銻基高工作溫度紅外探測器研究進(jìn)展

鄧功榮，趙 鵬，袁 俊，信思樹，龔曉霞，黎秉哲，馬 啟，楊文運(yùn)，普朝光

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銻基高工作溫度紅外探測器研究進(jìn)展

鄧功榮，趙 鵬，袁 俊，信思樹，龔曉霞，黎秉哲，馬 啟，楊文運(yùn)，普朝光

（昆明物理研究所，云南 昆明 650223）

銻基紅外光敏材料具有優(yōu)越的光電轉(zhuǎn)換效率，材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、可生產(chǎn)性強(qiáng)，并具備低暗電流和高工作溫度（HOT）的優(yōu)勢，符合未來紅外探測系統(tǒng)小尺寸、輕重量、低功耗（SWaP）的要求。目前，工程化研制高工作溫度紅外探測器的銻基材料主要有3類：InSb、銻基II類超晶格和InAsSb，國外已報(bào)道了640×512、1024×1024和2040×1156規(guī)格的焦平面陣列，工作溫度提高到150K以上。本文從材料特性和器件結(jié)構(gòu)、像元尺寸及工藝技術(shù)來闡述國內(nèi)外銻基高工作溫度紅外探測器的研究狀況。

高工作溫度（HOT）；SWaP；InAsSb；InSb；II類超晶格

0 引言

目前，碲鎘汞（HgCdTe）、銻化銦（InSb）、量子阱（QWIP）、超晶格（SLs）等高性能中波、長波紅外探測器，均采用低溫制冷的方式降低熱激發(fā)載流子對器件的影響，進(jìn)而抑制探測器的噪聲。然而，制冷系統(tǒng)的引入導(dǎo)致紅外系統(tǒng)的功耗提高、體積增大、重量增加。此外，紅外探測器常采用J-T節(jié)流制冷器和斯特林制冷機(jī)制冷，J-T節(jié)流制冷需要用高壓氣體，系統(tǒng)攜帶不方便；斯特林制冷機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使用壽命較短，價(jià)格昂貴。實(shí)際應(yīng)用中的紅外探測器壽命往往受到制冷系統(tǒng)的限制，難以進(jìn)一步提高。紅外探測器的系統(tǒng)尺寸、系統(tǒng)重量、系統(tǒng)功耗（Size, Weight, and Power，簡稱SWaP）成為衡量紅外探測系統(tǒng)的一項(xiàng)重要性能指標(biāo)[1-2]。

Ashley和Elliott[3]率先提出了高工作溫度（HOT）探測器的設(shè)想和原理。HOT器件是指在高工作溫度的情況下，探測器仍然表現(xiàn)出較好的性能[2]。利用具有特定設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的探測器芯片，可以在不降低器件光電性能的情況下，提高探測器的工作溫度。

Kinch[3]論證了減小探測器像元尺寸有利于獲得高工作溫度下的背景限性能。他認(rèn)為，減小像元尺寸不僅可以減小紅外成像系統(tǒng)的體積、重量和功耗，而且具有潛在的改進(jìn)系統(tǒng)在極端工作條件下的性能，如高工作溫度。這一潛在能力當(dāng)然也強(qiáng)烈依賴所選的探測器材料結(jié)構(gòu)和工藝技術(shù)所固有的暗電流的大小。

1 銻基材料及器件結(jié)構(gòu)

1.1 銻基紅外材料特性

目前，工程化研制HOT紅外探測器的銻基材料主要有3類：InSb、銻基II類超晶格和InAsSb。

InSb材料的基本特性[4]：穩(wěn)定性較好、不會(huì)隨著工作時(shí)間和存儲(chǔ)時(shí)間發(fā)生改變；另外，材料的缺陷少，尺寸在50mm2以下的缺陷密度小于10個(gè)/cm2，能夠滿足制備大規(guī)格焦平面探測器的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)要求。在1～5mm光譜范圍內(nèi)，InSb材料具有非常高的量子效率（≥80%），使得InSb探測器在中波紅外波段具有極高的靈敏度。

InAs/Ga（In）Sb II類超晶格材料的基本特性[5]：能帶結(jié)構(gòu)與電子空穴物理分離機(jī)理，實(shí)現(xiàn)對俄歇復(fù)合的有效抑制，從理論上說，這種材料可能具有超越碲鎘汞材料極限的性能。InAs/Ga（In）Sb II類超晶格作為紅外探測材料具有優(yōu)越的光電性能，微帶帶隙可調(diào)，其量子效率高，暗電流小。另外，最近的研究表明[6]：InAs/InAsSb II類超晶格具有更長的載流子壽命，理論上器件的暗電流會(huì)更小。

