综述:锑化物超晶格红外探测器研究进展与发展趋势

MEMS 2024-04-19 00:03

锑化物超晶格红外探测器具有均匀性好、暗电流低和量子效率较高等优点,其探测波长灵活可调,可以覆盖短波至甚长波整个红外谱段,是实现高均匀大面阵、长波、甚长波及双色红外探测器的优选技术,得到了国内外相关研究机构的关注和重视,近年来取得了突破性的进展。

据麦姆斯咨询报道,中国科学院上海技术物理研究所科研团队介绍了InAs/GaSb超晶格红外探测器的技术特点和发展历程,并对后续发展趋势作了初步的展望和探讨。相关研究内容以“锑化物超晶格红外探测器研究进展与发展趋势”为题发表在《红外与激光工程》期刊上。

InAs/GaSb超晶格红外探测器的技术原理和特点

超晶格是由两种晶格匹配良好的半导体材料交替重复生长而形成的周期性结构,每一层的厚度通常在纳米尺度。根据组成材料相互间能带排列特点,超晶格一般分为I类超晶格和II类超晶格。在III-V族化合物半导体中,InAs、GaSb、AlSb之间可组成不同类别的能带排列,GaSb/AlSb组成I类能带排列,InAs/GaSb、InAs/AlSb组成II类能带排列。特别的,InAs导带底能量比GaSb价带顶能量低约150 meV,当InAs和GaSb结合时,两者形成“破隙型”II类能带排列,电子被限制在InAs层中,而空穴被限制在GaSb层中。当两者组成超晶格时,相邻InAs和GaSb层中电子和空穴会由于相互作用分别形成电子微带和空穴微带,如图1所示。

图1 InAs/GaSb超晶格能带简图

电子微带与空穴微带的能量差即为超晶格的有效禁带宽度,随着InAs层和GaSb层厚度的改变而改变。对InAs/GaSb II类超晶格的能带结构进行计算和模拟,可以获得超晶格材料光电特性等信息。图2是InAs/GaSb超晶格的截止波长随InAs厚度变化关系,通过改变InAs层的厚度,可以调节超晶格的截止波长,实现短波红外、中波红外和长波红外等不同谱段的红外探测。

图2 InAs/GaSb II类超晶格截止波长随InAs厚度变化关系(GaSb厚度为2.1 nm)

总体来说,InAs/GaSb超晶格红外探测技术具有如下特点:

1)改变周期厚度可以调节InAs/GaSb超晶格的禁带宽带(响应截止波长),因此,可以通过结构设计来灵活调节超晶格探测器的光电响应特性,响应波段可以覆盖短波至甚长波的整个红外谱段,并实现多色探测。

2)InAs/GaSb超晶格结构可以吸收垂直入射光。理论计算表明,InAs/GaSb超晶格可达到与HgCdTe材料相当的吸收系数,因此具有较高的量子效率。

3)在InAs/GaSb超晶格结构中,由于轻、重空穴带的分离,抑制了Auger复合速率。在理论上,InAs/GaSb超晶格比HgCdTe具有更高的探测率。

4)相比HgCdTe材料,InAs/GaSb超晶格有更大的有效质量,有助于抑制长波探测器的隧穿暗电流。

5)现代材料生长技术,如分子束外延技术,可以在单原子层精度上控制材料的生长,十分有利于材料性能的可控性、稳定性和可重复性。

6)InAs/GaSb超晶格是III-V族化合物半导体材料,材料生长与器件工艺较为成熟,有利于实现大规格、高均匀性焦平面器件。

锑化物超晶格焦平面探测器发展历程

技术孕育阶段(20世纪80年代—21世纪初)

该阶段主要是超晶格红外探测技术概念的提出、超晶格探测器性能的理论计算分析、超晶格材料外延生长和基本光电特性研究,初步证实了超晶格材料具有优良的红外探测性能。

超晶格概念是20世纪70年代美国国际商用机器(IBM)公司的江琦、朱兆详等人提出的,指出电子在沿超晶格材料生长方向运动将受到超晶格周期势的影响,形成与自然界材料性能迥异的特性,分子束外延技术的发展又允许人们生长出高质量的超晶格材料。1977年,江琦、朱兆祥等人又提出了锑化物(InAs/GaSb)II类超晶格的概念。

技术突破阶段(21世纪初—2010年)

该阶段主要聚焦于突破高性能焦平面器件制备的关键技术。采用先进的异质结构抑制超晶格长波探测器的暗电流;研究超晶格材料的刻蚀和侧壁钝化技术,制备出超晶格面阵器件。

长波探测是超晶格技术发展的一个重要方向,而降低暗电流是长波红外探测器研究工作的一个重要内容。对于锑化物超晶格探测器,利用其灵活的能带结构调节能力以及分子束外延低维材料生长能力,国外各研究机构设计、制备出了多种宽禁带势垒的探测器结构来抑制暗电流,如pπMn结构、CBIRD结构、nBn结构等。上述不同结构的基本思想是利用宽禁带势垒层与吸收区形成异质结,从而达到抑制产生-复合电流的效果。

