雙色紅外探測器具有抗干擾能力強、探測波段范圍廣、目標特征信息豐富等優點，因此被廣泛應用于導彈預警、氣象服務、精確制導、光電對抗和遙感衛星等領域。雙色紅外探測技術可降低虛警率，實現復雜背景下的目標識別，從而顯著提高系統性能。碲鎘汞材料、量子阱材料和銻化物Ⅱ類超晶格材料均可用于制備雙色紅外探測器。其中，InAs/GaSb Ⅱ類超晶格材料因其帶隙靈活可調、電子有效質量更大、大面積均勻性高等特點以及成本優勢，成為制備雙色探測器的優選材料。

據麥姆斯咨詢報道，近期，華北光電技術研究所和中國科學院半導體研究所的科研團隊在《紅外》期刊上發表了以“InAs/GaSb Ⅱ類超晶格雙色紅外焦平面器件的干法刻蝕與濕法腐蝕制備對比研究”為主題的文章。該文章第一作者為溫濤高級工程師，主要從事紅外探測器器件方面的研究工作。

本文所采用的InAs/GaSb Ⅱ類超晶格長/長波雙色材料是在N型GaSb襯底上，用分子束外延（MBE）技術生長背靠背的NMπP-PπMN結構來實現的。我們分別采用干法刻蝕工藝路線和濕法腐蝕工藝路線制備了面陣規模為320×256、像元中心距為30 μm的InAs/GaSb Ⅱ類超晶格長/長波雙色紅外焦平面器件，然后對其進行了性能測試，并對兩種工藝路線制備的器件的臺面形貌、接觸孔形貌、伏安特性和中測性能進行了對比研究。

實驗

如圖1所示，材料采用NMπP-PπMN背靠背結構實現長/長波雙色紅外探測。圖1中，紅色通道（上方深色區域）和藍色通道（下方深色區域）均采用p-πM-n結構，通道內勢壘層選用本征摻雜的M結構來抑制產生復合電流和隧穿電流。M結構中，在InAs/GaSb中間插入AlSb層，形成InAs/GaSb/AlSb/GaSb，使能帶結構呈“M”形。N型上下電極和接觸層以及勢壘層均采用了18 ML/3 ML/5 ML/3 ML的InAs/GaSb/AlSb/GaSb M結構。其中，N型接觸層的厚度約為0.5 μm，摻雜濃度在101? cm?3量級。藍色通道吸收層采用弱p型摻雜10.5 ML/7 ML的InAs/GaSb超晶格，而紅色通道則將弱p型摻雜12.5 ML/7 ML的InAs/GaSb作為吸收區。兩通道的中間P型接觸層通過P型摻雜8 ML/12 ML的InAs/GaSb連接在高P型GaSb中間層的兩端。當上電極偏壓為正值時，紅色通道處于反偏狀態（即處在工作模式），下方的藍色通道處于導通狀態。反之，當上電極偏壓為負值時，藍色通道處于反偏狀態（即處在工作模式），上方的紅色通道處于導通狀態。

圖1 InAs/GaSb Ⅱ類超晶格長/長波雙色材料的結構示意圖

制作InAs/GaSb Ⅱ類超晶格紅外焦平面器件時，首先需要形成臺面結構，將像元隔離，接著需要制備臺面上與臺面下的接觸孔，最后在接觸孔上覆蓋電極以便實現像元的電學引出。完成電極制備的InAs/GaSb Ⅱ類超晶格長/長波雙色器件如圖2所示。臺面成型及接觸孔制備工藝通常有干法刻蝕和濕法腐蝕兩種方式。濕法腐蝕工藝簡單且無損傷，但不可避免地存在鉆蝕且各向同性，常被用于像元中心距較大的面陣器件制備。干法刻蝕工藝各向異性，幾乎無鉆蝕，但不可避免地存在刻蝕損傷，常被用于像元中心距較小的面陣器件制備。

圖2 InAs/GaSb Ⅱ類超晶格長/長波雙色器件的結構示意圖

實驗采用一片2 in長/長波雙色InAs/GaSb Ⅱ類超晶格材料（NMπP-PπMN背靠背結構）并將其劃為A、B兩片，然后通過光刻制備320×256（30 μm）焦平面陣列。采用由磷酸、檸檬酸、雙氧水、水配置而成的腐蝕液對A片進行臺面濕法腐蝕，并通過感應耦合等離子體（ICP）設備以及三氯化硼體系對B片進行臺面干法刻蝕。臺面制備完成后，利用等離子體增強化學氣相沉積（PECVD）設備對A、B兩片進行SiO?表面鈍化并完成接觸孔光刻。A片通過氟化銨緩沖液濕法腐蝕接觸孔，B片通過ICP設備以及三氟甲烷體系干法刻蝕接觸孔，接著濺射Ti/Pt/Au金屬化體系并通過剝離工藝形成電極。經伏安測試后，A、B兩片分別進行劃片、清洗、表面篩選和倒裝互連，最后將混成芯片分別封入杜瓦并在77 K下對其進行性能測試。器件尺寸通過掃描電鏡及測量顯微鏡測得，臺階深度通過臺階儀測試得到，伏安曲線通過半導體參數分析儀測得，器件形貌通過共聚焦顯微鏡以及掃描電鏡觀察和分析。

