摘要
报道了长/长波双色二类超晶格红外焦平面探测器组件的研制。通过能带结构设计和分子束外延技术，获得了表面质量良好的长/长波双色超晶格外延材料。突破了长波超晶格低暗电流钝化、低损伤干法刻蚀等关键技术，制备出像元中心距30 μm的320×256长/长波双色InAs/GaSb超晶格焦平面探测器芯片。将芯片与双色读出电路互连，采用杜瓦封装，与制冷机耦合形成探测器组件。组件双波段50%后截止波长分别为7.7 μm（波段1）和10.0 μm（波段2）。波段1平均峰值探测率达到8.21×1
双色红外探测器可以同时获取目标和环境在两个波段的辐射特征，从而有效抑制复杂的背景噪声，实现不受环境制约的红外探测，提升目标的探测效果，在预警、搜索和跟踪系统中能明显地降低虚警率，显著地提高系统性
近年来长/长波双色红外探测器应用研究上取得了较大的发展，采用的材料主要为二类超晶格与碲镉汞。2011年，美国西北大学报道了第一个320×256 InAs/GaSb II类超晶格长/长波双色探测器，截止波长分别为9.5 μm和13 μm，噪声等效温差在两个波段均为约20 mK。进一步扩大面阵规
与碲镉汞相比，锑基II类超晶格具有暗电流低、工艺稳定性高、材料缺陷少等优点，尤其是在长波和甚长波波段的应用，超晶格展现出了更大的优
为抑制器件的暗电流和双波段间的光谱串音，本文基于NMP-PMN结构，在两通道间插入Al0.2Ga0.8Sb势垒阻挡电子反向移动，移除两个p型接触区，组成“NMBMN”器件结构，通过改变势垒区的掺杂浓度调整两个通道的饱和偏压和光谱串音，器件结构及能带如
图1 长/长波双色器件结构及能带图
Fig.1 Schematic of long-/long-wavelength dual-band photodetector architecture and corresponding energy band structure
文中使用材料采用分子束外延技术进行制备，针对长/长波双色超晶格材料生长温度窗口窄、中间势垒区与超晶格区生长温度相差大（约75 ℃）、长波吸收区InSb层厚度大使应力大的问题，本文通过调节材料的V族III族束流比、衬底温度、III族元素的源炉温度、快门开关顺序来保证材料符合器件制备标准。通过能带模拟，设计出短长波和长长波吸收区分别为10.5 ML InAs/7 ML GaSb和14 ML InAs/7 ML GaSb。根据已有经验，长波超晶格吸收区需要更多的InSb平衡应力，太多的InSb界面导致外延难度增大。在GaSb衬底上要实现共格生长，1 ML的InAs需要0.1 ML的InSb平衡张应力，因此短长波吸收区和长长波吸收区各需要1.05 ML和1.4 ML的InSb平衡应力。考虑到界面处存在的部分GaAs，实际需要的InSb厚度要更多，太多的InSb可能会导致应力释放，破坏晶格结构。10.5 ML InAs/7 ML GaSb需要1.05 ML InSb平衡应力，在InAs on GaSb界面处更容易形成InSb界面。因此在InAs on GaSb界面处生长0.52 ML InSb，在GaSb on InAs界面处生长0.53 ML InSb。14 ML InAs/7 ML GaSb需要1.4 ML InSb平衡应力，如果采用InSb双界面，两边的InSb厚度为0.7mL，这个数值接近晶格弛豫的临界值，因此采用三界面生长方式，在InAs on GaSb界面和GaSb on InAs界面处各生长0.45 ML InSb，并在GaSb层中间位置插入0.5 ML InSb。界面生长顺序如
图2 （a）10.5 ML InAs/7 ML GaSb界面生长顺序，（b）14 ML InAs/7 ML GaSb界面生长顺序
Fig.2 （a） Growth sequence of 10.5 ML InAs/ 7 ML GaSb interface， （b） growth sequence of 14 ML InAs/ 7 ML GaSb interface
为了表征材料质量，将外延的长/长波双色超晶格材料进行光学显微镜、原子力显微镜（AFM）、X射线衍射仪测试（XRD），表征材料表面形貌和晶格完整性。在外延样品选取多个点位进行测试。对表面缺陷数量进行统计，视场长度和宽度分别为344 μm和245 μm，视场面积为0.08428 c
图3 长/长波双色超晶格材料表面形貌（a）样品#1，（b）样品#2
Fig.3 Surface morphology of long-/long-wavelength dual-band superlattice materials （a） sample #1 and （b） sample #2
图4 长/长波双色超晶格材料AFM测试图像（a）样品#1，（b）样品#2
Fig.4 AFM image of long-/long-wavelength dual-band superlattice materials （a） sample #1 and （b） sample #2
图5 长/长波双色超晶格材料XRD测试图谱
Fig.5 XRD image of long-/long-wavelength dual-band superlattice
