摘要：由于具有帶隙可調(diào)、電子有效質(zhì)量大、俄歇復(fù)合率低等特點，Ⅱ類超晶格在長波紅外和甚長波紅外探測方面具有獨特優(yōu)勢。介紹了長波超晶格探測器制備方面的研究進(jìn)展，包括能帶結(jié)構(gòu)設(shè)計、表面缺陷控制、周期結(jié)構(gòu)控制和表面鈍化。最后報道了320 × 256長波超晶格焦平面陣列及其測試性能。結(jié)果表明，在77 K工作溫度下，該陣列的截止波長為9.6 μm，平均峰值探測率D＊為7 × 1010 cm·Hz1/2/W，噪聲等效溫差（Noise Equivalent Temperature Difference，NETD）為34 mK，響應(yīng)非均勻性為7%。

0引言

由于具有可穿透煙霧、抗干擾能力強(qiáng)以及全天候工作等特點，紅外探測器在國防和國民經(jīng)濟(jì)多個領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。隨著新需求的不斷發(fā)展，長波紅外探測器呈現(xiàn)良好的市場前景。碲鎘汞紅外探測器具有量子效率高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點，已成為目前應(yīng)用最為廣泛的紅外探測器。但它在長波波段存在均勻性差、成品率低和成本高的問題，導(dǎo)致高性能長波紅外探測器難以得到廣泛應(yīng)用。而Ⅱ類超晶格紅外探測器是近年來興起的一種新型紅外探測器，它具有以下幾個特點：（1）材料帶隙可調(diào)，光譜響應(yīng)可覆蓋2 ~ 30 μm波長范圍。（2）獨特的能帶結(jié)構(gòu)決定其具有較大的電子有效質(zhì)量，并且隨著探測波長的增大，電子有效質(zhì)量卻幾乎保持不變。在長波紅外波段，其電子有效質(zhì)量約為碲鎘汞材料的3倍，導(dǎo)致此類探測器隧穿電流小。（3）通過應(yīng)變調(diào)節(jié)能帶結(jié)構(gòu)，可以降低俄歇復(fù)合率，提高載流子有效壽命，從而實現(xiàn)較高的器件性能（見圖1）。（4）Ⅱ類超晶格通常采用分子束外延（Molecular Beam Epitaxy，MBE）生長方式，材料均勻性較高。通過采用晶格匹配且可商業(yè)化供給的GaSb襯底，能夠生長出大面積、均勻性良好的Ⅱ類超晶格材料，從而易于制備大面陣紅外探測器。基于以上特點，研究人員認(rèn)為Ⅱ類超晶格在制備長波和甚長波紅外探測器時具有獨特優(yōu)勢，因此是制備新一代紅外探測器的優(yōu)選材料。

圖1 不同截止波長及工作溫度下Ⅱ類超晶格和p-on-n HgCdTe的理論性能對比

1理論設(shè)計

一個在反偏狀態(tài)下工作的光伏型探測器的暗電流通常包括少子擴(kuò)散電流、產(chǎn)生－－復(fù)合電流、隧穿電流和表面漏電流等。由于材料帶隙較寬，Ⅱ類超晶格中波紅外探測器的性能受暗電流的影響較小，所以采用p-i-n結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)良好的探測器性能。但對于長波紅外探測器來說，若仍使用簡單的p-i-n結(jié)構(gòu)，則隧穿電流、產(chǎn)生-復(fù)合電流以及表面漏電流等將會大大增加，進(jìn)而嚴(yán)重制約器件性能。通過設(shè)計和引入異質(zhì)結(jié)構(gòu)，可以抑制以上暗電流，使探測器的暗電流僅由本征擴(kuò)散電流控制。在光伏結(jié)構(gòu)中，通過在超晶格吸收層兩側(cè)分別插入寬帶隙的p型勢壘層和n型勢壘層來形成電子勢壘和空穴勢壘。雙異質(zhì)結(jié)的引入對于探測器暗電流的抑制起到?jīng)Q定性作用：首先，外加偏壓的電場主要作用在寬帶材料上，使得空間電荷區(qū)主要在寬帶材料里產(chǎn)生，進(jìn)而有效抑制器件的產(chǎn)生-復(fù)合電流；其次，由于寬帶材料的引入，器件的隧穿電流也得到極大抑制；最后，通過在導(dǎo)電通道上引入寬帶材料，能夠提高其表面電阻率，使器件的整體漏電流得到有效抑制。采用經(jīng)驗緊束縛方法（Empirical Tight-Binding Methob，ETBM）計算超晶格材料的能帶結(jié)構(gòu)。在設(shè)計中，長波吸收層周期結(jié)構(gòu)由13個InAs分子層和8個GaSb分子層組成（13 MLs InAs / 8 MLs GaSb），而電子勢壘層和空穴勢壘層則分別由８MLs InAs / 8 MLs GaSb超晶格和16 MLs InAs / 4 MLsAlSb超晶格構(gòu)成。該異質(zhì)結(jié)構(gòu)（見圖2）能夠較好地抑制暗電流，從而提高長波紅外探測器的性能。

