InAs/GaSb Ⅱ類超晶格長波紅外焦平面探測器

2020-09-15 卡比獸papa

摘要：武漢高芯科技有限公司從2014年開始製備基於InAs/GaSbII 類超晶格的長波紅外探測器。在本文中，報導了像元規模為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族晶片技術，成功地驗證了在大於10 μm的長波波段，用超晶格代替HgCdTe實現國產化並大規模量產的可行性。

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，同時在抑制俄歇複合與隧穿電流的方面有天然的優勢。隨著II類超晶格在紅外成像技術方面的快速發展，其性能已經接近HgCdTe。

除此之外，基於III-V族的材料生長與成熟的晶片工藝，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族晶片工藝線上可獲得高良率的晶片，都使得InAs/GaSb II類超晶格晶片的大規模、低成本生產易於實現。

InAs/GaSb II類超晶格通過調節疊層材料的厚度可以實現多波段全覆蓋，我們於2015年報導了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。本文主要報導在像元規模為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 器件製備

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，該結構對於暗電流的降低起到了顯著的作用。由於AlSb的帶隙寬度大於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。

探測器採用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型緩衝層、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 晶片工藝

完成MBE材料生長後，首先利用光刻與電感耦合等離子體（inductively coupled plasma，ICP）幹法刻蝕來實現陣列臺面隔離，實驗證明，當氣體比例Ar:Cl2:H2＝2:1:2 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的銦凸點的製備，如圖2所示，待完成劃片後，將單個模塊與讀出電路（ROIC）倒焊互聯，再將晶片減薄至60 μm，並通過拋光、抗反膜生長等工藝來完成晶片的製備，如圖3所示。最後通過焦平面測試系統對引線鍵合後的晶片進行測試。

2 結果與討論

將晶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，然後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係如圖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優化外延吸收層厚度，提高單次吸收效率。②調節ICP刻蝕條件，降低側壁角度與粗糙度，優化光信號反射路線。③通過優化拋光，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 晶片工藝結束

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）的測試條件下採集響應信號與噪聲信號，測得探測器性能：去盲元後，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

將杜瓦測試後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，與本文所報導的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）要明顯小於中波探測器，且用中波窗口遮擋後，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。對比結果可以發現，面對溫度區間為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

相比於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為報導的部分國內外超晶格長波紅外探測器性能對比。對比可以發現，本文報導的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

本文主要報導了我們在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，對本司後期的量產有重要的指導意義。

