銻化物超晶格紅外探測(cè)器具有均勻性好、暗電流低和量子效率較高等優(yōu)點(diǎn)，其探測(cè)波長(zhǎng)靈活可調(diào)，可以覆蓋短波至甚長(zhǎng)波整個(gè)紅外譜段，是實(shí)現(xiàn)高均勻大面陣、長(zhǎng)波、甚長(zhǎng)波及雙色紅外探測(cè)器的優(yōu)選技術(shù)，得到了國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究機(jī)構(gòu)的關(guān)注和重視，近年來(lái)取得了突破性的進(jìn)展。

據(jù)麥姆斯咨詢(xún)報(bào)道，中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所科研團(tuán)隊(duì)介紹了InAs/GaSb超晶格紅外探測(cè)器的技術(shù)特點(diǎn)和發(fā)展歷程，并對(duì)后續(xù)發(fā)展趨勢(shì)作了初步的展望和探討。相關(guān)研究?jī)?nèi)容以“銻化物超晶格紅外探測(cè)器研究進(jìn)展與發(fā)展趨勢(shì)”為題發(fā)表在《紅外與激光工程》期刊上。

InAs/GaSb超晶格紅外探測(cè)器的技術(shù)原理和特點(diǎn)

超晶格是由兩種晶格匹配良好的半導(dǎo)體材料交替重復(fù)生長(zhǎng)而形成的周期性結(jié)構(gòu)，每一層的厚度通常在納米尺度。根據(jù)組成材料相互間能帶排列特點(diǎn)，超晶格一般分為I類(lèi)超晶格和II類(lèi)超晶格。在III-V族化合物半導(dǎo)體中，InAs、GaSb、AlSb之間可組成不同類(lèi)別的能帶排列，GaSb/AlSb組成I類(lèi)能帶排列，InAs/GaSb、InAs/AlSb組成II類(lèi)能帶排列。特別的，InAs導(dǎo)帶底能量比GaSb價(jià)帶頂能量低約150 meV，當(dāng)InAs和GaSb結(jié)合時(shí)，兩者形成“破隙型”II類(lèi)能帶排列，電子被限制在InAs層中，而空穴被限制在GaSb層中。當(dāng)兩者組成超晶格時(shí)，相鄰InAs和GaSb層中電子和空穴會(huì)由于相互作用分別形成電子微帶和空穴微帶，如圖1所示。

圖1 InAs/GaSb超晶格能帶簡(jiǎn)圖

電子微帶與空穴微帶的能量差即為超晶格的有效禁帶寬度，隨著InAs層和GaSb層厚度的改變而改變。對(duì)InAs/GaSb II類(lèi)超晶格的能帶結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算和模擬，可以獲得超晶格材料光電特性等信息。圖2是InAs/GaSb超晶格的截止波長(zhǎng)隨InAs厚度變化關(guān)系，通過(guò)改變InAs層的厚度，可以調(diào)節(jié)超晶格的截止波長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)短波紅外、中波紅外和長(zhǎng)波紅外等不同譜段的紅外探測(cè)。

圖2 InAs/GaSb II類(lèi)超晶格截止波長(zhǎng)隨InAs厚度變化關(guān)系（GaSb厚度為2.1 nm）

總體來(lái)說(shuō)，InAs/GaSb超晶格紅外探測(cè)技術(shù)具有如下特點(diǎn)：

1）改變周期厚度可以調(diào)節(jié)InAs/GaSb超晶格的禁帶寬帶（響應(yīng)截止波長(zhǎng)），因此，可以通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)靈活調(diào)節(jié)超晶格探測(cè)器的光電響應(yīng)特性，響應(yīng)波段可以覆蓋短波至甚長(zhǎng)波的整個(gè)紅外譜段，并實(shí)現(xiàn)多色探測(cè)。

2）InAs/GaSb超晶格結(jié)構(gòu)可以吸收垂直入射光。理論計(jì)算表明，InAs/GaSb超晶格可達(dá)到與HgCdTe材料相當(dāng)?shù)奈障禂?shù)，因此具有較高的量子效率。

3）在InAs/GaSb超晶格結(jié)構(gòu)中，由于輕、重空穴帶的分離，抑制了Auger復(fù)合速率。在理論上，InAs/GaSb超晶格比HgCdTe具有更高的探測(cè)率。

