Ⅱ類超晶格紅外探測器在遙感中的應用前景

徐麗娜，鄧旭光，金佔雷，王智謀

北京空間機電研究所

 

1 引言

 

航天光學遙感器是遙感衛星的核心，為了提高遙感衛星的應用水平，用戶對後續航天光學遙感器提出了多譜段、遠紅外、高性能、長壽命和高可靠性等越來越高的要求，紅外遙感器已成為航天光學遙感器發展的必然趨勢。紅外遙感器具有自身的優勢：更好的全天候性能；可利用目標和背景紅外輻射特性的差異進行目標識別、揭示偽裝；可以穿透雲煙，探測到可見光無法探測的景物；隱蔽性好。因此，紅外光學遙感在軍事、氣象、水文、地質、環境監測、農業和林業等方面都有可見光遙感無法比擬的優勢。

 

隨著紅外遙感器的發展，高性能紅外探測器的需求也越來越迫切，目前應用最為廣泛的紅外探測器是碲鎘汞紅外探測器。Smith和Mailhiot在1987年將InAs/GaSb Ⅱ類超晶格材料應用於紅外探測器，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「交錯型」和「錯開型」，Ⅱ類超晶格紅外材料的出現克服了碲鎘汞紅外探測器存在的問題，同時又具備其優勢；通過調節材料的能帶結構和帶隙，使其工作在3 - 30μm的任意波段範圍，有利於實現雙色及多色探測需求；通過材料設計可抑制俄歇複合及暗電流，提高焦面工作溫度，節約衛星功耗資源，有效降低製冷壓力；量子效率高，可以吸收正入射，縮短了探測器積分時間，響應時間快；遂穿電流小，可以獲得高的探測率，尤其對長波和甚長波有益；利用MBE進行材料生長，均勻性好，成本低，有利於研製均勻大規模器件，因此Ⅱ類超晶格將成為第三代紅外探測器的首選材料。

 

2 空間紅外遙感器對紅外探測器的需求分析

 

紅外探測器的研製水平直接決定紅外遙感器的發展水平，我國空間紅外遙感器技術水平較美國和歐洲等發達國家還存在一定差距，其根本原因之一就在於國內紅外探測器研製技術水平落後於國外紅外探測器研製技術水平。因此，國內要研製出高性能水平的紅外遙感器，必須首先研製出高性能紅外探測器。

 

目前隨著用戶需求的提高，國內紅外遙感器的研製包括了資源、環境、氣象、海洋、紅外偵察和紅外預警等多種類型，並且對紅外遙感器的性能提出了越來越高的要求，高空間解析度、高光譜解析度．高時間解析度、多譜段探測、低功耗等已成為紅外遙感器的發展重點。為滿足紅外遙感器的應用需求，研製出高性能的紅外探測器已成為亟待解決的主要問題，國內紅外探測器的發展水平已經有了很大的提高，目前可以預見的紅外探測器需求如下：

（1）從器件規模來講，線列紅外探測器的元數應該能夠覆蓋32 -10000元的範圍，面陣探測器的元數應該能夠覆蓋256 x 256 - 4K x 4K元的範圍；

（2）從工作譜段範圍來講，紅外探測器的工作譜段應該能夠覆蓋0.85 - 12.8μm的範圍；

（3）從譜段集成化來講，紅外探測器的研製需要向雙色（或雙譜段）或多色（或多譜段）集成技術方向發展；

（4）從節約能源的角度來講，紅外探測器的研製需要向提高焦面工作溫度、減小紅外探測器包絡尺寸方向發展；

（5）從可靠性和工作壽命來講，紅外探測器的壽命應該能夠覆蓋3 - 8年。

 

從前面的介紹可以看出，為了研製出高水平的線陣、面陣紅外光學遙感器，滿足未來我國航天紅外遙感發展需求，提高我國紅外遙感能力，紅外探測器的研製需要發展以下技術：

 

（1）發展大規模紅外探測器技術，為了更好提高紅外光學遙感器性能和可靠性，降低紅外遙感器的設計難度，低軌道遙感衛星越來越鄉的採用推掃成像模式，靜止軌道越來越多採用凝視成像模式，因此需要研製出規模更大、解析度更高的紅外探測器。而面臨的問題是以目前探測器的研製情況來看，大規模探測器需要大冷量和高可靠性的制冷機作為支撐，為了降低制冷機的研製難度，提高探測器制冷機組件的可靠性，需要研製一種新型紅外探測器，其焦面工作溫度較目前使用的探測器焦面工作溫度有所提高。