李雲濤，張舟，丁顏顏，楊煜，雷華偉，汪良衡，譚必松，張傳傑，劉斌，周文洪

武漢高芯科技有限公司

相關焦點

  • Ⅱ類超晶格紅外探測器在遙感中的應用前景
    ，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。
  • 國產紅外探測器哪家好?
    作為紅外熱成像產品的核心部件，我國的相關廠商以前主要依賴進口，近幾年隨著國家的扶持及廠商的大力投入，高德紅外(002414,股吧)、大立科技(002214,股吧)、北方廣微以及艾睿光電四家廠商已成功實現非製冷型紅外探測器自主研發及生產。9月3日，在第十七屆光博會的雷射紅外展區，這四家具有自主研發紅外探測器實力的廠家也拿出自己的看家產品，來了一場國產紅外探測晶片的「大閱兵」。
  • 紅外行業:探測器技術獲突破 關注國產化投資機遇
    紅外探測器利用紅外輻射進行成像，基於紅外在大氣傳輸存在的「大氣窗口」，紅外線的應用分為短波紅外、中波紅外和長波紅外三大類。
  • 製冷型大規模探測器晶片取得突破,高德紅外募投項目持續推進
    高德紅外(002414)6月3日晚間公告，公司碲鎘汞製冷型紅外焦平面陣列探測器項目通過科技成果評價。這是公司繼掌握非製冷1280×1024@12μm探測器晶片研製技術後，在製冷型大規模探測器晶片領域取得的又一重大突破。
  • 紅外焦平面陣列技術現狀和發展趨勢
    1、紅外焦平面陣列原理 焦平面探測器的焦平面上排列著感光元件陣列，從無限遠處發射的紅外線經過光學系統成像在系統焦平面的這些感光元件上，探測器將接受到光信號轉換為電信號並進行積分放大、採樣保持，通過輸出緩衝和多路傳輸系統，最終送達監視系統形成圖像
  • 紅外探測器發展簡史
    1968年，人們發明了矽摻雜（一種非本徵半導體材料）紅外探測器。因矽摻雜紅外探測器的製備工藝與矽工藝兼容，因此在進一步向紅外焦平面探測器發展時，仍有發展潛力。1960年代，人們研製成功硫化鉛、硒化鉛（PbSe）、銻化銦的線列紅外探測器，並進行了應用。同時，進一步研製成功了鍺摻汞（Hg∶Ge）長波紅外探測器，並用於U-2高空戰略偵察機上的紅外行掃儀。
  • 紅外光電探測器的新概念
    目前，由於軍事、民用和天文的快速發展，驅使紅外成像技術從初級階段的「黑白照片」 向中級階段的「彩色照片」過渡，其標誌是美國、法國、英國和德國等研製出了雙（多）色、多波段的三代紅外光電探測器。為追求更高階段的成像探測技術，未來還將繼續發展甚長波、雙色與多色和主被動雙模，以及探索在目標輻射入射方向上原位集成像素級分光和像素級偏振選擇等功能結構的紅外焦平面探測器。
  • 電子標準院新增紅外焦平面陣列探測器性能評估能力
    紅外焦平面陣列探測器是紅外成像系統的核心部件，其性能指標的準確、可靠性將直接影響紅外成像系統的性能，一個不清晰的紅外成像系統將影響目標探測能力、識別概率、告警的準確性和作用距離的精準度等。為滿足我國紅外焦平面陣列探測器、紅外熱像儀的性能和質量評價，支持紅外焦平面陣列探測器及相關產品的研製與應用，電子標準院近期在國內率先建成紅外焦平面陣列探測器性能評估平臺。
  • 國惠光電銦鎵砷紅外焦平面探測器獲得省級科技成果鑑定!
    > 文 | 國惠光電今日，山西省科技廳專家委員會經過資料審定、討論、現場考察後，通過了國惠光電「640*512/25um銦鎵砷紅外焦平面探測器
  • 大立科技:的主要業務涵蓋非製冷紅外焦平面探測器晶片、紅外熱像儀...
    投資者問：你好，請問公司的製冷型紅外熱成像儀的研製進展如何了? 大立科技(002214)：公司的主要業務涵蓋非製冷紅外焦平面探測器晶片、紅外熱像儀及其他光電系統和巡檢機器人等三大領域。非製冷型紅外熱成像儀和製冷型紅外熱成像儀都是公司的主要產品，應用於不同行業。
  • 女科學家講科普:來自太空的「慧眼」——航天遙感紅外探測器
    因此，我們給航天遙感儀器上安裝上紅外探測器這雙「慧眼」，就能通過「看」到所有目標紅外輻射光的大小和波長信息，來進行對地球大氣、海洋水色水溫、地物礦產資源、環境災害以及軍事目標的探測。 紅外波段可以分為短波紅外、中波紅外、長波紅外、甚長波紅外以及遠紅外，不同波段探測都有不同的用途。
  • 紅外成像行業非製冷紅外探測器用途日益廣泛