圖2 長波紅外探測器的能帶結(jié)構(gòu)圖

2材料生長與探測器陣列制備

銻化物超晶格材料生長采用固態(tài)源MBE系統(tǒng)，其中Sb源和As源均為裂解源（出射束流分別為Sb2和As2），Ⅴ/Ⅲ束流比由束流監(jiān)測計獲得。利用在腔室上安裝的反射式高能電子衍射儀（Reflection High-Energy Electron Diffractometer，RHEED）實時觀察樣品表面狀態(tài)，并通過表面再構(gòu)（見圖3）來校正溫度。InAs層和GaSb層均采用Ⅲ族元素限制生長模式。

圖3 基于表面再構(gòu)轉(zhuǎn)變的RHEED衍射圖

在n型GaSb（100）襯底上生長0.5 μm厚的Si摻雜InAsSb緩沖層，然后是0.5 μm厚的n型摻雜16 MLs InAs / 4 MLs AlSb電極層和不摻雜的同周期結(jié)構(gòu)的空穴勢壘層，接著是2 μm厚的p型弱摻雜13 MLs InAs/ 8 MLs GaSb長波吸收層（摻雜濃度為1 × 1016 / cm3），最后是8 MLs InAs / 8 MLs GaSb電子勢壘層和20 nm厚的Be摻雜GaSb蓋層（摻雜濃度為2 × 108/ cm3）。

生長的長波Ⅱ類超晶格材料通過濕法腐蝕完成臺面成型。經(jīng)硫化去除本征氧化層后，采用SiO2/SiON復(fù)合膜層進(jìn)行表面鈍化以抑制表面漏電流。通過用熱蒸發(fā)沉積工藝生長Ti/Pt/Au電極體系來實現(xiàn)良好的歐姆接觸。探測器陣列制備完成后（見圖4）與讀出集成電路（Readout Integrated Circuit，ROIC）倒裝互聯(lián)，從而實現(xiàn)混成耦合。最后對混成芯片的GaSb襯底進(jìn)行背減薄，并將其封入杜瓦結(jié)構(gòu)進(jìn)行測試。

圖4 長波探測器陣列

3結(jié)果與討論

3.1材料表面缺陷

由于不同廠家的襯底氧化層的厚度和透過率不同，用國產(chǎn)襯底替代進(jìn)口襯底后，超晶格材料的生長參數(shù)發(fā)生了變化。以前期優(yōu)化的超晶格生長條件在新襯底上生長的超晶格材料的表面缺陷大幅增加，如圖5（a）所示。缺陷形狀為底部近似橢圓的金字塔形，橢圓長軸尺寸約為6 μm，短軸約為3 μm。經(jīng)200倍光學(xué)顯微鏡觀察可知，缺陷密度為2000 cm-2。通過對不同襯底的參數(shù)進(jìn)行表征并對缺陷形狀和缺陷分布進(jìn)行分析，調(diào)整長波超晶格材料的生長條件（生長溫度等），使材料表面質(zhì)量得到明顯提升。結(jié)果表明，材料表面缺陷密度降到800 cm-2以下時，可以滿足紅外焦平面陣列的制作要求（見圖5（b））。超晶格材料表面質(zhì)量的提升，將會減小長波器件的暗電流，從而提高探測器性能。

圖5 長波超晶格材料表面圖像：（a）換襯底后外延表面缺陷多；（b）工藝調(diào)整后缺陷減少

3.2超晶格周期結(jié)構(gòu)控制

傳統(tǒng)碲鎘汞（Mercury Cadmium Telluride，MCT）等體材料的帶隙由組分決定，而超晶格材料則不同，其帶隙由超晶格周期結(jié)構(gòu)中InAs層、GaSb層以及類InSb界面層的厚度決定。盡管在材料生長之前已經(jīng)設(shè)計了確定的周期結(jié)構(gòu)，但在MBE生長超晶格材料的過程中，以下因素通常會導(dǎo)致實際周期結(jié)構(gòu)與設(shè)計方案之間存在偏差，比如高溫生長中原子互擴(kuò)散、原子活性不同而產(chǎn)生原子替換、富V族原子生長導(dǎo)致原子混入。