結果與討論

臺面形貌對比

臺面成型是臺面結焦平面器件制備的關鍵工序。臺面的鉆蝕程度、表面粗糙度、側壁形貌對焦平面器件的信號及噪聲具有直接的影響。InAs/GaSb Ⅱ類超晶格雙色器件的有源層較厚（通常為8 ～ 10 μm），需要形成深臺面結構以實現像元之間的物理隔離。

圖3所示為A片（濕法腐蝕）制備的臺面形貌。可以看出，由于濕法腐蝕的各向同性，在向下腐蝕的同時也向兩側鉆蝕，導致濕法腐蝕后臺面的占空比較小。經計算可知，濕法腐蝕臺面后紅色通道的占空比僅為25.8%，藍色通道的占空比為65.7%。同時，兩個方向的臺面側壁形貌還存在明顯的差異，且側壁坡度很不均勻。這些都會影響器件的性能。

圖3 A片（濕法腐蝕）臺面形貌的掃描電鏡圖

圖4為B片（干法刻蝕）制備的臺面形貌。可以看出，由于干法刻蝕利用了等離子體的各向異性刻蝕，鉆蝕很小，占空比較大。經計算可知，干法刻蝕臺面后紅色通道的占空比為62.7%，藍色通道的占空比為76.5%。同時干法刻蝕后臺面側壁坡度均勻，有利于鈍化層的覆蓋。

圖4 B片（干法刻蝕）臺面形貌的掃描電鏡圖

接觸孔形貌對比

接觸孔形貌對器件電極的臺階覆蓋好壞具有直接的影響。圖5（a）所示為A片（濕法腐蝕）制備的接觸孔形貌。可以看出，由于濕法腐蝕的橫向鉆蝕，電極孔腐蝕后直徑較大，但側壁坡度較緩，有利于金屬體系的覆蓋。圖6（b）所示為B片（干法刻蝕）制備的接觸孔形貌。可以看出，干法刻蝕后電極孔側壁比較陡直，這種形貌并不利于金屬層的臺階覆蓋。在電極制備完成后，側壁處有明顯的空隙。由于后續工藝要通過銦柱進行倒裝互連，銦可能通過這些縫隙擴散到超晶格材料表面而導致漏電，嚴重影響器件的長期可靠性。

圖5 用濕法（a）/干法（b）工藝制備接觸孔后的形貌對比圖

圖6 濕法（a）/干法（b）工藝芯片在77 K下的伏安曲線對比圖

伏安曲線對比

紅外焦平面芯片的伏安特性是評價器件性能的重要參數。其中，光電流與器件的信號值相關，阻抗最大值與器件的優值因子RA直接相關。圖6為濕法/干法工藝芯片在77 K下的伏安曲線對比圖。具體測試結果如下：濕法工藝芯片紅色通道的阻抗最大值為1.9 ＭΩ，相應電流為29.5 nA；藍色通道的阻抗最大值為61.2 ＭΩ，相應電流為-18.7 nA。干法工藝芯片紅色通道的阻抗最大值為2.4 ＭΩ，相應電流為72.5 nA；藍色通道的阻抗最大值為137.9 ＭΩ，相應電流為-40.3 nA。可以看出，干法工藝芯片的阻抗值明顯比濕法工藝芯片高，且光電流較大。

中測結果對比

表1列出了濕法/干法工藝芯片封入杜瓦后在77 K下的中測性能對比數據。可以看出，濕法工藝芯片無論是紅色通道還是藍色通道，其信號值都明顯比干法工藝芯片小，平均峰值探測率及噪聲等效溫差也都明顯比干法工藝芯片差，僅在盲元率方面略優于干法工藝芯片。在響應率非均勻性指標上，紅色通道是干法工藝路線略優，藍色通道是濕法工藝路線略優。

結束語

本文采用InAs/GaSb Ⅱ類超晶格長/長波雙色材料，分別基于干法刻蝕工藝路線和濕法腐蝕工藝路線，通過臺面成型、表面鈍化、開接觸孔、電極制備和倒裝互連等工藝，獲得了面陣規模為320×256、像元中心距為30 μm的InAs/GaSb Ⅱ類超晶格長/長波雙色混成芯片。分別將其封入杜瓦，并在77 K下進行了性能測試。結果表明，用濕法工藝制備的器件信號弱，性能相對較差，不過有效像元率相對較高；用干法工藝制備的器件信號強，性能相對較好，但盲元率相對較高，電極臺階覆蓋相對較差。該研究為InAs/GaSb Ⅱ類超晶格雙色焦平面器件的后續優化奠定了基礎。然而目前制備的長/長波雙色InAs/GaSb Ⅱ類超晶格面陣器件還存在一些問題。比如，無論是用濕法工藝制備的器件還是用干法工藝制備的器件，其紅色通道伏安曲線的平坦區較短，阻抗值較小，各項性能指標明顯比藍色通道差，后續還需要進一步優化。

審核編輯：彭菁