根据材料设计，短长波吸收区设计厚度为56.5395Å；长长波吸收区的设计厚度为68.2741 Å；M层（18 ML InAs /3 ML GaSb/5 ML AlSb/3 ML GaSb）的设计厚度为92.0481 Å。
设计吻合度的计算方法为周期厚度/设计厚度，得到M层、长长波、短长波的设计吻合度分别为99.29%、99.44%和97.37%。数据拟合结果和详细卫星峰参数如
| 峰位 | -2级峰 | -1级峰 | 1级峰 | 2级峰 | 平均值 | 周期厚度 | 设计厚度 | 吻合度 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| M结构 | -4020 | -2025 | 2005 | 4035 | 2015 | 91.3902 | 92.0481 | 0.9929 |
| 长长波 | -5375 | -2690 | 2735 | 5485 | 2712.5 | 67.8899 | 68.2741 | 0.9944 |
| 短长波 | -6795 | -3500 | 3190 | 6585 | 3345 | 55.0527 | 56.5395 | 0.9737 |
通过以上对外延的长/长波双色超晶格材料的表面形貌、粗糙度和XRD表征，结果均验证了所生长的超晶格材料具备较好的晶体质量，可以满足制备焦平面阵列的需求。
本文制备的焦平面探测器芯片阵列规格为320×256，像元中心距为30 μm×30 μm。芯片的制备工艺流程包括：通过光刻和ICP干法刻蚀形成台面结结构，使像素间产生隔离。采用PECVD等离子体化学气相沉积在台面结构的表侧壁覆盖SiOxNy/SiO2钝化层。经过刻蚀工艺开出电极接触通孔，通过光刻与电子束蒸发制备Ti/Pt/Au金属电极。将制备得的芯片与专用双色读出电路通过铟柱倒装互连，形成混成芯片。再通过低应力底部填充与背减薄技术，减薄衬底，完成长/长波双色超晶格红外探测器芯片的制备，芯片实物和焦平面像元阵列如
图6 （a）320×256（30 μm）长/长波双色超晶格探测器混成芯片照片，（b）焦平面像元阵列SEM照片
Fig.6 （a）Microscopic image of 320×256 （30 μm） long-/long-wavelength dual-band superlattice photodetector， and （b） scanning electron micrograph of focal pixel array.
将完成上述工艺的320×256（30 μm）长/长波双色超晶格红外探测器芯片进行微杜瓦封装，冷屏F数为2，制冷至约70 K。将20 ℃黑体和35 ℃黑体先后对准测试窗口，通过焦平面测试系统采集全面阵各像元的响应信号。设置积分时间和调节偏置，计算出探测器的性能参数，包括探测率、盲元率、响应非均匀性等。
采用低温探针台系统（Agilent B1500A）对InAs/GaSb超晶格长/长波双色探测器芯片的电学特性进行测试。光敏元面积为30 μm×30 μm，测试温度为77 K。测试得随偏压变化的长/长波双色器件电流密度-电压（J-V）曲线，并通过计算得出阻抗面积乘积-电压（RA-V）曲线如
图7 J-V和RA-V特性曲线
Fig.7 Characterization of J-V and RA-V curves
在70 K下通过傅里叶红外光谱仪（VERTEX 70）与高温黑体测试探测器的光谱响应特性。本文像元器件结构为两个背靠背的PN结，通过调节整体工作偏压，实现双波段的探测。偏压调节下焦平面器件的长波相对双色响应光谱如
图8 长/长波双色超晶格探测器光谱响应曲线
Fig.8 Spectral response of superlattice dual-band long-/long-wavelength infrared photodetector
将焦平面器件封装入微杜瓦，形成制冷型红外探测器组件。长/长波超晶格焦平面探测器组件的双波段成像效果如
图9 双波段成像演示图（a）波段1成像图，（b）波段2成像图
Fig.9 Infrared imagings of dual-band FPA (a) Band-1 channel imaging (b)Band-2 channel imaging
本文报道了基于双色叠层超晶格材料的长/长波双色焦平面探测器。通过分子束外延技术成功制备了NPN叠层结构的双色超晶格材料，并由材料表征验证了超晶格晶体质量。采用光刻、ICP干法刻蚀、PECVD钝化等工艺，实现了320×256规格、30 μm像元中心距的长/长波双色超晶格焦平面探测器芯片制备。通过与长/长波双色读出电路倒装互连、杜瓦封装、耦合分体式制冷机后，形成长/长波双色超晶格红外焦平面组件。在70 K下，通过响应光谱测试，验证了探测器的长/长波双色探测功能。组件性能测试得到，该双色超晶格焦平面探测器的双波段截止波长分别为7.7 μm和10.0 μm，NETD分别为28.8 mK和37.8 mK，并实现了清晰的成像演示，为后续长/长波双色超晶格焦平面探测器迈向工程化奠定了基础。
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