InAs1?xSb材料的基本特性[7-8]：屬于直接帶隙半導(dǎo)體材料，光電轉(zhuǎn)換效率高，并且可以通過改變Sb組分（）來調(diào)整帶隙，進(jìn)而獲得中波、長波紅外的光譜信息。InAsSb與HgCdTe（MCT）相比具有以下優(yōu)勢：①俄歇壽命長，俄歇電流小；②電子有效質(zhì)量大、隧穿電流??；③晶體結(jié)合能大，材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定；④外延生長采用擁有工業(yè)化生產(chǎn)水平的GaSb和GaAs作為襯底材料，可生產(chǎn)能力強(qiáng)。與II類超晶格相比，材料生長容易控制，容易獲得大面積、均勻的外延材料。

1.2 器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1）光電二極管

光電二極管的暗電流主要來自3方面的貢獻(xiàn)[9]，即dark＝SRH＋diff＋surf，SRH是耗盡區(qū)的產(chǎn)生-復(fù)合電流，diff是中性區(qū)的擴(kuò)散電流，surf是表面漏電流，它們產(chǎn)生的噪聲是限制探測器工作溫度的主要因素。不考慮表面漏電的情況下，PIN（包括PN結(jié)）紅外探測器暗電流主要有三部分組成，P區(qū)、N區(qū)的擴(kuò)散電流和耗盡區(qū)的G-R電流、隧穿電流，如圖1所示。在低溫（200K以下）時(shí)，SRH是常規(guī)PN結(jié)紅外探測器暗電流的主要來源，其暗電流密度如下：

式中：q是單位電荷；ni是半導(dǎo)體的本征載流子濃度；Wdep是耗盡區(qū)的寬度；tSRH是非本征區(qū)少數(shù)載流子的Shockley-Read-Hall復(fù)合壽命。探測器在提高工作溫度后其探測率會(huì)顯著下降，甚至響應(yīng)率都會(huì)降低。

2）非平衡結(jié)構(gòu)器件

光子型紅外探測材料在高溫下因本征載流子濃度過高，導(dǎo)致反向擴(kuò)散電流過大而無法工作。為擴(kuò)大器件的應(yīng)用范圍，英國Ashley和Elliott提出了抑制材料載流子濃度的方法[11]，設(shè)法讓材料中的載流子處于“耗盡”狀態(tài)，并由此衍生了一些非平衡結(jié)構(gòu)（圖2）。

圖2 n＋-on-n－和p＋-p-n-n＋非平衡結(jié)構(gòu)示意圖

3）勢壘型器件

2006年，Maimon和Wicks[12]首次在InAs材料上實(shí)現(xiàn)nBn結(jié)構(gòu)，即“n型吸收層-B勢壘層-n型接觸層”，圖3是其結(jié)構(gòu)示意圖。以nBn結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)衍生出XBn（XBnn、XBpp）、pBp等多種勢壘型結(jié)構(gòu)。

nBn是一種單極性器件，該器件利用異質(zhì)結(jié)材料能帶差主要落在導(dǎo)帶的特點(diǎn)，用寬禁帶隔離層構(gòu)成的勢壘Δc來阻止多數(shù)載流子的導(dǎo)電。器件需工作在一定的反向偏置電壓下，通過提高內(nèi)建電場有利于吸收層中的少數(shù)載流子穿越勢壘Δv，形成電流響應(yīng)信號。

勢壘型器件由于沒有耗盡區(qū)，勢壘層的禁帶寬度較大，其產(chǎn)生-復(fù)合電流一般可以忽略，因而不存在耗盡區(qū)的產(chǎn)生-復(fù)合電流和帶間隧穿電流。另外，nBn結(jié)構(gòu)具有自鈍化作用，表面漏電能得到抑制，所以單極勢壘異質(zhì)結(jié)器件暗電流主要是吸收區(qū)的熱激發(fā)產(chǎn)生的電流。

計(jì)算結(jié)果（圖4）表明：①高溫下，暗電流由擴(kuò)散電流主導(dǎo)，隨著溫度降低，過渡到產(chǎn)生-復(fù)合電流主導(dǎo)；②低溫下，越過擴(kuò)散限溫度0，PIN器件的產(chǎn)生-復(fù)合電流明顯高于nBn器件。理論上，單極勢壘結(jié)構(gòu)通過抑制SRH產(chǎn)生-復(fù)合減小暗電流，因此在SRH壽命較短的III-V族材料中比較有用，并能有效地提高探測器的工作溫度。

圖3 nBn結(jié)構(gòu)能帶及暗電流示意圖

圖4 PIN和nBn器件暗電流-溫度曲線

1.3 像元尺寸及工藝技術(shù)

