與生長、器件物理機理和焦平面探測器研制等進行了全面研究, 并在T2SL材料系統的理論基礎研究和材料應用方面取得了重大突破, 如圖13所示。同時T2SL材料應用到第三代紅外探測器上的技術優勢得到了充分驗證。目前, T2SL焦平面陣列的性能已經十分接近HgCdTe和InSb[10,11,12]。

圖13T2SL焦平面陣列發展路線圖

Fig.13T2SL focal plane array development roadmap

T2SL焦平面陣列的主要優勢包括:

·材料外延工藝和器件制備工藝成熟;

·材料均勻性好;

·器件響應波長在很寬的范圍內可調節;

·較小的Auger復合率。

國際上主要的紅外探測器制造廠商都投入了大量的資源進行開發, 其中最為著名的是美國VISTA項目。美國通過VISTA項目極大地推動了中波、長波和雙色T2SL焦平面陣列的發展。VISTA項目尋求建立T2SL焦平面陣列的工程化生產能力, 包括材料生長、讀出電路、焦平面陣列工藝、器件封裝等。該項目采用“水平整合(horizontal integration)”的方式來推進T2SL焦平面陣列的發展, 而非之前的“垂直整合(vertical integration)”模式。垂直整合是將項目研制的所有環節全部由一家公司承擔, 而水平整合是將項目的每個環節分別交給具有很強基礎的公司來承擔, 通過強強聯合來快速推進項目進展。在VISTA項目的推動下, T2SL焦平面陣列已經開始進入美國主要軍事項目, 例如F-35的下一代DAS。

4.2 高工作溫度紅外探測器

高工作溫度探測器是T2SL焦平面陣列的主要研究方向之一。以器件和材料結構的優化設計為兩個方向, 降低器件暗電流和噪聲, 從而提高探測器的工作溫度[13,14], 如圖14所示。

圖143 in襯底上制備的T2SL 2K×2K探測器的高溫成像圖

Fig.14High-temperature imaging of the T2SL 2K × 2K detector prepared on the 3-inch substrate

2006年美國的Maimon首次提出了nBn結構的中波紅外勢壘器件, 并演示了該結構在暗電流壓制上的獨特優勢。通過將探測器的暗電流壓制到一個接近系統測試極限的水平, 該探測器的背景限溫度成功地被提升到了150 K以上。美國Northwestern University 2012年報道了采用中波異質結的T2SL探測器, 實現了5 μm中波焦平面150 K以上成像, 130 K以下NETD保持11 mK。其后又在2015年報道了基于pMp結構的320×256單級型InAs/GaSb焦平面陣列, 當工作溫度為150 K時, 像元的暗電流密度為1.2×10-5A/cm2, 截止波長4.9 μm, 量子效率可達67%。2013年Teledyne公司推出了小型高工作溫度T2SL紅外焦平面探測器, 分辨率為640×512, 工作溫度可達150 K, 響應波長3~5 μm, 整機功耗小于8 W, 具備體積小、重量輕、低功耗等特點, 如圖15所示。

圖15640×512小型高工作溫度T2SL紅外焦平面探測器組件

Fig.15640 × 512 high operating temperature T2SL infrared focal plane detector assembly

美國Lockheed Martin公司將“引領全球nBn結構的紅外探測器技術”作為公司的發展戰略目標, 并于2015年推出了nBn結構的1 280×1 024中波紅外焦平面探測器樣機, 像元尺寸達到8 μm。此外, 美國空軍實驗室、雷神公司、美國海軍實驗室、新墨西哥大學、瑞典Irnova公司、法國Sofradir公司、德國弗朗霍夫研究所等國際上主要紅外探測器研制廠商都開展了高工作溫度紅外探測器的研制工作。

在長波高工作溫度方面, 由于禁帶寬度更窄, 熱生載流子引起的噪聲更加明顯, 主要采用InAs/InAsSb T2SL材料以提高器件性能。德國的IAF、波蘭的VIGO System在GaAs襯底上外延生長InAs/InAsSb材料, 截止波長在10 μm左右, 并且采用在芯片上制備微透鏡來提高探測器的響應率。

4.3 長波紅外探測器

T2SL焦平面陣列另一主要研究方向是長波紅外探測器。長波紅外探測器禁帶寬度更窄, 更容易受熱生載流子的影響, 在材料結構設計及器件制備過程中需要盡可能減小器件內部暗電流, 以減小器件噪聲。大氣環境下, 常溫物體自身輻射以及反射陽光的紅外輻射的峰值波段主要在長波波段, 因此, 長波紅外探測器具有重要應用價值[15]。

T2SL材料內部自身的Auger復合率較低, 有利于實現更小的暗電流水平, 晶格常數處于6.1?附近, 包含GaSb、InAs、AlSb, 具有靈活的材料結構設計空間, 可以設計成nBn、M型等勢壘型異質結結構來減小暗電流。此外, T2SL材料的電子有效質量在長波波段比HgCdTe更有優勢。因此, T2SL焦平面陣列被認為是HgCdTe在長波波段的有力競爭者。