像元台面刻蚀与侧壁钝化是超晶格焦平面制备研究的一个重要内容。在台面侧壁,由于半导体周期性晶格结构的突然中断,会引起能带在表面的弯曲,从而使得接近表面的半导体层内形成电荷累积,甚至引起表面反型,这会导致在表面形成导电通道。另外,在刻蚀等工艺过程中产生的损伤、沾污或者氧化物等也可能引起表面势能的变化,在带隙内形成载流子陷阱,增加隧穿电流。

随着超晶格探测器结构的不断优化,器件制备工艺水平的提升,基于高质量分子束外延超晶格材料,结合前期建立的红外焦平面技术(如读出电路、铟柱混成互联等),相关研究机构相继研制出了320×256、640×512、1024×1024等不同规格的超晶格红外焦平面。

双色或多色探测器具备多谱段探测能力,可显著提升识别距离、抗红外干扰与抗伪装能力,是新一代焦平面探测器重点发展方向之一。锑化物超晶格材料能带灵活可调及宽谱响应的特性,使得其成为制备双色、多色探测领域的优选技术。各研究机构先后报道了基于该材料体系的中/中波、中/长波、长/长波双色焦平面探测器。

技术发展阶段(2010年—至今)

超晶格焦平面制备能力的提升

在相关政府机构的支持下,西方技术先进国家突破了超晶格结构设计、材料生长、芯片制备工艺等关键技术,多家研发机构先后获得高性能的超晶格长波大面阵器件和双色焦平面器件。这些成果的取得也使人们充分认识到超晶格技术在红外探测领域的意义和价值。在此基础上,2011年,美国启动了“重要红外传感器技术加速计划(VISTA)”,这是一个由政府主导的,包括JPL、MIT林肯实验室、Sandia国家实验室、海军实验室等研究结构,以及休斯实验室、洛克-马丁公司、L3辛辛那提电子公司等行业领先公司的联合体,技术链涵盖了衬底制备、超晶格材料外延生长、焦平面芯片制备工艺、读出电路设计、超晶格组件集成等。在5年时间内,VISTA计划在高性能长波、中长波双色、超大面阵焦平面、高温工作(HOT)焦平面器件等多方面获得了进一步的发展。

图3 (a)超晶格5 μm像元尺寸的SEM照片,(b)超晶格中波红外焦平面在160 K和170 K工作温度下成像示意图,(c)超晶格中长波双色野外成像图

超晶格焦平面的工程应用

随着制备能力和探测器性能的不断提高,超晶格红外焦平面开始了应用试验。2005年,德国IAF和AIM公司研制的中/中波超晶格双色焦平面探测器应用于欧洲大型运输机Airbus A400 M的多色红外预警系统(MIRAS)。

图4 非洲某地区的可见(来源谷歌地图)和CTI红外成像图片(来自美国NASA国际空间站拍摄),Band 1为中波红外图像,Band 2为长波红外图像

锑化物超晶格探测器的展望与思考

碲镉汞是当前最成功的红外探测材料,其响应波段可以覆盖短波至甚长波的整个红外谱段,具有高的吸收系数和量子效率。由于碲镉汞非常低的肖特基-里德-霍尔(SRH)复合速率,少子寿命长,暗电流低,可以实现高性能红外探测器。碲镉汞的挑战主要来自于材料生长、芯片制备工艺等方面难度大及由此而带来的成品率和制备成本等问题。

InAs/GaSb超晶格在谱段覆盖性方面和碲镉汞一样可以在短波至甚长波整个红外谱段内调节。与碲镉汞相比,超晶格红外探测器在量子效率和少子寿命还需要进一步的提升。但另一方面,InAs/GaSb超晶格属于III-V族化合物半导体,其物理化学性质较为稳定,超晶格焦平面在空间均匀性、时间稳定性等方面具有优势,同时,超晶格在材料、芯片的制备技术方面也具备更好的可控性。

近年来,InAs/GaSb超晶格红外探测器取得了飞速的发展。在国外,超大规格、高像元密度、高温工作中波焦平面、高性能长波红外焦平面及双色焦平面等已先后获得突破,超晶格探测器也已初步获得航天应用。国内自“十二五”布局开展锑化物超晶格红外探测技术研究,相关研究单位先后在超晶格长波焦平面技术、双色焦平面技术等方面取得突破,初步形成了超晶格材料外延生长、芯片制备等技术能力和平台。后续,超晶格红外探测技术将在进一步提升材料基本性能(量子效率、少子寿命)的基础上,发展大规格和超大规格红外焦平面,高像元密度焦平面,甚长波和双色、多色探测器,高工作温度红外焦平面等。