Kinch[3]理論計(jì)算了不同工作溫度下室溫冷屏效率與像元尺寸的關(guān)系，計(jì)算結(jié)果表明，減小像元面積有利于提高器件工作溫度，進(jìn)而降低系統(tǒng)體積、重量、功耗和成本。但小尺寸像元焦平面陣列的制造也存在著一些困難，芯片圖形化、互連、讀出電路電荷容量密度等工藝技術(shù)難度較大。

2 HOT紅外探測器研究進(jìn)展

2.1 InSb HOT紅外探測器

1）Epi-InSb探測器

以色列SCD公司[13]采用先進(jìn)的分子束外延（MBE）生長技術(shù)制備InSb薄膜材料，減小了SRH復(fù)合中心，提高了載流子壽命，外延材料器件暗電流比常規(guī)器件減小了15倍，所研制的640×510 epi-InSb焦平面微型Pelican-D探測器[14]（圖5），95K和110K工作溫度下性能與77K的相當(dāng)（圖6）。

圖5 微型Pelican-D 探測器圖片

圖6 640×510 15mm epi-InSb焦平面95K和110K工作溫度下的熱成像圖（F/4.1）

2）InSb/InAlSb異質(zhì)結(jié)和勢壘型InSb探測器

InSb PN結(jié)光伏器件由于受G-R電流的制約，與HgCdTe相比在同樣的截止波長和工作溫度下暗電流較大。為克服這一缺點(diǎn)，Klipstein提出了在InSb的P區(qū)插入一個(gè)勢壘層，以阻擋多數(shù)載流子的擴(kuò)散，從而降低器件暗電流。Ashley和Dean[2]提出了p＋-π-n＋非平衡結(jié)構(gòu)的InSb探測器，其中，π代表低摻雜p型材料。當(dāng)工作溫度低于200K，光敏二極管的性能取決于π區(qū)域中發(fā)生的SRH效應(yīng)。

英國QNETIC在此基礎(chǔ)上發(fā)展了InAlSb焦平面陣列[15]，圖7是材料和結(jié)構(gòu)演化思路圖，圖8是256×256焦平面陣列在不同溫度下獲得的熱成像圖。

圖7 從InSb到InAlSb材料和結(jié)構(gòu)演化思路

圖8 非平衡結(jié)構(gòu)InSb 320×256焦平面80K、100K和130K下熱像圖

法國Sofradir、Montpellier（蒙彼利埃）大學(xué)以及DGA借鑒了以上研究成果，提出了基于InSb的nBn結(jié)構(gòu)[16]，即InSb/InAlSb/InSb，其中InSb是吸收層，InAlSb是勢壘層。實(shí)驗(yàn)表明它的截止波長為5.4mm，有望在150K溫度條件下工作。

2.2 InAsSb HOT紅外探測器

1）光導(dǎo)型InAsSb探測器

國內(nèi)中科院上海技術(shù)物理所、吉林大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)等單位先后開展了光導(dǎo)型InAsSb紅外探測器的研究。同濟(jì)大學(xué)高玉竹[17]采用熔體外延技術(shù)生長的銦砷銻材料，制備了光導(dǎo)型InAsSb探測器。室溫下探測器黑體探測率為1.4×108cm·Hz1/2W－1。

2）勢壘型InAsSb探測器

美國DRS公司于2014年報(bào)道了基于nBn結(jié)構(gòu)的1024×1024 InAsSb焦平面陣列[18]，GaAs做為襯底，采用復(fù)合結(jié)構(gòu)的勢壘，像元尺寸18mm，工作溫度150K，探測率1.2×1011cm·Hz1/2/W，響應(yīng)截止波長4.9mm，圖9是焦平面陣列的熱像圖。美國噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室也報(bào)道了室溫nBn結(jié)構(gòu)的InAsSb中波紅外探測器[19]，截止波長4.5mm附近，室溫下的探測率為1.0×109cm·Hz1/2W－1，工作溫度250K時(shí)的探測率為5.0×109cm·Hz1/2W－1。

以色列SCD是較早開展InAsSb紅外探測器研究的機(jī)構(gòu)，研制的XBn InAsSb 640×512/15mm的陣列[20]，吸收層厚度為3mm，該焦平面陣列在150K工作溫度下的熱像圖非常清晰（圖10），近處幾個(gè)小黑斑是牛群，山頂上電線桿有2km遠(yuǎn)。在F/3.2鏡頭、22ms積分時(shí)間下，測得NETD為20mK，量子效率為70%，有效像元率為99.5%，背景限探測率（BLIP）工作溫度高達(dá)165K。另外，研究人員還對探測器進(jìn)行了變工作溫度的熱成像（圖11）和制冷功耗測試[12]，當(dāng)溫度升高到190K時(shí)性能才出現(xiàn)明顯的衰減；95K工作溫度，制冷機(jī)功率降低20%；150K工作溫度，制冷機(jī)功率降低60%。