俄亥俄州萊特-帕特森(Wright-Patterson AFB, OH, USA)空軍基地空軍研究實驗室于2004年報道了一個甚遠紅外探測器。他們通過理論計算模擬和實驗研究了不同InAs、GaSb子層厚度以及引入In組分對超晶格截止波長和器件性能的影響。美國噴氣推進實驗室于2006年報道了他們制作的GaSb基InAs/GaSb T2SL長波紅外光電二極管, 80 K時探測率為8×1010 cmHz1/2/W, 探測器截止波長為12 μm。2010年該實驗室又報道了1 K×1 K長波T2SL探測器, NETD為53 mK, 如圖16所示。2007年美國Northwestern University報道了320×256/25長波焦平面陣列, 截止波長為12 μm, 有效像元率為97%, NETD最高達到270 mK, 器件性能有待優化。2012年又報道了高性能1024×1024/18長波焦平面陣列, 采用M勢壘結構, 量子效率大于50%, NETD約為27 mK。2009年美國雷神夜視報道了256×256長波焦平面陣列, 截止波長10.5 μm, 工作溫度80 K。2015年以色列SCD公司報道了640×512/15 Pelican-D長波焦平面探測器, 截止波長9.5 μm, 有效像元率大于99%, 量子效率為48%, NETD為15 μm, 整機重量750 g, 如圖17所示。

圖161K×1K 長波T2SL FPA在80 K下成像

Fig.16 1K × 1K long wave T2SL FPA imaging at 80 K

圖17640×512/15 Pelican-D長波焦平面探測器組件及成像圖

Fig.17640 × 512/15 Pelican-D long wave focal plane detector assembly and imaging diagram

4.4 雙色及多色探測器

在InAs/GaSb T2SL多色探測器研究中, 美國、德國和以色列等國家一直處于世界領先地位[16,17,18]。美國Northwestern University量子器件中心以InAs/GaSb T2SL材料體系實現了從短波、 中波到長波波段的多色探測。首次報道了短波/中波雙色640×512紅外焦平面器件, 短波通道結構pin異質結, 中波通道結構為N-M-π-P。中波通道通過引入InAs/GaSb/AlSb/GaSb勢壘超晶格抑制器件暗電流[19]。焦平面成像如圖18所示, 在150 K工作溫度下, 器件短波和中波段截止波長分別為2.2 μm和5 μm。從圖中可以看出, 短波段通道與中波段通道在火焰成像、藍寶石眼鏡成像以及背景等方面存在不同的成像特征。此外, 2016年該團隊通過雙電極偏壓調制實現了高性能的短/中/長波三色探測器。中波和長波通道采用InAs/GaSb T2SL結構, 短波通道使用InAs/GaSb/AlSb/GaSb “M”型超晶格既可作為短波響應, 也可作為中波和長波的勢壘。2010年德國Fraunhofer實驗室首次報道了實用型的中波/中波288×384雙色焦平面探測器[20], 藍色通道的NETD達到了18 mK, 紅色通道則達到了10 mK, 顯示出極高的成像質量及較低的光學串擾, 如圖19所示。

圖18150 K下640×512 T2SL雙色紅外焦平面成像

Fig.18 640 × 512 T2SL dual-color infrared focal plane imaging at 150 K

圖1977 K下中波雙色焦平面成像

Fig.19Mid-wave dual-color focal plane imaging at 77 K

在目前的多色紅外探測器研究中, 如何通過器件結構設計降低光學串擾是多色紅外探測器中存在的關鍵問題之一。此外, 近年來隨著InAs/InAsSb及其相應的勢壘超晶格在能帶設計和材料外延上的突破, 基于InAs/InAsSb T2SL體系的紅外探測器研究得到迅速發展。因此, 基于PBP雙色器件結構, 將InAs/InAsSb T2SL取代其中的InAs/GaSb T2SL理論上能夠實現高工作溫度下的中/短波雙色紅外探測。

4.5 InAsSb探測器

InAsSb屬于三元合金材料, 通過調節InSb和InAs的比例能夠調節禁帶寬度[21,22,23]。InAsSb的晶格常數與外延襯底GaSb匹配, 150 K溫度下截止波長在4.2 μm左右。InAsSb探測器的材料結構主要采用nBn、XBn、pBp等來減小器件內部暗電流, 實現高工作溫度。nBn結構是在兩個n型半導體材料之間插入一層勢壘層, 沒有傳統pn結的耗盡層, 因此與耗盡層相關的G-R電流和隧穿電流被大幅減小。通過勢壘結構在導帶和價帶上的帶階設計, 在減小噪聲的同時, 不會對光生載流子的傳輸產生明顯影響。此外, nBn結構有利于減小表面漏電流, 由此減小對表面鈍化工藝的要求。