4）相比HgCdTe材料，InAs/GaSb超晶格有更大的有效質(zhì)量，有助于抑制長(zhǎng)波探測(cè)器的隧穿暗電流。

5）現(xiàn)代材料生長(zhǎng)技術(shù)，如分子束外延技術(shù)，可以在單原子層精度上控制材料的生長(zhǎng)，十分有利于材料性能的可控性、穩(wěn)定性和可重復(fù)性。

6）InAs/GaSb超晶格是III-V族化合物半導(dǎo)體材料，材料生長(zhǎng)與器件工藝較為成熟，有利于實(shí)現(xiàn)大規(guī)格、高均勻性焦平面器件。

銻化物超晶格焦平面探測(cè)器發(fā)展歷程

技術(shù)孕育階段（20世紀(jì)80年代—21世紀(jì)初）

該階段主要是超晶格紅外探測(cè)技術(shù)概念的提出、超晶格探測(cè)器性能的理論計(jì)算分析、超晶格材料外延生長(zhǎng)和基本光電特性研究，初步證實(shí)了超晶格材料具有優(yōu)良的紅外探測(cè)性能。

超晶格概念是20世紀(jì)70年代美國(guó)國(guó)際商用機(jī)器（IBM）公司的江琦、朱兆詳?shù)热颂岢龅模赋鲭娮釉谘爻Ц癫牧仙L(zhǎng)方向運(yùn)動(dòng)將受到超晶格周期勢(shì)的影響，形成與自然界材料性能迥異的特性，分子束外延技術(shù)的發(fā)展又允許人們生長(zhǎng)出高質(zhì)量的超晶格材料。1977年，江琦、朱兆祥等人又提出了銻化物（InAs/GaSb）II類(lèi)超晶格的概念。

技術(shù)突破階段（21世紀(jì)初—2010年）

該階段主要聚焦于突破高性能焦平面器件制備的關(guān)鍵技術(shù)。采用先進(jìn)的異質(zhì)結(jié)構(gòu)抑制超晶格長(zhǎng)波探測(cè)器的暗電流；研究超晶格材料的刻蝕和側(cè)壁鈍化技術(shù)，制備出超晶格面陣器件。

長(zhǎng)波探測(cè)是超晶格技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向，而降低暗電流是長(zhǎng)波紅外探測(cè)器研究工作的一個(gè)重要內(nèi)容。對(duì)于銻化物超晶格探測(cè)器，利用其靈活的能帶結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)能力以及分子束外延低維材料生長(zhǎng)能力，國(guó)外各研究機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、制備出了多種寬禁帶勢(shì)壘的探測(cè)器結(jié)構(gòu)來(lái)抑制暗電流，如pπMn結(jié)構(gòu)、CBIRD結(jié)構(gòu)、nBn結(jié)構(gòu)等。上述不同結(jié)構(gòu)的基本思想是利用寬禁帶勢(shì)壘層與吸收區(qū)形成異質(zhì)結(jié)，從而達(dá)到抑制產(chǎn)生-復(fù)合電流的效果。

像元臺(tái)面刻蝕與側(cè)壁鈍化是超晶格焦平面制備研究的一個(gè)重要內(nèi)容。在臺(tái)面?zhèn)缺冢捎诎雽?dǎo)體周期性晶格結(jié)構(gòu)的突然中斷，會(huì)引起能帶在表面的彎曲，從而使得接近表面的半導(dǎo)體層內(nèi)形成電荷累積，甚至引起表面反型，這會(huì)導(dǎo)致在表面形成導(dǎo)電通道。另外，在刻蝕等工藝過(guò)程中產(chǎn)生的損傷、沾污或者氧化物等也可能引起表面勢(shì)能的變化，在帶隙內(nèi)形成載流子陷阱，增加隧穿電流。

隨著超晶格探測(cè)器結(jié)構(gòu)的不斷優(yōu)化，器件制備工藝水平的提升，基于高質(zhì)量分子束外延超晶格材料，結(jié)合前期建立的紅外焦平面技術(shù)（如讀出電路、銦柱混成互聯(lián)等），相關(guān)研究機(jī)構(gòu)相繼研制出了320×256、640×512、1024×1024等不同規(guī)格的超晶格紅外焦平面。

