摘要
报道了12.5 µm的InAs/GaSb II类超晶格长波红外焦平面探测器。实验采用分子束外延技术在GaSb衬底上生长超晶格材料。吸收区超晶格结构为15ML（InAs）/7ML（GaSb）。探测器采用PBπBN的双势垒结构以抑制长波探测器暗电流。研制了规模为1 024×1 024、像元中心距为18 μm的长波焦平面探测器。采用金属杜瓦封装，与制冷机耦合形成超晶格长波探测器制冷组件。在60 K温度下测试了探测器各项性能。探测器50%截止波长为12.5 µm，平均峰值探测率达到6.6×1
关键词
InAs/GaSb II类超晶格红外探测技术建立在较为成熟的III-V化合物半导体技术之上，具有能带灵活可调的特点，其探测波长可覆盖3~30 µm中波至远红外波段。除了可以调节能带宽带，InAs/GaSb超晶格结构还可以应用能带工程来改变能带结构。通过能带结构设计，使得重空穴带和轻空穴带有较大的分离，从而抑制Auger复合。超晶格材料的有效质量不直接依赖于其禁带宽度。相比HgCdTe材料，InAs/GaSb超晶格有更大的有效质量，特别在长波波段，高的有效质量将十分有助于抑制遂穿暗电
由于其优异的红外探测性能，InAs/GaSb II类超晶格受到了广泛的关注，近年来在国际上发展极为迅
本文报道了截止波长为12.5 µm的InAs/GaSb II 类超晶格长波红外焦平面探测器组件。该探测器采用PBπBN的双势垒外延超晶格结构抑制长波暗电流，吸收区超晶格结构为15ML（InAs）/7ML（GaSb）。研制了规模为1 024×1 024，像元中心距为18 μm的长波焦平面探测器。采用金属杜瓦封装，与斯特林制冷机耦合形成超晶格长波探测器制冷组件。在60 K 温度下，探测器平均峰值探测率达到6.6×1
针对12.5 µm长波探测器，利用锑化物超晶格能带结构灵活可调的特性，设计并构建了具有暗电流抑制功能的pBπBn双势垒结构超晶格探测器。势垒结构的引入是抑制长波探测器的暗电流的有效方法。特别是利用超晶格材料体系能带可调的优势，人工设计器件结构中的电子势垒和空穴势垒，既能够抑制台面器件的纵向漏电，又能够将耗尽区主要形成在势垒区，减少长波器件的隧穿电流。
针对12.5 µm长波超晶格焦平面组件的器件结构进行了设计和优化，主要采用双势垒的异质结器件结构，如
图1 长波超晶格探测器器件结构及其对应的能带结构图：（a）器件结构；（b）对应的能带结构图
Fig.1 Structure and the band structure diagramof the long-wavelength superlattice detectors：（a）structure； （b） band structure diagram
（a） （b）
对于吸收区，主要考虑了探测器量子效率的设计。长波超晶格在未进行补偿掺杂时体现为弱n型，少子为空穴，由于在超晶格材料中，空穴有效质量远大于电子，其扩散长度远小于电子，因此将无法通过增加器件吸收区的厚度来提高器件的量子效率。通过前期的研究，将吸收区进行P型的补偿掺杂，将吸收区的少子由空穴改变为电子，可以有效提高吸收区的少子扩散长度，从而使得增加吸收区材料厚度来提高探测器量子效率的方法可行。针对探测器量子效率的需求，吸收区采用了补偿掺杂技术及厚膜材料生长技术来提高超晶格吸收区材料的扩散长度及量子效率。
对于势垒区，针对12.5 µm截止波长的长波红外探测器禁带宽度窄、暗电流高的特点，设计了包含电子势垒和空穴势垒的势垒增强型探测器结构，提高器件信噪比，满足焦平面的研制要求。
InAs /GaSb II类超晶格材料的生长采用固态源分子束外延技术。实验采用（100） GaSb 衬底，衬底表面的脱氧过程和外延过程由在线反射式高能电子衍射（RHEED）监控。探测器采用pBπBn双势垒外延结构，超晶格的吸收区结构为15 ML InAs/7ML GaSb。本文研制的焦平面器件规模为1 024 ×1 024，采用台面结构，像元中心距为18 μm。像元与公共电极台面形成采用电感耦合等离子体（ICP）干法刻蚀技术获得，化学气相沉积技术（CVD）生长300 nm厚的SiNx薄膜作为钝化层，ICP刻蚀形成电极孔，电子束蒸发TiPtAu 合金制备欧姆接触电极，在电极表面生长铟柱。器件经背面机械减薄、切割、与读出电路（ROIC）倒焊互连后形成长波焦平面探测器件。最后将器件封装于杜瓦中，与制冷机耦合形成超晶格长波制冷组件。在60 K温度下对器件进行光学和电学性能测试。
采用高分辨X 射线衍射仪测试分析InAs/GaSb超晶格长波探测器结构的晶格质量和周期厚度。
图2 超晶格长波外延材料的 X射线ω/2θ摇摆曲线
Fig.2 XRD ω/2θ scan of long-wavelength superlattice wafers
图3 长波超晶格材料AFM测试图像
Fig.3 Long-wavelength superlattice materials AFM test image
图4 长波超晶格探测器的像元I-V曲线图
Fig.4 The dark current of long-wavelength superlattice detectors
通过傅里叶红外光谱仪测试探测器的光谱响应特性。
图5 长波超晶格探测器光谱响应曲线
Fig.5 The responsivity spectrum of long-wavelength superlattice detectors
本文研制的长波探测器组件工作温度为60 K，组件稳定功耗为53 Wa.c.。在黑体温度为20 ℃~35 ℃，F数为2的条件下测试了探测器各项性能指标。本文长波焦平面探测器测试结果如
| 参数 | 性能 |
|---|---|
| 规模 | 1 024×1 024 |
| 平均响应率 / （V/W） |
7.9×1 |
|
平均峰值探测率 / （cm·H |
6.6×1 |
| 响应非均匀性 / % | 6.2 |
| NETD / mK | 21.2 |
| 盲元率 / % | 1.05 |
| 组件功耗 / Wa.c | 53 |
图6 超晶格长波探测器噪声等效温差柱状分布图
Fig.6 NETD column distribution of the superlattice long-wavelength detector
长波超晶格焦平面探测器的成像演示图如
图7 百万像素长波探测器高清晰成像图
Fig.7 High definition image of the megapixel long-wavelength detector
报道了12.5 μm的InAs/GaSb II类超晶格长波红外焦平面探测器组件的研究结果。设计了长波暗电流抑制的PBπBN的双势垒超晶格探测器结构。采用分子束外延技术在GaSb衬底上生长了高质量的超晶格材料。研制了规模为1 024×1 024，像元中心距为18 μm的长波焦平面探测器。60 K下像元在-0.05 V偏压处暗电流达到了0.6 nA。采用金属杜瓦封装，与制冷机耦合形成超晶格长波探测器制冷组件。在60 K温度下测试了探测器各项性能，该探测器平均峰值探测率达到6.6×1
致谢
本工作得到了钟艳红、陈昱、杨勇斌、朱建妹、何高胤、曹晓莹等同志的支持，作者在此表示衷心的感谢。
References
Smith D L， Maihiot C. Proposal for strained type II superlattice infrared detectors ［J］. J. Appl. Phys.， 1987， 62： 2545-2548. [百度学术]