首款商用的InAsSb探測器是由Santa Barbara Focalplane開發完成, 工作溫度在145~175 K之間。IRCameras公司的QUAZIRHD Camera采用Santa Barbara Focalplane提供的1280×1024/12 InAsSb焦平面陣列, 工作壽命可達25000 h, 功耗約為5 W。SCD公司的InAsSb焦平面陣列主要采用XBn結構, 其Hercules產品的陣列規模為1280×1024, 像元中心距為15 μm, 幀頻為100 Hz, NETD小于25 mK, 有效像元率大于99.5%, 工作溫度為150 K, 工作波段為2.0~4.2 μm, 如圖20所示。將探測器工作溫度由80 K提升到150 K后, 能夠顯著減小探測器組件的功耗、啟動時間、重量等, 如圖21所示。SCD公司已將InAsSb焦平面陣列開發成貨架產品, 并且計劃將現有InSb產品系列均開發相同規格的InAsSb焦平面探測器產品。2015年Cyan Systems發布了一款2 040×1 156/5的超大InAsSb焦平面陣列, 是目前陣列規模最大, 像元最小的InAsSb焦平面陣列。

圖201 280×1 024 Hercules XBn焦平面陣列

Fig.201 280×1 024 Hercules XBn focal plane array

圖21高工作溫度探測器明顯優勢

Fig.21Obvious advantages of the high operating temperature detector

4.6 InAlSb探測器

InAlSb是根據第三代紅外探測技術的要求對InSb材料的進一步發展[24,25]。AlSb的禁帶寬度為2.386 eV, InSb的禁帶寬度為0.235 eV, 在InSb中加入少量的Al組分能夠有效提升禁帶寬度, 從而減小由溫度升高引起的熱噪聲。InSb在77 K溫度下截止波長為5.4 μm, 加入Al組分后吸收波長向短波偏移 根據經典Varshni模型, 4.8 μm截止波長的InAlSb中Al組分為1.83%, 與InSb襯底的晶格失配為0.095%, 有利于實現高質量、低缺陷的外延材料生長。此外, 基于InSb的焦平面紅外探測器制備技術已經十分成熟, 由于Al組分很少, 在探測器制備工藝上InAlSb與InSb的兼容性很高, 有利于制備出大面陣、高質量的焦平面陣列器件。

2003年英國QinetiQ公司采用分子束外延的方式生長了InSb和InAlSb材料。其制備的InAlSb p+-n-n+結構焦平面器件中Al組分為3.5%, 截止波長4.2 μm。2005年以色列的SCD公司制備出320×256的InAlSb焦平面器件, 同樣采用p+-n-n+結構, Al組分為1.8%, 截止波長4.8 μm, 暗電流和InSb相比低一個數量級, 在110 K的工作溫度下能夠對1.5 km外的電線桿清晰地成像, 如圖22所示。但由于p+-n-n+結構中耗盡層的影響, 130 K以下InAlSb器件的暗電流仍以G-R電流為主, 沒有達到擴散限, 如何進一步減小器件內部暗電流是提升工作溫度的關鍵所在。

圖22SCD公司320×256 InAlSb探測器對1.5 km外電線桿成像

Fig.22Image of a telephone pole far away 1.5 km by SCD’s 320 × 256 InAlSb detector

5 未來發展趨勢

隨著MOCVD和MBE等外延生長技術的應用, 器件制造技術與材料生長技術將更加密不可分; 先進的硅集成電路設計與制造技術、計算機信息處理技術使得探測器具備更多的功能和信息處理手段。

未來銻化物探測器的技術發展主要體現在:

(1) 光敏元數量向大規模、超大規模陣列方向發展, 例如美國已經制訂8 K×8 K乃至更大規模陣列焦平面的發展規劃。光敏元尺寸向更小方向發展, 8 μm像元中心距的產品已有相關產品報道, 并且將進一步減小到5 μm甚至更小。在具體的焦平面芯片制備工藝方面, 為降低生產成本, 提高制造成品率, 則呈現多種工藝路線并存的局面[26]。

(2) 在讀出電路發展方面, 借助于微電子技術的發展, 其陣列規模不斷增大, 功能越來越強, 視窗選擇、 盲元剔除、非均勻校正、探測器信號模數轉換、高速傳輸及預放大處理、2D或3D圖像處理等功能已經或即將出現, 智能化成為發展方向。

(3) 信息處理的標準化、模塊化, 使得前置放大或預處理電路逐步成為探測器的有機組成部分; 二元光學技術的應用及設計理念的變更, 加速了部分系統光學零部件向探測器的集成。

銻化物紅外探測器領域技術發展路線如圖23所示。預期至2025年, 銻化物探測器陣列規模將達8 K×8 K, 像元中心距可達5 μm, NETD在5~10 mK左右, 光譜拓展到16 μm, 探測器可在150~180 K溫度條件下正常工作, 達到熱電制冷溫度區域; 至2030年, 探測器的發展將主要集中于SwaP-C方面, 雖然陣列規模、像元尺寸不會有太大變化, 但器件性能將進一步提高, NETD可達1 mK水平, 工作溫度可提高至200 K以上, 具備智能化信息處理能力, 同時成本將大幅降低, 能夠滿足更多的應用需求; 至2035年, 基本實現以“超越規模”為基本特征的四代器件技術, 完成以光學系統集成、“超越像元”為特征的高端四代器件技術。

圖23銻化物紅外探測器領域發展路線圖

Fig.23Roadmap for the development of antimonide infrared detectors

責任編輯：lq