摘要
超晶格材料已经成为了第三代红外焦平面探测器的优选材料。双波段红外探测器能够通过对比两个波段内的光谱信息差异，对复杂的背景进行抑制，提高探测效果，在需求中尤为重要。本文开展了InAs/InAsSb超晶格中/中双色焦平面探测器设计及制备技术研究，从器件设计、材料外延、芯片加工等方面展开研究，制备了中心距30 μm的320×256 InAs/InAsSb二类超晶格中/中波双色焦平面探测器。器件短中波峰值探测率达到7.2×1
关键词
双波段红外探测器能够通过对比两个波段内的光谱信息差异，对复杂的背景进行抑制，提高探测效果，这对鉴别军事目标、跟踪快速移动的目标和预警等应用尤为重要。空中目标，其光谱辐射能量主要集中于中波红外段。中波红外波段具有探测距离远、对比度较高等优点，利于分辨目标热辐射差异。双中波段对于背景和目标存在明显对比度差异，可提高目标探测和识别能力，显著降低虚警率，具有重要的应用价值。在红外双色中/中波探测器研究中，美国、德国、以色列等国家一直处于世界领先地
中/中波超晶格双色焦平面探测器的功能是将接收到的中/中波红外辐射图像分别转换成电信号，并对阵列信号进行处理和读出。在红外探测系统中完成红外信号光电转换功能。探测器的光谱响应范围通常由光敏芯片和滤光片的特性决定。在叠层双色探测器中，中/中波的分离由光敏芯片完成，中波响应层位于短中波响应层之后，接受短中波辐射被吸收后剩余的中波辐射。本文选用的两个红外中波波段为蓝色通道3~4 μm和红色通道4~5 μm。
超晶格的能带结构理论计算主要通过经验紧缚理论和kp微扰理论，建立InAs/InAsSb超晶格的能带结构近似模型，计算超晶格的能带结构，电学和光学性能，从而指导实际探测器的设计。根据理论计算经验，文中设计InAs/InAsSb niBin二类超晶格材料结构如
图1 InAs/InAsSb中/中双色超晶格材料能带结构图
Fig.1 The schematics of InAs/InAsSb Mid-/Mid-wave two-color superlattice energy band material structure
文中使用材料采用分子束外延设备生长外延薄膜，采用III-V族化合物半导体制备工艺，通过光刻、刻蚀、钝化等制备320×256焦平面阵列芯片。电路读出方式为顺序积分模式，通过单铟柱结构和Si基读出电路混成互连。将探测器芯片组件置于77 K左右的低温环境中，芯片采用背入射方式，入射光通过滤光片先后作用于芯片的短中波和中波，响应信号通过电路输出。
采用分子束外延（MBE）设备在直径为2英寸的GaSb衬底上生长niBin结构的InAs/InAsSb中/中双色超晶格材料。首先生长0.3 μm的GaSb缓冲层，然后依次生长0.8 μm的InAs/InAsSb电极接触层、2.5 μm的InAs/InAsSb短中波吸收层、0.15 μm的AlGaAsSb势垒层、2.9 μm的InAs/InAsSb中波吸收层、0.4 μm的InAs/InAsSb电极接触层以及15 nm的InAs盖帽层。通过金相显微镜观察材料表面的缺陷情况，通过X射线衍射（XRD）设备分析材料内部晶格质量。超晶格材料的双晶衍射曲线如
图2 超晶格材料的XRD图谱
Fig. 2 XRD patterns of superlattice materials
图3 超晶格材料表面金相显微镜图片
Fig. 3 Metallographic micrograph of the superlattice material surface
InAs/InAsSb中/中双色超晶格芯片的工艺流程长，工艺复杂度高，其中的关键工艺为台面加工、钝化技术、金属电极制备等。超晶格探测器芯片阵列采用台面结构。由于双色探测器具有多层复杂结构，每层的组分还有区别，且做出需要的双色二极管结构所需要的刻蚀深度比单色二极管大得
图4 刻蚀台面的金相显微镜照片(a)和扫描显微镜照片(b)
Fig.4 Metallographic micrograph (a) and SEM of the etched mesa (b)
刻蚀后的台面侧壁表面存在悬挂键、缺陷、杂质和污染物等物质，这会在表面引入大量的复合中心，严重影响器件的电学性能。双色焦平面的二极管侧壁位于很窄的深槽中，给钝化技术增加了不少困难，通过电化学钝化加介质膜层的方法。通过优化刻蚀工艺，降低损伤，同时通过去损伤工艺清除表面损伤层，得到良好的钝化效果如
（a）
（b）
（c）
图5 器件的钝化后金相显微镜图片(a)，金电极金相显微图照片(b)，铟柱三维轮廓图片(c)
Fig. 5 Metallographic micrograph of passivation (a), gold electrode (b) and profile photo of indium bump (c)
InAs/InAsSb中/中双色超晶格芯片采用低温探针台系统对芯片的电特性进行测试。测试温度为77 K，对光敏元面积为30 μm×30 μm测试元进行测试，测试范围从-1.5 V到1.5 V。
图6 J-V特性和RA特性测试结果
Fig. 6 Characterization of current destiny and differential resistance vs voltage
对于短中波来说，偏压为-250 mV时，电流密度7.5×1
总的电流密度J为：
| ， | （1） |
其中JD为体内扩散电流，Js为表面漏电流，JG-R为复合电流密度，JT为隧穿电流，JP为光生电流。
将30 μm中心距的320×256中/中双色超晶格焦平面阵列组件封装到测试杜瓦中并进行制冷到液氮温度，采用法国HGH systems infrarouges焦平面测试系统，对器件的光电响应进行测试，短中波通道和中波通道响应如
（a）
（b）
图7 InAs/InAsSb双色器件的短中波通道(a)和中波通道(b)响应图
Fig. 7 Response diagram of short-Mid-wave channel (a) and mid-wave channel (b) of InAs/InAsSb two-color device
（a）
（b）
图8 InAs/InAsSb双色超晶格器件的短中波通道(a)和中波通道(b)盲元图
Fig. 8 Blind metagraph of short-Mid-wave channel (a) and Mid-wave channel (b) of InAs/InAsSb two-colordevice
光谱响应曲线图如
图9 InAs/InAsSb双色超晶格器件的光谱响应曲线
Fig. 9 Nomalization responsivity spectrum curves of InAs/InAsSb two-color superlattice device
（a）
（b）
图10 InAs/InAsSb双色超晶格器件的短中波通道(a)和中波通道(b)的成像图
Fig. 10 Thermal image of short-Mid-wave channel (a) and mid-wave channel (b) of InAs/InAsSb two-color device
本文研制InAs/InAsSb二类超晶格中/中波双色探测器组件，像元规模为320×256，像元中心距为30 μm。短中波二极管的RA值达到4.5×1
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