雙色或多色探測(cè)器具備多譜段探測(cè)能力，可顯著提升識(shí)別距離、抗紅外干擾與抗偽裝能力，是新一代焦平面探測(cè)器重點(diǎn)發(fā)展方向之一。銻化物超晶格材料能帶靈活可調(diào)及寬譜響應(yīng)的特性，使得其成為制備雙色、多色探測(cè)領(lǐng)域的優(yōu)選技術(shù)。各研究機(jī)構(gòu)先后報(bào)道了基于該材料體系的中/中波、中/長(zhǎng)波、長(zhǎng)/長(zhǎng)波雙色焦平面探測(cè)器。

技術(shù)發(fā)展階段（2010年—至今）

超晶格焦平面制備能力的提升

在相關(guān)政府機(jī)構(gòu)的支持下，西方技術(shù)先進(jìn)國(guó)家突破了超晶格結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料生長(zhǎng)、芯片制備工藝等關(guān)鍵技術(shù)，多家研發(fā)機(jī)構(gòu)先后獲得高性能的超晶格長(zhǎng)波大面陣器件和雙色焦平面器件。這些成果的取得也使人們充分認(rèn)識(shí)到超晶格技術(shù)在紅外探測(cè)領(lǐng)域的意義和價(jià)值。在此基礎(chǔ)上，2011年，美國(guó)啟動(dòng)了“重要紅外傳感器技術(shù)加速計(jì)劃（VISTA）”，這是一個(gè)由政府主導(dǎo)的，包括JPL、MIT林肯實(shí)驗(yàn)室、Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、海軍實(shí)驗(yàn)室等研究結(jié)構(gòu)，以及休斯實(shí)驗(yàn)室、洛克-馬丁公司、L3辛辛那提電子公司等行業(yè)領(lǐng)先公司的聯(lián)合體，技術(shù)鏈涵蓋了襯底制備、超晶格材料外延生長(zhǎng)、焦平面芯片制備工藝、讀出電路設(shè)計(jì)、超晶格組件集成等。在5年時(shí)間內(nèi)，VISTA計(jì)劃在高性能長(zhǎng)波、中長(zhǎng)波雙色、超大面陣焦平面、高溫工作（HOT）焦平面器件等多方面獲得了進(jìn)一步的發(fā)展。

圖3 （a）超晶格5 μm像元尺寸的SEM照片，（b）超晶格中波紅外焦平面在160 K和170 K工作溫度下成像示意圖，（c）超晶格中長(zhǎng)波雙色野外成像圖

超晶格焦平面的工程應(yīng)用

隨著制備能力和探測(cè)器性能的不斷提高，超晶格紅外焦平面開(kāi)始了應(yīng)用試驗(yàn)。2005年，德國(guó)IAF和AIM公司研制的中/中波超晶格雙色焦平面探測(cè)器應(yīng)用于歐洲大型運(yùn)輸機(jī)Airbus A400 M的多色紅外預(yù)警系統(tǒng)（MIRAS）。

圖4 非洲某地區(qū)的可見(jiàn)（來(lái)源谷歌地圖）和CTI紅外成像圖片（來(lái)自美國(guó)NASA國(guó)際空間站拍攝），Band 1為中波紅外圖像，Band 2為長(zhǎng)波紅外圖像

銻化物超晶格探測(cè)器的展望與思考

碲鎘汞是當(dāng)前最成功的紅外探測(cè)材料，其響應(yīng)波段可以覆蓋短波至甚長(zhǎng)波的整個(gè)紅外譜段，具有高的吸收系數(shù)和量子效率。由于碲鎘汞非常低的肖特基-里德-霍爾（SRH）復(fù)合速率，少子壽命長(zhǎng)，暗電流低，可以實(shí)現(xiàn)高性能紅外探測(cè)器。碲鎘汞的挑戰(zhàn)主要來(lái)自于材料生長(zhǎng)、芯片制備工藝等方面難度大及由此而帶來(lái)的成品率和制備成本等問(wèn)題。

InAs/GaSb超晶格在譜段覆蓋性方面和碲鎘汞一樣可以在短波至甚長(zhǎng)波整個(gè)紅外譜段內(nèi)調(diào)節(jié)。與碲鎘汞相比，超晶格紅外探測(cè)器在量子效率和少子壽命還需要進(jìn)一步的提升。但另一方面，InAs/GaSb超晶格屬于III-V族化合物半導(dǎo)體，其物理化學(xué)性質(zhì)較為穩(wěn)定，超晶格焦平面在空間均勻性、時(shí)間穩(wěn)定性等方面具有優(yōu)勢(shì)，同時(shí)，超晶格在材料、芯片的制備技術(shù)方面也具備更好的可控性。

