摘要：武漢高芯科技有限公司從2014年開始制備基于InAs/GaSbII 類超晶格的長波紅外探測器。在本文中，報道了像元規(guī)模為640 × 512，像元間距為15 μm的長波紅外焦平面探測器。在77 K時，器件的50%截止波長為10.5μm，峰值量子效率為38.6%，當F數為2、積分時間為0.4 ms時，測得器件的噪聲等效溫差為26.2 mK，且有效像元率達99.71%。本文通過分子束外延（molecular beam epitaxy，MBE）技術與成熟的III-V族芯片技術，成功地驗證了在大于10 μm的長波波段，用超晶格代替HgCdTe實現國產化并大規(guī)模量產的可行性。

關鍵詞：InAs/GaSbII類超晶格；640 × 512；長波紅外；焦平面探測器

0引言

自20 世紀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器的應用材料以來，其優(yōu)良的性能受到了廣泛的關注。特殊的能帶結構，使其擁有與HgCdTe相似的光學性能，同時在抑制俄歇復合與隧穿電流的方面有天然的優(yōu)勢。隨著II類超晶格在紅外成像技術方面的快速發(fā)展，其性能已經接近HgCdTe。

除此之外，基于III-V族的材料生長與成熟的芯片工藝，通過MBE技術可在大尺寸的晶圓上獲得高質量的外延，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、低成本生產易于實現。

InAs/GaSb II類超晶格通過調節(jié)疊層材料的厚度可以實現多波段全覆蓋，我們于2015年報道了320 × 256短波、中波、長波焦平面探測器，其中中波NETD達到12.4 mK@80 K，長波NETD達到15mK@80 K，短波探測器信噪比≥100@80 K。本文主要報道在像元規(guī)模為640 × 512、像元間距為15 μm的InAs/GaSb II類超晶格長波紅外焦平面探測器方面取得的最新研究成果。

1器件制備

1.1材料結構

美國西北大學量子器件中心提出了一種M型超晶格結構，該結構對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，通過在InAs/GaSb中引入Al組分來形成M型勢壘層結構，可以對電子或空穴進行有效的阻擋，從而抑制表面漏電與隧穿電流的產生。

探測器采用p-π-M-n雙異質結結構，如圖1所示，利用MBE技術在GaSb襯底上依次生長p型緩沖層、500 nm的InAs/GaSbp型接觸層、2 ~ 3 μm的長波段InAs/GaSb吸收層、800 nm的InAs/GaSb/AlSbM型勢壘層、500 nm的InAs/GaSb n型接觸層以及20 nm的n型GaSb。

圖1 p-π-M-n雙異質結超晶格紅外探測器

1.2芯片工藝

完成MBE材料生長后，首先利用光刻與電感耦合等離子體（inductively coupled plasma，ICP）干法刻蝕來實現陣列臺面隔離，實驗證明，當氣體比例Ar:Cl2:H2＝22 時，能夠獲得較低的刻蝕損傷及平滑的側壁，再通過電化學陽極硫化生長～20nm的硫化層以及等離子體增強化學氣相沉積（plasma enhanced chemicalvapor deposition，PECVD）在300℃下沉積500 nm的SiO2，保證器件獲得較好的側壁鈍化效果及耐溫性能，再利用蒸發(fā)設備完成Ti/Pt/Au ＝ 50/50/300 nm的接觸電極以及4 μm的銦凸點的制備，如圖2所示，待完成劃片后，將單個模塊與讀出電路（ROIC）倒焊互聯(lián)，再將芯片減薄至60 μm，并通過拋光、抗反膜生長等工藝來完成芯片的制備，如圖3所示。最后通過焦平面測試系統(tǒng)對引線鍵合后的芯片進行測試。

2結果與討論

將芯片封裝成真空杜瓦中，其中濾光片前截止為7.7 μm，通過單色儀光譜測試系統(tǒng)對焦平面探測器在77 K下測得：探測器的50%截止波長約為10.5 μm，然后將測得的相對響應光譜經過計算得到量子效率與波長的關系如圖4所示，其峰值量子效率約為38.6%。

探測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調節(jié)ICP刻蝕條件，降低側壁角度與粗糙度，優(yōu)化光信號反射路線。③通過優(yōu)化拋光，抗反膜生長等工藝提高器件的外量子效率。

圖2 掃描顯微鏡圖

圖3 芯片工藝結束

圖4 量子效率隨波長的變化

利用焦平面暗電流測試系統(tǒng)對探測器在77 K下進行測試，結果如圖5所示：偏壓為-50 mV時，暗電流密度Id為3.8×10-5 A/cm2，動態(tài)電阻面積RA為2.4×103 cm2；偏壓為-150 mV時，Id為9×10-4 A/cm2，RA為4.9×102 cm2。

圖6為探測器面對20℃黑體且無非均勻性校正情況下的輸出信號圖，可以看出此長波探測器的整體均勻性很好，且無大團簇。探測器的響應非均勻性達4.61%，輸出的響應信號非常均勻，如圖7所示。

圖5 I-V與R-V曲線

圖6 探測器輸出信號圖

圖7 探測器響應信號圖

通過焦平面測試系統(tǒng)面對黑體溫度20℃ ~ 35℃，在77 K、F數為2、幀頻為25 Hz、積分時間為0.4ms（半阱）的測試條件下采集響應信號與噪聲信號，測得探測器性能：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32萬多個像元的NETD分布區(qū)間（近10 mK）非常窄，均勻性較好，探測器的整體性能較為突出。

圖8 NETD直方圖

3組件成像及國內外性能對比

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

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

圖9 640 × 512@15 m中波&長波探測器的成像對比

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內外各大研究機構納入重點研究計劃。表1為報道的部分國內外超晶格長波紅外探測器性能對比。對比可以發(fā)現，本文報道的640 ×512的InAs/GaSb II類超晶格長波紅外焦平面探測器基本達到了國際主流水平。

表1 部分超晶格長波探測器性能對比

4結論

本文主要報道了我們在640 × 512的InAs/GaSb II類超晶格長波紅外焦平面探測器方面取得的最新成果，77 K 的溫度時，探測器的50%截止波長~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%、響應非均勻性4.61%。探測器具有良好的均勻性，整體性能較為突出，對本司后期的量產有重要的指導意義。