提升超晶格材料基本性能

在少子寿命方面,在超晶格中,轻、重空穴带的分离抑制了俄歇复合过程,因此,理论上超晶格的少子寿命可以比碲镉汞更长。但目前InAs/GaSb超晶格的少子寿命一般小于100 ns,与碲镉汞相比有很大的差距,这主要是由于超晶格材料存在较强的SRH复合。InAs/InAsSb超晶格因表现出了更长的载流子寿命而颇受关注,但对于相同的探测波长,InAs/InAsSb超晶格的吸收系数较小;同时,InAs/InAsSb超晶格的空穴迁移率和扩散长度也较小。另一种新型超晶格材料——晶格匹配 InAs/GaAsSb超晶格展现出了优良的光电性能,计算表明,对于相同的探测波长,InAs/GaAsSb超晶格具有与InAs/GaSb超晶格相似的吸收系数。

在量子效率方面,由于在超晶格中电子和空穴分别位于InAs和GaSb层中,吸收系数的大小与电子波函数和空穴波函数的交叠积分相关,从而导致器件的量子效率随波长增大而下降。目前中波红外超晶格探测器的量子效率可以实现70%~80%,长波器件的量子效率约30%~40%。提升长波、甚长波超晶格焦平面器件的量子效率是一个重要的研究课题。近年来,采用超表面微纳光子结构提升器件量子效率成为一个有效途径。与探测器集成的微纳光子结构主要包括一维、二维光子晶体、光栅、汇聚透镜、微腔结构等。近年来,美国麻省理工学院、空军实验室、JPL等在该方面开展研究并取得了较好的成果。

超晶格红外焦平面发展趋势展望

在焦平面器件发展趋势方面,将充分利用超晶格自身技术优势,发展高像元密度大面阵探测器、甚长波探测器、双色和多色探测器、高工作温度探测器及新型雪崩探测器等。

在高像元密度大面阵器件发展方面,国际上超晶格外延材料尺寸已经达到6 in(1 in=2.54 cm),正向更大晶圆发展;像元尺寸已缩小至5 μm,最大规格达到6 K×4 K。国内已具备4~6 in超晶格外延材料生长和锑化物半导体探测器芯片制备能力,在小像元尺寸的台面芯片制备方面也具有技术基础。

在甚长波红外探测器方面,关键在于降低器件暗电流,红外探测器的暗电流与少子寿命密切相关。因此,提升超晶格材料的少子寿命是一个重要的研究课题。晶格匹配InAs/GaAsSb新型超晶格材料有助于降低材料的深能级缺陷,从而提升少子寿命。降低器件暗电流的另一途径是运用InAs、GaSb、AlSb等材料间多样的能带排列方式,灵活设计出先进的抑制暗电流器件结构。最近,国外报道了14 μm超晶格甚长波焦平面探测器,采用先进势垒设计结构,大大地抑制了器件的暗电流。

在实现高温工作超晶格红外探测器的研究方面,主要集中在设计和制备各种具有暗电流抑制功能的异质势垒结构器件。国外研究机构采用nBn等异质势垒结构,很好地将超晶格中波红外探测器的工作温度提升至150 K以上。在国外,高温工作的超晶格中波红外焦平面已经显示出了替代传统InSb器件的趋势。

实现双色或多色探测是超晶格发展的一个重要发展方向。超晶格主要采用改变材料周期厚度来调节响应波长,采用分子束外延技术,只要改变InAs、GaSb单层的生长时间(改变层厚)就可以获得不同响应波长的超晶格材料,因此非常容易在一次外延生长过程中集成两个甚至多个响应不同波长的探测器材料结构。近期研究结果也表明,超晶格是实现双色或多色探测的优先技术。

在新型探测器方面,锑化物超晶格雪崩探测器(APD)近年来也备受关注。美国伊利诺斯大学研究发现,InAs/GaSb超晶格的空穴/电子碰撞电离系数比可以近似为零,研制的电子雪崩型器件的增益为300时,过剩噪声因子小于1.2。该团队与美国雷神公司合作研制的电子雪崩型超晶格APD,在增益为500时,过剩噪声因子仍旧保持在接近于1的水平,表现出了极低的雪崩噪声特性。

结论

这项研究简要介绍了锑化物超晶格红外探测技术的技术特点、发展历程及其发展趋势。自InAs/GaSb超晶格红外探测器的设想被提出后,30多年来,通过结构设计优化和制备技术提升,国内外研究结构先后获得了一系列的大面阵、高温工作、长波、多色红外探测器,超晶格红外焦平面也表现出了高均匀性、高稳定性、高制备可控性等优势,并且在红外遥感成像等航空航天领域得到应用。今后,超晶格红外焦平面将向着更高的像素密度、更大的规格、更高的工作温度、甚长波、双色(多色)、雪崩器件等方向发展。

论文信息:

DOI: 10.3788/IRLA20230153

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