    一、紅外成像行業概況紅外熱成像技術歷經三代，製冷光子型探測器和非製冷熱式探測器並行發展。從技術發展的歷史看，現代紅外探測器技術是從20世紀40年代的製冷光子型單元紅外探測器開始的，後來發展出線列探測器，再到今天的焦平面探測器和雙色探測器，已發展到第三代。非製冷型紅外焦平面技術屬於第三代紅外探測器技術，由美國霍尼韋爾公司於上個世紀九十年代中期研發成功，並於2000年前後實現商用。
  • 紅外熱成像技術由於疫情有什麼改變的
    上世紀90年代到今天，也就是紅外熱成像技術真正實現民用的階段，美國FSI公司首先研製出軍用轉民用的紅外熱成像設備，利用紅外焦平面陣列探測器（集成大量敏感元）取代了複雜的光學元件和光機掃描結構，重量小於2kg，便攜性大大提高。需要指出的是，紅外焦平面陣列探測器是決定紅外熱成像儀性能最重要的部分，目前分為兩種，製冷型（光子型探測器）和非製冷型（熱探測器）。
  • 大立科技研發獲突破,推出業內首款600萬像素級非製冷紅外焦平面...
    8月22日公告顯示，公司近日成功研製出12μm像元、3072×2048規格600萬像素非製冷紅外焦平面探測器。紅外焦平面探測器是熱成像系統的核心部件，是探測、識別和分析物體紅外信息的關鍵。非製冷紅外焦平面探測器，是以微機電技術（MEMS）製備的熱傳感器為基礎，將物體紅外熱輻射信號，轉換成可供人眼視覺分辨的圖像的高技術產品，是紅外熱成像系統的核心和難點。
  • 高德紅外製冷型大規模探測器獲突破
    （圖片來源：全景視覺）經濟觀察網 記者 程久龍 作為A股市場軍民融合的「樣本」上市企業，高德紅外（002414）在紅外探測器的研發領域再度獲得突破。6月5日，經濟觀察網記者從武漢高德紅外股份有限公司獲悉，近日，國家技術轉移中部中心組織行業專家對高德紅外研製的「1280×1024 規模、12μ m 像元尺寸的碲鎘汞製冷 型紅外焦平面陣列探測器」項目進行了評價。評價專家組一致同意公司該碲鎘汞製冷型紅外焦平面陣列探測器項目通過科技成果評價。
  • 紅外成像行業現狀及未來發展方向，非製冷紅外探測器用途日益廣泛
    一、紅外成像行業概況紅外熱成像技術歷經三代，製冷光子型探測器和非製冷熱式探測器並行發展。從技術發展的歷史看，現代紅外探測器技術是從20世紀40年代的製冷光子型單元紅外探測器開始的，後來發展出線列探測器，再到今天的焦平面探測器和雙色探測器，已發展到第三代。非製冷型紅外焦平面技術屬於第三代紅外探測器技術，由美國霍尼韋爾公司於上個世紀九十年代中期研發成功，並於2000年前後實現商用。
  • 什麼是短波紅外?
    從1.5µm到14µm包括了三個「大氣窗口」，分別定義為：短波(SWIR): 1.5 µm – 2.5 µm, 中波(MWIR): 2 µm - 5 µm和長波(LWIR): 7.5 µm - 14 µm。
  • 表面等離激元光柵在高靈敏紅外探測器中的應用
    比如：Chu-Chieh Chang等人使用二維金屬孔陣列結構實現了量子阱/InAs量子點紅外光探測器，吸收增強130%。利用表面金屬圓孔陣列結構可實現入射光從量子點紅外光器件金屬孔薄膜和襯底不同方向入射時的目標紅外光探測，利用等離激元微腔的截止波長調控技術可製作單層量子阱長波紅外光探測器。
  • 夜視技術中的微光成像和紅外熱成像技術對比分析
    它以掃積型光導MCT探測器為基礎構成了英國的第二類通用組件熱像儀。這是一種完全電視兼容、解析度與普通電視相同的熱像儀。不論串掃、並掃或串並掃體制的熱像儀都需要光機掃描。因此，此類熱像儀統稱為第一代熱像儀。3.2 第二代紅外熱像技術 最近，正在大力發展不用光機掃描而用紅外焦平面陣列(IRFPA)器件成像的熱像儀。
  • 美國開發出非製冷「納米線」中短波紅外光電二極體
    磷化銦襯底上的InAs和InAsSb納米線可形成適用於焦平面陣列的室溫SWIR或MWIR光電二極體。從軍事領域（根據飛彈產生的熱量定位飛彈）、科學領域（遙感、光譜學）到環境領域（氣體監測、穿透霧霾），包括焦平面陣列（FPA）在內的短波紅外（SWIR）和中波紅外（MWIR）傳感器使許多重要的紅外傳感和成像應用成為可能。然而，現有的實用型SWIR和MWIR傳感器都存在一個明顯缺陷：需要製冷。