圖9 1k×1k InAsSb焦平面陣列150K溫度下熱像圖（f/2.3）

圖10 640×512 15mm InAsSb n型焦平面陣列150K溫度下的熱像圖

圖11 工作溫度103K～225K下焦平面陣列熱像圖

美國HRL實(shí)驗(yàn)室于2017年報(bào)道了在GaAs襯底上生長nBn結(jié)構(gòu)的InAsSb器件[21]，并研制出2k×1k（2040×1156）焦平面陣列，目前該陣列為國際最大規(guī)格，像元間距5mm，通過銦柱倒裝互連到Cyan系統(tǒng)公司的CS3 ROIC集成電路系統(tǒng)上。探測器的響應(yīng)截止波長為5.1mm，150K工作溫度下，可操作性大于99.9%，沒帶抗反射膜的器件量子效率大于60%。

2.3 InAs/Ga(In)Sb HOT紅外探測器

美國洛克希德?馬丁公司下屬的圣?芭芭拉焦平面公司率先開發(fā)出了高工作溫度nBn II類超晶格中波紅外探測器[21]，工作溫度為－143℃（130K）～－118℃（155K）（取決于暗電流要求），其性能與工作在－193℃（80K）的InSb紅外探測器、工作在－178℃（95K）HgCdTe紅外探測器和工作在－158℃（115K）的采用外延技術(shù)的HgCdTe紅外探測器的性能相當(dāng)。

美國西北大學(xué)量子器件中心采用M結(jié)構(gòu)研制出320×256 InAs/GaSb中波紅外焦平面陣列[23]，150K溫度下，量子效率大于50%，光譜探測率為1.05×1012cmHz1/2/W，獲得了不同工作溫度下的人體熱像圖（圖12），150K溫度下NETD為150mK。

圖12 HOT器件在不同溫度下的熱像圖

昆明物理研究所胡銳和鄧功榮[24]研究了nBn型InAs/GaSbⅡ類超晶格紅外探測器電學(xué)特性，150K溫度下暗電流比77K溫度下大一個(gè)量級，但峰值探測率僅下降到1/5。研究結(jié)果表明，采用nBn結(jié)構(gòu)的Ⅱ類超晶格探測器有望實(shí)現(xiàn)較高的工作溫度。

3 展望

《2017年世界軍用紅外成像探測器及系統(tǒng)市場分析報(bào)告》[21]預(yù)測未來5年（至2021年），高工作溫度（HOT）nBn/XBn紅外焦平面探測器將應(yīng)用在新興軍事系統(tǒng)中。美國也將其納入主要的新計(jì)劃，包括F-35聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機(jī)。

高工作溫度銻基紅外探測器將會(huì)使制冷機(jī)的壽命至少延長1倍以上，系統(tǒng)的可靠性得到提高，成本將大幅降低，在空間探測、衛(wèi)星遙感、導(dǎo)彈制導(dǎo)、導(dǎo)彈告警、預(yù)警跟蹤、毒氣探測等軍事領(lǐng)域方面將有重要的應(yīng)用。目前，對于HOT探測器來說，制造費(fèi)用還比較昂貴，但隨著技術(shù)的不斷成熟，費(fèi)用將有望得到進(jìn)一步降低。

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Status of Sb-based HOT Infrared Detectors

DENG Gongrong，ZHAO Peng，YUAN Jun，XIN Sishu，GONG Xiaoxia，LI Bingzhe，MA Qi，YANG Wenyun，PU Chaoguang

(,650223,)

Antimony-based infrared photosensitive materials possess the advantages of superior photoelectric conversion efficiency, high structural stability, high yield, low dark current, and high operating temperature (HOT).These characteristics make them especially suitable for future infrared detection systems that should fulfill the requirements of small size, lightweight, and low power consumption. Currently, three main categories of antimony-based materials are used in HOT infrared detectors viz., InSb, antimony-based type II super lattice, and InAsSb. It has been reported that focal plane array sizes of 640×512, 1024×1024, and 2040×1156 have led to an increase in the operating temperature to greater than 150K. This article gives an overview of the status of research (national as well as international)on HOT infrared detectors, with special focus on the material properties, device structures, pixel size, and fabrication techniques.

high operation temperature（HOT），SWaP，InAsSb，InSb，Type-II superlattice

TN216

A

1001-8891(2017)09-0780-05

2017-05-26；

2017-09-12.

鄧功榮（1982-），男，云南牟定人，博士研究生，主要研究方向?yàn)殇R基紅外探測器。E-mail：kw211dgr@163.com。

云南省應(yīng)用技術(shù)基礎(chǔ)研究基金項(xiàng)目（201701PF00015）。