鞏 鋒，馬文全，譚 振，劉 銘，王 亮，張燕華，邢偉榮

（1.華北光電技術(shù)研究所，北京100015；2.中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所，北京100083）

銻基二類超晶格中波紅外焦平面探測器技術(shù)

鞏 鋒1，馬文全2，譚 振1，劉 銘1，王 亮1，張燕華2，邢偉榮1

（1.華北光電技術(shù)研究所，北京100015；2.中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所，北京100083）

InAs／GaSbⅡ類超晶格以其特有的量子效率高、暗電流小、能帶結(jié)構(gòu)可調(diào)等材料性能和器件優(yōu)勢，成為第三代紅外探測器技術(shù)的最佳選擇之一。本文報道了中波InAs／GaSbⅡ類超晶格材料的設(shè)計、生長、器件工藝技術(shù)，制備出了高性能的128×128中波InAs／GaSbⅡ類超晶格紅外焦平面探測器，像元暗電流密度降到1.8×10－7A／cm2，量子效率達36.64%。

InAs／GaSbⅡ類超晶格；128×128；像元暗電流密度；量子效率

1 引 言

三代紅外焦平面器件向著大規(guī)模高性能、雙多色探測、低成本方向發(fā)展。目前主流的碲鎘汞紅外探測器［1］由于Hg-Te鍵較弱，易形成Hg空位；隧穿電流大、俄歇復(fù)合速率高；用于甚長波紅外探測的高Hg組分HgCdTe材料生長大面積成分控制困難、均勻性差，限制了其在更大規(guī)模高性能、雙多色探測、低成本焦平面方向的快速發(fā)展和應(yīng)用。

銻基Ⅱ類超晶格紅外探測材料具有獨特的“破帶隙”能帶結(jié)構(gòu)，使得Ⅱ類超晶格材料具有以下優(yōu)點［2－3］：量子效率高，帶間躍遷，可以吸收正入射，縮短了焦平面探測器的積分時間，響應(yīng)時間快；暗電流小，通過調(diào)節(jié)應(yīng)變及其能帶結(jié)構(gòu)，使輕重空穴分離大，降低了俄歇復(fù)合及相關(guān)的暗電流；電子有效質(zhì)量大，是碲鎘汞的三倍，隧穿電流小，尤其在甚長波可獲得高的探測率（如圖1）；帶隙可調(diào)，響應(yīng)波長從3μm到30μm可調(diào)；雙色Ⅱ類超晶格器件全部外延層的厚度不到雙色碲鎘汞器件的三分之一，這給材料生長和器件工藝帶來許多便利，具有更好的光譜調(diào)節(jié)能力和像元均勻性；基于Ⅲ-Ⅴ族材料生長技術(shù)，大面積材料均勻性好、成本低。因此，美國西北大學(xué)的M.Razeghi以及波蘭軍事科學(xué)院的A.Rogalski等預(yù)言InAs／GaSb II型超晶格材料將是下一代紅外探測器的首選材料［4－5］。

圖1 TypeⅡ和P-on-n型HgCdTe理論探測率對比

2 實 驗

采用中科院半導(dǎo)體所設(shè)計、生長的中波PIN型Ⅱ類超晶格材料，突破了InAs／GaSbⅡ類超晶格表面鈍化、低損傷刻蝕、歐姆電極制備和GaSb襯底的減薄去除等關(guān)鍵工藝技術(shù)，制備出性能較好的128× 128中波InAs／GaSbⅡ類超晶格紅外焦平面探測器。

3 關(guān)鍵技術(shù)分析與討論

3.1 中波InAs／GaSbⅡ類超晶格材料制備

基于量子力學(xué)的薛定諤方程和包絡(luò)函數(shù)方法的理論基礎(chǔ)，通過使用傳輸矩陣算法（TMM）和八帶KP算法進行Ⅱ類超晶格材料響應(yīng)波長和吸收效率的模擬仿真；通過改變超晶格各層厚度、超晶格周期數(shù)及增加GaInSb中的In組分，增大電子－空穴波函數(shù)的交疊，設(shè)計中波Ⅱ類超晶格紅外探測器的材料結(jié)構(gòu)。材料結(jié)構(gòu)與帶隙和晶格失配的關(guān)系：圖2（a）為GaSb層從6單分子層到20單分子層；InAs層從4單分子層到20單分子層變化的相應(yīng)帶隙結(jié)果。圖2（b）為相應(yīng)結(jié)構(gòu)的晶格失配情況，在模擬計算中均假設(shè)使用兩個相同的InSb界面。

圖2 計算得到的能帶結(jié)構(gòu)與應(yīng)力分析結(jié)果

以GaSb為襯底材料，采用分子束外延技術(shù)進行中波Ⅱ類超晶格材料生長，工藝核心是生長溫度、V／III束流比及InAs／GaSb超晶格GaAs型界面與InSb型界面的選擇控制，嚴格控制各源快門的打開順序及V族源的所謂soak時間。圖3、4為中波Ⅱ類超晶格材料透射電鏡層界面圖及X射線雙晶衍射圖，材料質(zhì)量較高。

