由于Ⅱ類(lèi)超晶格能帶中的電子空穴波函數(shù)交疊減少，使Ⅱ類(lèi)超晶格的吸收系數(shù)較小，量子效率偏低，限制了Ⅱ類(lèi)超晶格紅外探測(cè)性能。

提升紅外焦平面陣列探測(cè)器的方法主要包括提升芯片內(nèi)部的光吸收與外部的光注入兩種，其中在芯片表面生長(zhǎng)或沉積增透減反膜（AR coating）是一種提高光子注入的有效手段，通過(guò)薄膜干涉原理，使通過(guò)增透介質(zhì)界面的反射光相互干涉而抵消，從而達(dá)到減少反射損失、實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)透過(guò)的目的。目前單層膜的背增透技術(shù)已成熟應(yīng)用在國(guó)內(nèi)外所報(bào)道的紅外焦平面陣列探測(cè)器中。然而，隨著日益增長(zhǎng)的對(duì)探測(cè)器性能優(yōu)化的需求，單層膜的材料單一，提升能力有限，亟需開(kāi)發(fā)更加靈活有效的芯片背增透技術(shù)。

據(jù)麥姆斯咨詢(xún)報(bào)道，近期，華北光電技術(shù)研究所的科研團(tuán)隊(duì)在《激光與紅外》期刊上發(fā)表了以“Ⅱ類(lèi)超晶格紅外探測(cè)器多層膜背增透研究”為主題的文章。該文章第一作者為游聰婭。

本文通過(guò)FDTD Solutions建立Ⅱ類(lèi)超晶格紅外焦平面陣列器件仿真模型，通過(guò)改變多層膜中的膜系厚度得到透射和反射光譜，經(jīng)由仿真結(jié)果選擇合適的膜系及厚度，最終實(shí)現(xiàn)探測(cè)器的性能提升與響應(yīng)波長(zhǎng)的調(diào)控。

Ⅱ類(lèi)超晶格多層增透膜設(shè)計(jì)

多層增透膜光學(xué)仿真結(jié)構(gòu)

光學(xué)薄膜通過(guò)干涉作用改變了光的傳輸特性，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)光的調(diào)控，包括增透、減反、分束等功能。本文為選擇出最佳的增透減反膜材料和對(duì)應(yīng)厚度，通過(guò)FDTD仿真來(lái)計(jì)算具有增透膜的Ⅱ類(lèi)超晶格結(jié)構(gòu)的透射、反射光譜。所構(gòu)建的Ⅱ類(lèi)超晶格紅外焦平面探測(cè)器的光學(xué)仿真結(jié)構(gòu)如圖１所示。該結(jié)構(gòu)中，InAs/GaSb Ⅱ類(lèi)超晶格吸收層的厚度設(shè)為8 μm，背減薄后預(yù)留GaSb襯底厚度設(shè)計(jì)為30 μm，芯片為背照式結(jié)構(gòu)。

圖1 Ⅱ類(lèi)超晶格紅外焦平面探測(cè)器背增透結(jié)構(gòu)示意圖

增透膜層材料的選擇

本文的研究目的是提升Ⅱ類(lèi)超晶格長(zhǎng)波紅外探測(cè)器的量子效率。在長(zhǎng)波紅外波段，可選擇的薄膜材料主要包括硫硒化物、氟化物、半導(dǎo)體材料和部分的氧化物等。為盡量地減少光損失，選擇的增透膜材料在長(zhǎng)波波段需要具有較小的紅外吸收系數(shù)，此外，折射率、化學(xué)穩(wěn)定性、復(fù)合膜層結(jié)合牢固度等也是膜層材料選擇時(shí)需要考慮的因素。

ZnS具有良好的紅外透過(guò)性能，其透過(guò)范圍覆蓋3～5 μｍ、8～12 μｍ的中波、長(zhǎng)波大氣窗口，折射率約為2.2，被廣泛地應(yīng)用在紅外探測(cè)器的背增結(jié)構(gòu)中。Ge是一種具有高折射率的半導(dǎo)體材料，其折射率約4.0，紅外透過(guò)范圍可遠(yuǎn)至23 μｍ。本文的背增透Ⅱ類(lèi)超晶格結(jié)構(gòu)中，基底材料主要包括GaSb襯底層和InAs/GaSb吸收層，其折射率分別約為3.8和3.5。通過(guò)高低折射率材料的結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)更高透過(guò)率和更寬光譜范圍的調(diào)節(jié)。考慮到基底的折射率，本文選擇ZnS/Ge/ZnS多層膜結(jié)構(gòu)構(gòu)建具有高低折射率特性的長(zhǎng)波紅外增透膜系。