近年來(lái)，InAs/GaSb超晶格紅外探測(cè)器取得了飛速的發(fā)展。在國(guó)外，超大規(guī)格、高像元密度、高溫工作中波焦平面、高性能長(zhǎng)波紅外焦平面及雙色焦平面等已先后獲得突破，超晶格探測(cè)器也已初步獲得航天應(yīng)用。國(guó)內(nèi)自“十二五”布局開(kāi)展銻化物超晶格紅外探測(cè)技術(shù)研究，相關(guān)研究單位先后在超晶格長(zhǎng)波焦平面技術(shù)、雙色焦平面技術(shù)等方面取得突破，初步形成了超晶格材料外延生長(zhǎng)、芯片制備等技術(shù)能力和平臺(tái)。后續(xù)，超晶格紅外探測(cè)技術(shù)將在進(jìn)一步提升材料基本性能（量子效率、少子壽命）的基礎(chǔ)上，發(fā)展大規(guī)格和超大規(guī)格紅外焦平面，高像元密度焦平面，甚長(zhǎng)波和雙色、多色探測(cè)器，高工作溫度紅外焦平面等。

提升超晶格材料基本性能

在少子壽命方面，在超晶格中，輕、重空穴帶的分離抑制了俄歇復(fù)合過(guò)程，因此，理論上超晶格的少子壽命可以比碲鎘汞更長(zhǎng)。但目前InAs/GaSb超晶格的少子壽命一般小于100 ns，與碲鎘汞相比有很大的差距，這主要是由于超晶格材料存在較強(qiáng)的SRH復(fù)合。InAs/InAsSb超晶格因表現(xiàn)出了更長(zhǎng)的載流子壽命而頗受關(guān)注，但對(duì)于相同的探測(cè)波長(zhǎng)，InAs/InAsSb超晶格的吸收系數(shù)較小；同時(shí)，InAs/InAsSb超晶格的空穴遷移率和擴(kuò)散長(zhǎng)度也較小。另一種新型超晶格材料——晶格匹配 InAs/GaAsSb超晶格展現(xiàn)出了優(yōu)良的光電性能，計(jì)算表明，對(duì)于相同的探測(cè)波長(zhǎng)，InAs/GaAsSb超晶格具有與InAs/GaSb超晶格相似的吸收系數(shù)。

在量子效率方面，由于在超晶格中電子和空穴分別位于InAs和GaSb層中，吸收系數(shù)的大小與電子波函數(shù)和空穴波函數(shù)的交疊積分相關(guān)，從而導(dǎo)致器件的量子效率隨波長(zhǎng)增大而下降。目前中波紅外超晶格探測(cè)器的量子效率可以實(shí)現(xiàn)70%~80%，長(zhǎng)波器件的量子效率約30%~40%。提升長(zhǎng)波、甚長(zhǎng)波超晶格焦平面器件的量子效率是一個(gè)重要的研究課題。近年來(lái)，采用超表面微納光子結(jié)構(gòu)提升器件量子效率成為一個(gè)有效途徑。與探測(cè)器集成的微納光子結(jié)構(gòu)主要包括一維、二維光子晶體、光柵、匯聚透鏡、微腔結(jié)構(gòu)等。近年來(lái)，美國(guó)麻省理工學(xué)院、空軍實(shí)驗(yàn)室、JPL等在該方面開(kāi)展研究并取得了較好的成果。

超晶格紅外焦平面發(fā)展趨勢(shì)展望

在焦平面器件發(fā)展趨勢(shì)方面，將充分利用超晶格自身技術(shù)優(yōu)勢(shì)，發(fā)展高像元密度大面陣探測(cè)器、甚長(zhǎng)波探測(cè)器、雙色和多色探測(cè)器、高工作溫度探測(cè)器及新型雪崩探測(cè)器等。

