中波InAs/GaSb超晶格紅外焦平面探測器

向 偉，王國偉，徐應強，郝宏玥，蔣洞微，任正偉，賀振宏，牛智川

(中國科學院半導體研究所，北京 100083)

0 引 言

基于GaSb 基的材料，包括InAs，GaSb，AlSb可以靈活地設計成各種新型材料及器件，在近年來受到了廣泛的重視。尤其是InAs/GaSb 超晶格具有獨特的II 型能帶結構，在制作高性能紅外探測器方面具有很大的潛力［1］。通過改變超晶格中每個周期的InAs 或GaSb 的厚度，可以使超晶格吸收截止波長覆蓋2.7 ～30 μm 的紅外波段，有利于實現多光譜探測的需求，同時其探測性能可以與碲鎘汞探測器(MCT)相比擬［2］。由于靈活的材料體系，可以在器件結構中很方便地加入勢壘層，提高器件工作溫度和減小暗電流［3］。與MCT 相比，MBE外延的InAs/GaSb 材料具有非常好的均勻性，非常適合制作大面陣焦平面探測器［4-5］。

超晶格探測器的性能與材料生長質量有很大的關系，尤其是InAs 和GaSb 的界面，對外延參數有很苛刻的要求［6］。本文介紹了中波段InAs/GaSb超晶格材料的優(yōu)化及表征，分析了不同界面對超晶格質量的影響。采用優(yōu)化的生長條件，制備了中波紅外單元器件并分析表征。最后成功制作了320×256 紅外焦平面器件。

1 材料外延及分析

由于InAs/GaSb 超晶格的兩種材料不共用原子，因此材料的界面有GaAs 和InSb 兩種。界面質量對材料的性能至關重要，良好的界面表現為界面平整，可平衡材料的應力，并減少兩種材料中元素的互混。InAs 和GaSb 有0.6%的晶格失配，如果不調整應力，生長一定厚度后超晶格會發(fā)生弛豫，產生大量的位錯，從而大大影響超晶格的性能。在生長過程中，As 和Sb 可分別互混到GaSb和InAs 中。對于不同厚度的材料，其最優(yōu)的界面生長方式不同。界面生長的方法有許多種［7］，主要有生長中斷法［8］、表面遷移率增強法［9］，以及五族元素浸潤法［10］等。本文采用了生長中斷法和表面遷移率增強(MEE)法。

InAs/GaSb 超晶格材料由Veeco Gen II 分子束外延系統(tǒng)外延在n 型GaSb(001)襯底上。外延過程為:先在襯底上外延0.25 μm 的GaSb 緩沖層，然后將襯底溫度降至超晶格的生長溫度，生長100 周期的超晶格。

生長中斷法是在生長完超晶格中的8個原子層的InAs 以后，中斷生長，讓InAs 表面的As 盡量地揮發(fā)，然后生長短時間的InSb 界面，接著生長8個原子層的GaSb，中斷后又開始生長下一個周期的InAs，以此循環(huán)。通過變化中斷時間和InSb 界面生長時間可以調整材料的應力。

表面遷移率增強(MEE)法是在生長完InAs后，分別In 浸潤和Sb 浸潤一段時間再生長GaSb。GaSb 生長完后采用與中斷法相同的中斷一段時間后再生長InAs 的方法。這種方法主要通過修改In和Sb 的浸潤時間來調整應力。

為消除應力的影響，兩種試驗片均調整好應力，從兩個樣品的(004)ω-2θ 高分辨X 射線衍射(HRXRD)圖像(圖1)可以看出，兩個樣品超晶格0 級峰均與GaSb 襯底峰基本重合，應力小于100 ppm，說明超晶格與襯底晶格匹配。

表1 為兩種界面生長方式的測試結果，從兩個材料的半峰寬可以看到，采用生長中斷法的材料質量好于MEE 法生長的材料質量。用原子力顯微鏡測試兩樣品10 μm×10 μm 的RMS，也顯示出生長中斷法的表面更平整，如圖2 所示。

圖1 生長中斷法和MEE 法生長的超晶格材料HRXRD 圖

表1 兩種界面生長方式的測試結果

圖2 生長中斷法和MEE 法生長的超晶格材料原子力顯微鏡圖像

對于長波超晶格材料，文獻報道MEE 法優(yōu)于生長中斷法［11］。這可能是由于在中波超晶格的生長過程中，為了平衡應力，界面所需的InSb 非常少。在MEE 法中，In 浸潤僅生長了0.4個原子層的In，在隨后的Sb 長時間浸潤時，無法阻止Sb 互混到InAs 中，導致材料性質更差。而在生長中斷法中，InSb 生長時間非常短，原子互混少。