單層增透膜與多層增透膜對(duì)比

由單層薄膜干涉原理可知，隨著膜厚度的增大，單層介質(zhì)增透膜的中心透過(guò)波長(zhǎng)將向更大波長(zhǎng)的方向移動(dòng)。隨著增透目標(biāo)紅外波段的延長(zhǎng)，單層介質(zhì)增透膜的增透效果已難以滿(mǎn)足實(shí)際需要，過(guò)高的厚度也會(huì)對(duì)薄膜機(jī)械牢固度和探測(cè)器芯片應(yīng)力帶來(lái)不利影響。通過(guò)FDTD仿真計(jì)算，獲得背增透膜總厚度均約為1.8 μｍ時(shí)的Ⅱ類(lèi)超晶格探測(cè)器長(zhǎng)波透過(guò)光譜，其中多層增透膜結(jié)構(gòu)為ZnS/Ge/ZnS，厚度為0.4/1.2/0.2 μｍ，單層增透膜為ZnS，結(jié)果如圖2所示。由于GaSb在長(zhǎng)波紅外具有較大的吸收，使30 μｍ GaSb透過(guò)率小于60%，限制了探測(cè)器的量子效率。在8～11 μｍ范圍內(nèi)，單層膜和多層膜均可有效提高薄膜透過(guò)率，但ZnS/Ge/ZnS三層復(fù)合增透膜具有更良好的增透效果，而ZnS單層膜則表現(xiàn)出緩慢的、寬譜范圍的透過(guò)提升。與傳統(tǒng)寬譜紅外增透膜不同，本文中所考慮的紅外增透膜應(yīng)在較窄光譜范圍內(nèi)對(duì)入射光透過(guò)率有更加明顯的提升。圍繞這一需求，由圖２仿真結(jié)果可以看出，在相同的膜層厚度下，GaSb基的多層高低折射率增透膜結(jié)構(gòu)比單層增透膜更能實(shí)現(xiàn)研究目的。

圖2 Ⅱ類(lèi)超晶格探測(cè)器透過(guò)光譜仿真

增透膜層厚度的優(yōu)化

與鍍制紅外窗口增透膜不同，紅外焦平面探測(cè)器中的Ⅱ類(lèi)超晶格對(duì)應(yīng)力十分敏感，多周期和復(fù)雜的增透膜結(jié)構(gòu)極有可能導(dǎo)致其應(yīng)力失衡，使表面出現(xiàn)裂紋，從而在探測(cè)成像中造成大量的盲元。由于薄膜干涉效應(yīng)，增透膜系中膜層材料的折射率、膜層的厚度是增透膜透過(guò)和反射特性的決定性因素。因此本文通過(guò)優(yōu)化單周期的ZnS/Ge/ZnS增透膜層厚度以提升目標(biāo)波段內(nèi)的響應(yīng)性能及調(diào)控光譜探測(cè)范圍。

在高低折射率的多層復(fù)合膜結(jié)構(gòu)中，高折射率材料往往對(duì)薄膜最終的增透特性有更大的影響。為此，通過(guò)調(diào)節(jié)多層增透膜中Ge的厚度，可實(shí)現(xiàn)增透膜透過(guò)特性的靈活調(diào)節(jié)。圖３為改變中間層高折射率的Ge厚度時(shí)，通過(guò)FDTD仿真計(jì)算得到的包含增透膜的GaSb基底Ⅱ類(lèi)超晶格薄膜的反射光譜。由圖３結(jié)果可知，Ge膜層的加入使探測(cè)器反射光譜產(chǎn)生了較大的振蕩，隨著Ge厚度的增加，薄膜在8～12 μｍ的反射率最小值逐漸向更長(zhǎng)波方向移動(dòng)，并且由于Ge的折射率高于Ⅱ類(lèi)超晶格材料，Ge厚度過(guò)大，還會(huì)增大光的反射，導(dǎo)致探測(cè)器響應(yīng)下降。因此針對(duì)所采用的Ⅱ類(lèi)超晶格紅外探測(cè)器的目標(biāo)光譜響應(yīng)波長(zhǎng)，優(yōu)化選擇Ge膜層的厚度為1.4 μｍ。最終選取外層ZnS和內(nèi)層ZnS的厚度分別為0.1 μｍ和0.4 μｍ，仿真計(jì)算得10 μｍ處的反射率約為12.93%。

圖3 不同波長(zhǎng)下改變Ge厚度的薄膜反射率

Ⅱ類(lèi)超晶格多層增透膜制備

與讀出電路互連的焦平面陣列探測(cè)器芯片經(jīng)背減薄后留下約30 μｍ的GaSb襯底。將芯片經(jīng)清洗處理后，將讀出電路焊盤(pán)用膠保護(hù)，采用熱蒸發(fā)真空鍍膜工藝在整個(gè)GaSb襯底背面逐層沉積多層增透膜，并通過(guò)腔體加熱提高膜層的牢固度和可靠性。多層增透膜為ZnS/Ge/ZnS結(jié)構(gòu)，厚度分別為0.4 μｍ、1.4 μｍ和0.1 μｍ。圖４為所制備的多層增透膜在中心及邊緣位置的厚度，預(yù)計(jì)薄膜總厚度為1.9 μｍ，實(shí)際測(cè)得薄膜中心區(qū)域厚度為1.853 μｍ，邊緣區(qū)域厚度為1.844 μｍ，所沉積薄膜具有良好的均勻性。