 

（2）發展雙色（雙譜段）或多色（多譜段）探測器技術，隨著探測器材料、器件和系統技術的進步，紅外探測器需要向多譜段集成方向發展，一方面由於多色探測器可以共用一個光學系統，能同時獲得多個譜段的目標信息，大大簡化相機研製難度，另一方面多個譜段圖像數據融合，可以獲得目標的「彩色」熱圖像，可以更豐富、更精確、更可靠地獲得目標信息。因此，為了著眼於未來高性能紅外光學遙感器的發展需求，需要研製高性能的雙色或多色紅外探測器。

 

（3）發展甚長波紅外探測器技術，甚長波紅外波段具有最高的大氣窗口目標輻射能量，是紅外探測技術中非常重要的波段。這一波段的紅外焦平面探測器能提高探測系統的探測距離、縮短探測時間和精確探測目標溫度等，具有十分重要的需求背景，無論是軍事還是民用遙感和空間科學研究，甚長波譜段都有明確需求，但是目前國內成熟的紅外探測器譜段範圍與甚長波譜段需求還有一定差距，其瓶頸技術是甚長波探測器材料與工藝，因此需要加快甚長波探測器的研製腳步，滿足甚長波紅外光學遙感器的應用需求。

 

（4）發展長壽命高可靠性紅外探測器技術，目前越來越多的空間光學遙感器都提出了8年壽命應用需求，隨著遙感器長壽命的要求，作為遙感器核心部組件的紅外探測器也必須保證8年使用壽命，因此需要研製出更高可靠性的紅外探測器，以滿足遙感器8年壽命應用需求。

 

3 Ⅱ類超晶格紅外探測器國內外研製現狀

 

3.1 國外研製現狀

 

（1）德國AIM/IAF

 

2004年，德國AIM/IAF研製出了第一個中波SLS熱像儀，像元尺寸40μm；AIM/IAF報導了像元間距為24μm的384 x 288中波探測器，截止波長4.9μm，積分時間1ms，NETD為28mK，F數2.4；2006年AIM與IAF報導了384 x 288雙色Ⅱ類超晶格紅外探測器，像元間距為40μm，探測波長為3 - 4μm和4 - 5μm，NETD分別為<12mK和<22mK，F數均為2，積分時間均為2.8ms；並製備了像元間距為30μm的256 x 256雙色SLS探測器，圖1為AIM研製的384 x 288中波單色和中波雙色熱圖像。

 

圖1 AIM研製的SLS探測器中波單色及中波雙色熱像圖

 

（2）美國西北大學量子器件中心

 

美國西北大學量子器件中心研製出了M-結構的超晶格材料，降低了長波、超長波探測器中遂穿及擴散電流，因此將暗電流降低了1個數量級。利用此結構製備出了長波和甚長波紅外探測器。

 

2012年，美國西北大學量子器仵中心研製了1024 x 1024長波探測器，截止波長達到11μm，NETD在製冷溫度81K時達到23.6mK，68K時達到22.5mK，量子效率達到78%，成像效果如圖2所示。

 

圖2 1024 x 1024長波探測器

 

（3）噴氣推進實驗室

 

2007年，Raytheon、JPL聯合報導了工作溫度為78K，截止波長為10.5μm，30μm中心間距的256 x 256長波Ⅱ類超晶格焦平面。2009年製備了截止波長為12μm的長波紅外探測器，規格為1024 x 1024。2010年製備了1024x 1024截止波長為11μm的長波紅外探測器，87K時，背景限探測率為1.1 x 1011。

 

（4）瑞典愛爾諾

 

瑞典愛爾諾紅外公司已經有實用化的Ⅱ類超晶格產品，3.2 - 5μm中波320 x 256長波紅外探測器，NETD可達到12mK。

 

3.2 國內研製現狀

 

（1）中科院半導體所

 