為了表征超晶格材料的實際周期結(jié)構(gòu)，采用高分辨Ｘ射線衍射儀（HighResolution X-Ray Diffraction，HRXRD）對其進(jìn)行測試和模擬。以長波超晶格材料吸收層為例，首先測試實際衍射曲線，然后根據(jù)衍射峰位置模擬出實際結(jié)構(gòu)參數(shù)，如圖6所示。經(jīng)模擬得到的InAs層、界面1、GaSb層和界面2的厚度分別為43?、3 ?、2192 ?和176 ?。通過對比設(shè)計值發(fā)現(xiàn)存在偏差，InAs層的厚度增加，GaSb層的厚度減小，界面層的厚度稍有增加。結(jié)合能帶理論分析可知，InAs層和界面層厚度的增加將會導(dǎo)致響應(yīng)截止波長向長波方向偏移。同理，電子勢壘層和空穴勢壘層的結(jié)構(gòu)偏差將會使該層能帶結(jié)構(gòu)改變，導(dǎo)致暗電流抑制作用減弱或者載流子輸運(yùn)受到阻礙，從而降低探測器性能。

結(jié)合上述原因，優(yōu)化擋板開關(guān)順序和時間，精確控制超晶格材料的實際生長結(jié)構(gòu)。并且通過生長和測試的反復(fù)迭代，獲得與設(shè)計周期結(jié)構(gòu)一致的超晶格材料，以達(dá)到能帶結(jié)構(gòu)設(shè)計目的，進(jìn)而獲得具有良好性能的長波超晶格材料。

3.3長波超晶格芯片的表面鈍化

超晶格材料表面極易被氧化，從而形成Ga2O3等多種氧化物導(dǎo)電層。另外，在芯片陣列制備中，臺面刻蝕過程會導(dǎo)致晶體周期結(jié)構(gòu)遭到破壞，產(chǎn)生懸掛鍵，引起表面漏電流。以上兩種過程會嚴(yán)重降低Sb基超晶格探測器的性能，因此必須對該探測器進(jìn)行表面鈍化。

圖6 長波超晶格吸收層的XRD測試與擬合曲線

與中波超晶格探測器相比，長波器件的帶隙小，受暗電流的影響更大，使其表面鈍化更加困難。因此，我們結(jié)合Sb基超晶格的特點，開發(fā)了硫化物鈍化工藝。有效去除刻蝕后的本征氧化層，然后通過沉積SiO2/SiON復(fù)合膜層進(jìn)行表面鈍化加固，從而增強(qiáng)鈍化層的穩(wěn)定性。結(jié)果表明，該方法具有良好的鈍化效果。

3.4長波超晶格焦平面陣列測試

我們利用上述工藝制備了長波超晶格材料和320 × 256長波超晶格焦平面混成陣列（見圖7），并對其性能進(jìn)行了測試。圖8所示為光學(xué)F數(shù)為2、工作溫度為77 K時的光譜響應(yīng)曲線。該探測器的截止波長為9.6 μm，平均峰值探測率D＊為7 × 1010 cm?Hz1/2/W，NETD為34 mK，響應(yīng)非均勻性為7%。可以看出，這種焦平面陣列具有良好性能。

圖7 長波混成芯片

圖8 長波超晶格器件的響應(yīng)光譜

4結(jié)論

基于Ⅱ類超晶格在長波探測方面的優(yōu)勢，介紹了我們在長波超晶格探測器制備方面的研究進(jìn)展。通過設(shè)計雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)抑制了器件暗電流；優(yōu)化生長溫度等條件后減少了表面缺陷，并通過用軟件擬合超晶格周期結(jié)構(gòu)來提高結(jié)構(gòu)控制精度；利用復(fù)合鈍化層減小了漏電流。采用以上措施制備了320 × 256長波紅外焦平面陣列。測試結(jié)果表明，77 K溫度下的平均峰值探測率D＊為7 × 1010 cm?Hz1/2/W，NETD為34 mK，響應(yīng)非均勻性為7%。下一階段將通過優(yōu)化長波超晶格能帶結(jié)構(gòu)和長波鈍化工藝來進(jìn)一步提高長波超晶格探測器的性能。本文研究對長波超晶格探測器研制及其工程化應(yīng)用具有參考意義。宏觀缺陷密度小于等于100 cm-2、表面平整度小于等于15 μm、表面粗糙度小于等于1.0 nm、位錯密度低于5 ×106 cm-2的4in硅基碲鎘汞材料。該研究為后續(xù)的大面陣碲鎘汞探測器研制奠定了堅實的材料基礎(chǔ)。

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