圖４ 沉積的多層增透膜中心及邊緣厚度

Ⅱ類(lèi)超晶格多層增透膜光譜測(cè)試

透過(guò)光譜測(cè)試

制備完成多層增透膜后，采用傅里葉紅外光譜儀分別對(duì)沉積多層增透膜前后的GaSb襯底陪片進(jìn)行透過(guò)光譜的測(cè)試，結(jié)果如圖5所示，在多層增透膜作用下，在中波出現(xiàn)了兩個(gè)較大的諧振峰，受限于厚度較大的GaSb襯底對(duì)長(zhǎng)波紅外的吸收，透射光譜在長(zhǎng)波紅外同樣實(shí)現(xiàn)了透過(guò)率的提升。為更清楚地顯示多層增透膜的增透特性，將增透后與增透前的透射率相除，得到的比值與入射光波長(zhǎng)的關(guān)系如圖6所示。

圖5 GaSb襯底沉積增透膜前后的透射光譜

在3.37 μｍ、4.86 μｍ和8.86 μｍ處，產(chǎn)生了透射率增益最大值。其中8.86 μｍ時(shí)，GaSb襯底薄膜透射率提升了27%，達(dá)到了長(zhǎng)波增透效果。薄膜制備工藝過(guò)程和仿真過(guò)程中邊界條件與實(shí)際情況的差異等造成了仿真計(jì)算結(jié)果與實(shí)際透過(guò)光譜結(jié)構(gòu)之間的偏差。

圖6 GaSb襯底沉積增透膜前后的透射率比值

響應(yīng)光譜測(cè)試

最終對(duì)制備多層增透膜的Ⅱ類(lèi)超晶格焦平面陣列探測(cè)器進(jìn)行光譜測(cè)試。以驗(yàn)證多層膜系的增透效果。采用的Ⅱ類(lèi)超晶格焦平面陣列像元規(guī)格為640 × 512，像元間距為20 μｍ。從圖７中可以看出，背增透前，探測(cè)器的響應(yīng)峰值波長(zhǎng)在7.5 μｍ處，50%截止波長(zhǎng)為9.4 μｍ。背增透后，由于多層增透膜在8.86 μｍ處存在透射峰，使背增后探測(cè)器的響應(yīng)峰值波長(zhǎng)延長(zhǎng)至8.655 μｍ，而器件的50%截止波長(zhǎng)，則延長(zhǎng)至了10.377 μｍ，與背增前相比延長(zhǎng)了將近1 μｍ。將不同波長(zhǎng)下背增前后的響應(yīng)率進(jìn)行對(duì)比，可得在背增膜透射峰8.86 μｍ處，探測(cè)器響應(yīng)率提高了55%，如圖8所示。

圖7 背增透前后的Ⅱ類(lèi)超晶格紅外探測(cè)器相對(duì)響應(yīng)光譜

圖8 背增透前后的Ⅱ類(lèi)超晶格紅外

因此，通過(guò)多層背增膜的制備，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了超晶格焦平面探測(cè)器響應(yīng)性能的提升與響應(yīng)光譜的調(diào)控，在提高響應(yīng)率的同時(shí)也延長(zhǎng)了探測(cè)器的后截止波長(zhǎng)，為探測(cè)器性能的進(jìn)一步優(yōu)化和探測(cè)器光譜的靈活調(diào)控提供了一種有效的方法。

為研究多層背增膜對(duì)器件響應(yīng)性能的影響，將背增前后的焦平面探測(cè)器封裝在中測(cè)杜瓦中進(jìn)行測(cè)試，獲得該器件的具體性能參數(shù)如表１所示。由測(cè)試結(jié)果可以看出，對(duì)于該探測(cè)器而言，經(jīng)背增后探測(cè)器響應(yīng)信號(hào)提升了38.6%，說(shuō)明多層背增透膜提升了器件的量子效率，很好地改善了Ⅱ類(lèi)超晶格焦平面探測(cè)器在長(zhǎng)波紅外的響應(yīng)性能。

表1 背增前后超晶格焦平面探測(cè)器性能參數(shù)

結(jié)論

本文通過(guò)仿真計(jì)算與實(shí)驗(yàn)分析相結(jié)合，設(shè)計(jì)了基于Ⅱ類(lèi)超晶格焦平面陣列探測(cè)器的多層背增透膜，確定了高低折射率膜層材料的選擇，并通過(guò)仿真計(jì)算對(duì)膜層厚度進(jìn)行了優(yōu)化。采用熱蒸發(fā)真空鍍膜技術(shù)實(shí)現(xiàn)所設(shè)計(jì)的多層增透膜的制備，獲得了具有良好均勻性的薄膜。通過(guò)透過(guò)光譜測(cè)試分析了GaSb襯底增透膜的透射峰，最終在超晶格焦平面探測(cè)器上進(jìn)行了應(yīng)用。通過(guò)響應(yīng)光譜和性能測(cè)試，證明了所設(shè)計(jì)的多層背增透膜可實(shí)現(xiàn)超晶格焦平面探測(cè)器響應(yīng)性能的提升與響應(yīng)光譜的調(diào)控。

審核編輯 ：李倩