國內開展Ⅱ類超晶格材料研究起步較晚，中科院半導體所主要開展Ⅱ類超晶格紅外探測器材料的研製，目前相關研製小組已經研製出截止波長為10μm和16μm的Ⅱ類超晶格紅外探測器材料，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採購半導體所研製的Ⅱ類超晶格紅外探測器材料，製備了國內第一款長波面陣器件，器件規模為320 x 256，後截止波長達到10.5μm，NETD小於20mK，像元中心均為30μm，焦面工作溫度≥68K。

 

（3）其他單位

 

國內探測器研製單位，如中電11所、中電44所、兵器211所和上海技物所都開展了Ⅱ類超晶格紅外探測器的相關研究。

 

4 Ⅱ類超晶格紅外探測器在空間紅外遙感應用中的優勢

 

（1）在工作溫度方面的優勢

 

相比較目前常用的HgCdTe紅外探測器而言，Ⅱ類超晶格紅外探測器焦面工作溫度提高。對於製冷型紅外焦平面探測器，制冷機的製冷功率大小與探測器焦面工作溫度、探測器組件的重量、體積以及探測器的工作壽命等直接相關，製冷功率大小是一個重要考慮因素。目前國內研製的甚長波紅外探測器，探測器規模大，截止波長較長，對制冷機的冷量需求很大，加大了制冷機的研製難度，同時對衛星的功耗資源帶來一定負擔。對於重量、體積、結構形式及工作壽命相同的紅外探測器組件，在相同截止波長的情況下，Ⅱ類超晶格紅外探測器焦面工作溫度提高，焦面工作溫度越高，所需的制冷機冷量越小，制冷機所需的製冷功率也就越低，一方面降低了制冷機和製冷控制器的研製難度，另一方面可以有效節約衛星功耗資源，節約成本，同時可以提高系統的可靠性。因此，Ⅱ類超晶格紅外探測器在工作溫度方面有很大的優勢。

 

（2）在發展雙色或多色器件方面的優勢

 

空間紅外遙感器採用多色探測器，可在複雜的背景環境下，提高目標的識別能力，採用多色探測技術並結合目標在不同波段下的特點，可以顯著提高識別距離。採用多色方案，光譜信息可以有效地區分目標特性。傳統的雙色或多色探測技術大多依賴於光學系統分光的數個獨立單色成像器件完成，這樣就使得遙感器複雜度高、體積大、功耗大以及可靠性降低，因此，在降低遙感器系統複雜度、體積、功耗以及提高可靠性等需求驅動下，發展雙色或多色成像探測器是必然選擇。通過調節Ⅱ類超晶格的能帶結構和帶隙，可以很好的響應3 - 30μm之間的任意譜段，利於實現雙色或多色探測需求，在發展雙色或多色成像器件方面，Ⅱ類超晶格紅外探測器有明顯的優勢。

 

（3）在發展均勻大面陣及節約成本方面的優勢

 

隨著空間紅外遙感器技術及用戶的應用需求的不斷提高，採用大規模及超大規模紅外探測器可以提高遙感器空間解析度，大規模及超大規模紅外焦平面探測技術已成為紅外焦平面探測器發展的必然趨勢。紅外探測器在規模上的制約主要來源於探測器晶片尺寸的增大所帶來的讀出電路尺寸以及探測器敏感材料尺寸增大，以至於難以製造，也難以解決低成本、高性能、高均勻性的問題，並且波長越長，該問題就越突出。對於目前廣泛應用的HgCdTe紅外探測器，其材料尺寸沒有實質性的限制，晶格匹配的ZnCdTe襯底已經做到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上沒有原理性困難，大尺寸ZnCdTe襯底的主要問題是成本限制，ZnCdTe襯底由於材料熱導率、缺陷形成能較低等固有性質導致單晶材料生長成本高，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。對於Ⅱ類超晶格紅外探測器，其基於Ⅲ - Ⅴ材料生長技術，均勻性好、便宜，利用MBE進行材料生長，具有很高的設計自由度，探測器均勻性好。可見，Ⅱ類超晶格紅外探測器在發展均勻大面陣器件及節約成本方面有很大的優勢。

 

隨著空間紅外遙感技術的快速發展，對紅外探測器的需求指標越來越高，Ⅱ類超晶格紅外探測器以其明顯的優勢獲得了越來越多的青睞，將會成為紅外探測器發展的必然結果。

 