2 單元器件工藝及性能分析

采用優(yōu)化后的中波超晶格的外延參數，生長了PIN 型超晶格紅外探測器，吸收區(qū)為2 μm，器件結構如圖3 所示。

由此制作了400 μm×400 μm 的方形臺面單元器件。臺面采用磷酸、檸檬酸、雙氧水混合腐蝕液腐蝕，之后陽極硫化電鍍30 nm 的鈍化膜以飽和側壁的懸掛鍵，緊接著反應磁控濺射生長200 nm 的SiO2用于物理保護，光刻后用NH3F 和HF 混合溶液開孔，最后電子束蒸發(fā)生長上下電極Ti(50 nm)/ Pt(50 nm)/Au(300 nm)，然后剝離形成電極圖形。

圖3 中波PIN 超晶格紅外探測器結構

器件經無反射膜處理，最后裝入液氮杜瓦瓶內測試分析，圖4 為單元器件的響應譜和微分電阻曲線圖。由圖知，探測器的R0A 值達到3 108 Ω·cm2，響應截止波長5 μm，在3.3 μm 處量子效率53%，探測率2.14 ×1012cm·Hz1/2/W。

圖4 單元器件的響應譜和微分電阻

3 焦平面器件

用相同的中波材料結構制作了320 ×256 元的中波紅外焦平面探測器，ICP 刻蝕30 μm ×30 μm大小的臺面，采用與單管相同的鈍化工藝，之后采用倒裝焊工藝用In 柱連接焦平面器件和讀出集成電路(ROIC)，最后將GaSb 襯底減薄后進行測試。

測試結果焦平面的探測率為1.58 ×109cm·Hz1/2/W，NETD 97.2mK，盲元率12%。最終成像結果如圖5 所示。由于焦平面工藝的復雜性，其性能與單元器件有很大差距，隨著工藝的水平提高，以后焦平面的性能會大大地提升。

圖5 320 ×256 元中波紅外焦平面成像

4 結 論

采用分子束外延在GaSb 襯底上生長了高質量的中波段InAs/GaSb 超晶格紅外探測器材料，對比表明:對于中波超晶格材料，生長中斷法優(yōu)于表面遷移率增強法，超晶格與襯底失配小于1 ×10-4，100 周期超晶格的HRXRD 圖像的1 級峰半峰寬38 arcsec。2 μm 的吸收區(qū)的中波紅外單元器件在3.3 μm 處的量子效率53%，探測率2.14 ×1012cm·Hz1/2/W。320 ×256 元的焦平面器件的NETD 97.2 mK，盲元率為12%。從單元器件的性能來看，焦平面的工藝水平還有待提高。

［1］Grein C H ，Young P M ，Flatté M E，et al. Long Wavelength InAs/GaSb Infrared Detectors:Optimization of Carrier Lifetimes［J］. Journal of Applied Physics ，1995，78(12):7143 –7152.

［2］Rogalski A. Material Considerations for Third Generation Infrared Photon Detectors［J］. Infrared Physics and Technology，2007，50(2 -3):240 –252.

［3］Abdollahi P S，Huang E K，Chen G，et al. High Operating Temperature Midwave Infrared Photodiodes and Focal Plane Arrays Based on Type-II InAs/GaSb Superlattices［J］. Applied Physics Letters，2011，98(14).

［4］Gunapala S D，Ting D Z，Hill C J，et al. 1k×1k Long-Wave and Mid-Wave Superlattice Infrared Focal Plane Arrays［C］∥Proceeding of SPIE 7808，Infrared Remote Sensing and Instrumentation XVIII，2010.

［5］Hood A，Evans A J，Ikhlassi A，et al. LWIR High Performance Focal Plane Arrays Based on Type II Strained Layer Superlattice Materials ［C］∥Proceeding of SPIE 7660，Infrared Technology and Applications XXXVI，2010.

［6］Wei Y J，Razeghi M. Modeling of Type-II InAs/GaSb Superlattices Using an Empirical Tight-Binding Method and Interface Engineering［J］. Physical Review B，2004，69(8).

［7］Haugan H J，Brown G J，Grazulis L. Effect of Interfacial Formation on the Properties of very Long Wavelength Infrared InAs/GaSb Superlattices［J］. Journal of Vacuum Science ＆ Technology B，2011，29(3).

［8］Rodriguez J B，Christol P，Cerutti L，et al. MBE Growth and Characterization of Type-II InAs/GaSb Superlattices for Mid-Infrared Detection ［J］. Journal Crystal Growth，2005，274(1 -2):6 -13.

［9］Sullivan G J，Ikhlassi A，Bergman J，et al. Molecular Beam Epitaxy Growth of High Quantum Efficiency InAs/GaSb Superlattice Detectors［C］∥Proceedings of the 22nd Meeting of the North American Conference on Molecular Beam Epitaxy(NAMBE 2004)，Banff，Canada，2005.

［10］Khoshakhlagh A，Plis E，Myers S，et al. Optimization of InAs/GaSb Type-II Superlattice Interfaces for Long -Wave (～8μm)Infrared Detection［J］. Journal Crystal Growth，2009，311(7):1901 -1904.

［11］王國偉，牛智川，徐應強，等.長波段InAs/GaSb 超晶格材料的分子束外延研究［J］. 航空兵器，2013(2).