在高像元密度大面陣器件發(fā)展方面，國(guó)際上超晶格外延材料尺寸已經(jīng)達(dá)到6 in（1 in=2.54 cm），正向更大晶圓發(fā)展；像元尺寸已縮小至5 μm，最大規(guī)格達(dá)到6 K×4 K。國(guó)內(nèi)已具備4~6 in超晶格外延材料生長(zhǎng)和銻化物半導(dǎo)體探測(cè)器芯片制備能力，在小像元尺寸的臺(tái)面芯片制備方面也具有技術(shù)基礎(chǔ)。

在甚長(zhǎng)波紅外探測(cè)器方面，關(guān)鍵在于降低器件暗電流，紅外探測(cè)器的暗電流與少子壽命密切相關(guān)。因此，提升超晶格材料的少子壽命是一個(gè)重要的研究課題。晶格匹配InAs/GaAsSb新型超晶格材料有助于降低材料的深能級(jí)缺陷，從而提升少子壽命。降低器件暗電流的另一途徑是運(yùn)用InAs、GaSb、AlSb等材料間多樣的能帶排列方式，靈活設(shè)計(jì)出先進(jìn)的抑制暗電流器件結(jié)構(gòu)。最近，國(guó)外報(bào)道了14 μm超晶格甚長(zhǎng)波焦平面探測(cè)器，采用先進(jìn)勢(shì)壘設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，大大地抑制了器件的暗電流。

在實(shí)現(xiàn)高溫工作超晶格紅外探測(cè)器的研究方面，主要集中在設(shè)計(jì)和制備各種具有暗電流抑制功能的異質(zhì)勢(shì)壘結(jié)構(gòu)器件。國(guó)外研究機(jī)構(gòu)采用nBn等異質(zhì)勢(shì)壘結(jié)構(gòu)，很好地將超晶格中波紅外探測(cè)器的工作溫度提升至150 K以上。在國(guó)外，高溫工作的超晶格中波紅外焦平面已經(jīng)顯示出了替代傳統(tǒng)InSb器件的趨勢(shì)。

實(shí)現(xiàn)雙色或多色探測(cè)是超晶格發(fā)展的一個(gè)重要發(fā)展方向。超晶格主要采用改變材料周期厚度來(lái)調(diào)節(jié)響應(yīng)波長(zhǎng)，采用分子束外延技術(shù)，只要改變InAs、GaSb單層的生長(zhǎng)時(shí)間（改變層厚）就可以獲得不同響應(yīng)波長(zhǎng)的超晶格材料，因此非常容易在一次外延生長(zhǎng)過(guò)程中集成兩個(gè)甚至多個(gè)響應(yīng)不同波長(zhǎng)的探測(cè)器材料結(jié)構(gòu)。近期研究結(jié)果也表明，超晶格是實(shí)現(xiàn)雙色或多色探測(cè)的優(yōu)先技術(shù)。

在新型探測(cè)器方面，銻化物超晶格雪崩探測(cè)器（APD）近年來(lái)也備受關(guān)注。美國(guó)伊利諾斯大學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，InAs/GaSb超晶格的空穴/電子碰撞電離系數(shù)比可以近似為零，研制的電子雪崩型器件的增益為300時(shí)，過(guò)剩噪聲因子小于1.2。該團(tuán)隊(duì)與美國(guó)雷神公司合作研制的電子雪崩型超晶格APD，在增益為500時(shí)，過(guò)剩噪聲因子仍舊保持在接近于1的水平，表現(xiàn)出了極低的雪崩噪聲特性。

結(jié)論

這項(xiàng)研究簡(jiǎn)要介紹了銻化物超晶格紅外探測(cè)技術(shù)的技術(shù)特點(diǎn)、發(fā)展歷程及其發(fā)展趨勢(shì)。自InAs/GaSb超晶格紅外探測(cè)器的設(shè)想被提出后，30多年來(lái)，通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化和制備技術(shù)提升，國(guó)內(nèi)外研究結(jié)構(gòu)先后獲得了一系列的大面陣、高溫工作、長(zhǎng)波、多色紅外探測(cè)器，超晶格紅外焦平面也表現(xiàn)出了高均勻性、高穩(wěn)定性、高制備可控性等優(yōu)勢(shì)，并且在紅外遙感成像等航空航天領(lǐng)域得到應(yīng)用。今后，超晶格紅外焦平面將向著更高的像素密度、更大的規(guī)格、更高的工作溫度、甚長(zhǎng)波、雙色（多色）、雪崩器件等方向發(fā)展。

論文信息：

DOI: 10.3788/IRLA20230153

審核編輯：劉清