Hu W D， Chen X S， Ye Z H， et al. A hybrid surface passivation on HgCdTe long wave infrared detector with in-situ CdTe deposition and high-density Hydrogen plasma modification ［J］. Appl. Phys. Lett.， 2011， 99（9）： 091101. [百度学术]
Sai-Halasz G A， Tsu R， Esaki L. A new semiconductor superlattice ［J］. Appl. Phys. Lett.， 1977， 30（12）： 651–653. [百度学术]
Golding T D， Shih H D， Zborowski J T， et al. Investigation of molecular-beam epitaxially grown InAs/（In， Ga） Sb strained‐layer superlattices ［J］. Journal of Vacuum Science & Technology B， 1992， 10（2）： 880-884. [百度学术]
Zborowski J T， Fan W C， Golding T D， et al. Epitaxial and interface properties of InAs/InGaSb multilayered structures ［J］. Journal of applied physics， 1992， 71（12）： 5908-5912. [百度学术]
Feenstra R M， Collins D A， Ting D Z Y， et al. Interface roughness and asymmetry in InAs/GaSb superlattices studied by scanning tunneling microscopy ［J］. Physical review letters， 1994， 72（17）： 2749-2752. [百度学术]
Walther M， Schmitz J， Rehm R， et al. Growth of InAs/GaSb short-period superlattices for high-resolution mid-wavelength infrared focal plane array detectors ［J］. Journal of Crystal growth， 2005， 278（1）： 156-161. [百度学术]
Haugan H J， Grazulis L， Brown G J， et al. Exploring optimum growth for high quality InAs/GaSb type-II superlattices ［J］. Journal of crystal growth， 2004， 261（4）： 471-478. [百度学术]
Johnson J L， Samoska L A， Gossard A C， et al. Electrical and optical properties of infrared photodiodes using the InAs/Ga1-xInxSb superlattice in heterojunctions with GaSb ［J］. J. Appl. Phys.， 1996， 80（2）：1116-1127. [百度学术]
Razeghi M， Wei Y， Bae J， et al. Type II InAs/GaSb superlattices for high-performance photodiodes and FPAs ［J］. Proceedings of SPIE the Internation Society for Optical Engineering， 2003， 5246： 501-511. [百度学术]
Walther M， Rehm R， Fuchs F， et al. 256×256 focal plane array mid-wavelength infrared camera based on InAs/GaSb short-period superlattices ［J］. Journal of electronic materials， 2005， 34： 722-725. [百度学术]
Walther M， Rehm R， Fleissner J， et al. InAs/GaSb Type II short-period superlattices for advanced single and dual-color focal plane arrays ［J］. Proc. of SPIE， 2007， 6542： 83-90. [百度学术]
Rhiger D R， Kvaas R E， Harris S F， et al. Progress with Type II superlattices IR detector arrays ［J］. Infrared Technology and Applications . 2007， 6542： 54202-54202. [百度学术]
Nguyen B M， Hoffman D， Delaunay P Y， et al. Band edge tenability of M-structure for heterojunction design in Sb based type II superlattice photodiodes ［J］. Appl. Phys. Lett.， 2008， 93（16）： 163502. [百度学术]
Ting D Z， Hill C J， Soibel A ， et al. A high-performance long wavelength superlattice complementary barrier infrared detectors ［J］. Appl. Phys. Lett.， 2009， 95（2）： 183502. [百度学术]
Gautam N， Plis E， Kim H S， et al.， “Heterostructure band engineering of type II InAs/GaSb superlattice based long wave infrared photodiodes using unipolar current blocking barriers ［J］. Proc. of SPIE， 2010， 7660： 572-577. [百度学术]
Gunapala S D， Ting D Z， Hill C J， et al. Demonstration of 1k×1k long-wave and mid-wave superlattice infrared focal plane arrays ［J］. Proc. of SPIE， 2010， 7808： 780802. [百度学术]
Klipstein P C， Avnon E， Benny Y， et al. Type-II superlattice detector for long-wave infrared imaging ［C］. Proc. of SPIE， 2015， 9451： 94510K. [百度学术]