5 Ⅱ類超晶格紅外探測器針對空間紅外遙感應用需要攻克技術難點

 

Ⅱ類超晶格紅外探測器在空間紅外遙感應用中有很大的優勢，在研製過程中還需要克服一些技術難點，包括材料均勻性控制、生長界面控制、原子擴散和應變補償、剩餘雜質濃度控制以及側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，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的均勻性顯得非常苛刻。這對襯底質量、設備能力要求、工藝控制要求極高。由於GaSb襯底不像Si、GaAs一樣成熟，在材料生長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外延膜均勻性和質量均有很大影響；MBE具有外延單原子層的能力，但如何實現對相應的材料具備相應的工藝，包括去氧化層工藝、生長速率的準確測試、生長溫度選擇、生長速率選擇等都提出了很高要求，這些問題均成為材料均勻性控制的難點，還需要在工藝中慢慢摸索。

 

（2）生長界面控制

 

InAs/GaSb Ⅱ類超晶格由於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原子結構形成GaAs界面，以及In和Sb原子結合形成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界面被認為更有利於紅外探測器性能的提高。由於晶格的失配，GaAs-like界面和InSb-like界面都將在界面處引入應變，從能帶方面考慮，InAs/GaSb Ⅱ類超晶格中，光躍遷發生在界面處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，加強了波函數之間的重疊。但是，在GaAs-like界面處，形成了一個電子和空穴的勢壘層，減少了波函數的重疊，從而減少了光躍遷的發生。因此，在超晶格材料生長的過程中，主要考慮如何實現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難點。

 

（3）原子擴散和應變補償

 

因為GaSb表面富集Sb，在GaSb襯底上生長的InAs層中引入了Sb，這樣會影響生長材料的質量。由於InAs（6.0583A）和GaSb（6.09593A）之間存在晶格突變，晶格失配約為0.62%，由於InAs的晶格常數小，In- As、Ga - Sb原子間結合能差別較大，從而導致要獲得高質量超晶格材料的難度較大，原子擴散和應變補償是Ⅱ類超晶格器件的難點之一，可以通過材料設計、引入緩衝層等技術手段方面解決這一難題。

 

（4）剩餘雜質濃度控制

 

對於p - on - n光伏型探測器，背景載流子濃度對整個紅外探測器的性能有著至關重要的作用，在很大程度上決定著少數載流子的壽命和擴散長度，從而影響探測器的量子效率及探測率。材料的本底濃度增強，俄歇複合速率提高，俄歇複合是探測器暗電流的重要來源。美國DRS紅外技術公司指出，高溫工作的紅外探測器需要材料的本底載流子濃度小於1014cm-3，以抑制俄歇複合。由於本徵缺陷，帶來了較高的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一步提高探測器性能的關鍵。

 

（5）側壁鈍化

 

對於器件工藝而言，表面鈍化是一個關係器件性能好壞的關鍵工藝，由於臺面隔離暴露了有源區，暴露出的臺面側壁被認為是暗電流的主要貢獻者。對於側壁鈍化，目前採用了不同的清潔方法、化學處理、介電層Si02和Si3N4覆蓋、硫化銨鈍化、淺腐蝕臺面隔離、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一步完善的技術難題。

 

6 結論

 

針對空間紅外遙感應用需求，從Ⅱ類超晶格紅外探測器的原理及優點、國內外研製現狀、在空間紅外遙感應用中的優勢、需要攻克的技術難點這幾個方面進行了介紹。Ⅱ類超晶格紅外探測器有很多優點，為其在空間紅外遙感器中的應用帶來了明顯優勢，Ⅱ類超晶格紅外探測器具有很好的光電性能，使用Ⅱ類超晶格紅外探測器，可以降低空間紅外遙感器的研製難度，節約成本，並且有較高的可靠性。但是，Ⅱ類超晶格紅外探測器還有很多技術難點需要攻克，從我國目前研究情況來看，還需要不斷完善研製工藝，積極探索其中的領域，從而對Ⅱ類超晶格紅外探測器的研製有一個新的突破，以滿足不斷增加的空間應用需求。

延伸閱讀：

《非製冷紅外成像儀和探測器技術及市場趨勢-2019版》