圖3 中波Ⅱ類超晶格材料高分辨率TEM

圖4 中波Ⅱ類超晶格材料結(jié)構(gòu)XRD曲線

3.2 表面鈍化

表面漏電流是暗電流的主要來源。引起表面泄漏電流增大的原因如下：

制作臺面過程中，側(cè)壁是暴露在空氣中的，從而形成自然氧化物，比如氧化銦、氧化鎵、氧化銻等，而氧化鎵是很好的導(dǎo)體材料，從而形成了表面泄漏電流通道；空氣中的一些離子可能被吸附到表面，形成氧化物。這些氧化物在表面產(chǎn)生表面能級，使得表面能帶彎曲，從而形成泄漏電流；自由表面的存在使其周期性在表面出發(fā)生中斷，引起了附加能級即表面態(tài)。表面的缺陷也將產(chǎn)生表面能級。表面的中斷，斷鍵在表面產(chǎn)生陷阱。這些陷阱在半導(dǎo)體的禁帶里形成能級，使得費米能級釘扎在禁帶中央。

表面泄漏電流增大，導(dǎo)致了總體的暗電流的增加，其表現(xiàn)為微分電阻與面積乘積（R0A）的減少。隨著探測帶隙減少，特別當(dāng)器件尺寸變小時，表面泄漏電流成為限制探測器性能的一個最主要的因素。

根據(jù)超晶格器件表面漏電流產(chǎn)生機理，采用SiON材料進行器件表面鈍化來抑制表面漏電流，效果良好，可將R0A提高大約13倍。

3.3 低損傷刻蝕

為了獲得高均勻性、低圖形失真以及低損傷、底部光滑、化學(xué)成分穩(wěn)定的Ⅱ類超晶格刻蝕表面，刻蝕工藝中需要解決高均勻性、刻蝕形貌及刻蝕損傷控制問題。采用干濕結(jié)合的方法進行InAs／GaSbⅡ類超晶格面陣探測器芯片臺面刻蝕。

先采用干法刻蝕刻出臺面，再使用濕法腐蝕去除干法刻蝕損傷，輔以掃描電子顯微鏡（SEM）、臺階儀和原子力顯微鏡的方法對各種腐蝕液或刻蝕方法所能得到的表面形貌進行研究，優(yōu)化干法刻蝕工藝參數(shù)，改進腐蝕液配比和濃度，獲得了表面光亮、平整，側(cè)壁起伏較小的刻蝕臺面。

3.4 歐姆電極制備

歐姆接觸工藝使用傳輸線模型研究P型GaSb、N型InAs以及P型N型超晶格的歐姆接觸電極體系選擇與制備工藝。采用Ti／Au、Ti／Pt／Au體系作為重摻接觸層的電極體系，Au／Ge／Ni及相關(guān)金屬體系作為非重摻接觸層的電極體系。優(yōu)化熱蒸發(fā)沉積工藝、各層厚度以及合適的熱處理方法獲得較低的接觸電阻，實現(xiàn)良好的歐姆接觸，如圖5所示。

圖5 128×128中波Ⅱ類超晶格探測器像元SEM圖

3.5 GaSb襯底的減薄去除

由于GaSb襯底對探測波段的紅外光有較強吸收，且GaSb材料與Si的熱膨脹系數(shù)差異等問題，因此為了提高器件量子效率，需在倒裝互連后進行底部填充及襯底減薄去除。項目組將底部填充后的探測器混成芯片首先進行機械磨拋將襯底減薄至100 μm左右；然后利用化學(xué)機械磨拋的方法將襯底減薄至20μm左右，最后通過濕法腐蝕的方法把襯底完全去除（如圖6所示），提高探測器量子效率。

圖6 互連后底部填充及襯底去除工藝示意圖

4 探測器性能

采用上述材料結(jié)構(gòu)和器件工藝制備了50μm中心距128×128中波InAs／GaSbⅡ類超晶格焦平面探測器，峰值波長為4.18μm，量子效率達到36.64%，像元暗電流密度為1.8×10－7A／cm2，并初步進行了成像演示驗證，如圖7所示。

圖7 中波128×128 InAs／GaSb二類超晶格紅外探測器光譜曲線及成像照片

5 結(jié) 論

采用中科院半導(dǎo)體所設(shè)計、生長的中波PIN型Ⅱ類超晶格材料，通過對表面鈍化、低損傷刻蝕、歐姆電極制備和GaSb襯底的減薄去除等關(guān)鍵工藝技術(shù)的研究，制備出性能較好的128×128中波InAs／GaSbⅡ類超晶格紅外焦平面探測器。像元暗電流密度、量子效率與目前國際先進水平相當(dāng)，并初步經(jīng)成像演示驗證，性能良好。

［1］ Rogalski A.Infrared detector：an overview［J］.Infrared Physics＆Technology，2002，43：187－210.

［2］ Shi Yanli.Type-ⅡInAs／GaInSb superlattices infrared detectors-one of the best choices as the third generation infrared dtectors［J］.Infrared Technology，2011，33（11）：621－638.（in Chinese）史衍麗.銻基Ⅱ類超晶格紅外探測器—第三代紅外探測器的最佳選擇［J］.紅外技術(shù)，2011，33（11）：621－638.

［3］ Xu Zhicheng，Chen Jianxin，He Li.Background concentration measurement of GaSb-based InAs／GaSb type-Ⅱsuperlattice［J］.Laser＆Infrared，2012，42（1）：45－50.（in Chinese）徐志成，陳建新，何力.GaSb基的InAs／GaSbⅡ類超晶格背景載流子濃度的測量［J］.激光與紅外，2012，42（1）：45－50.

［4］ M Razeghi，E K-w Huang，B-M Nguyen，et al.Type-Ⅱantimonide-based superlattices for the third generation infrared focal plane arrays［C］.Proceedings of the SPIE，2010，7660：76601F.

［5］ Rogalski A，Antoszewski J，F(xiàn)araone L.Third-generation infrared photodetector arrays［J］.JAppl Phys，2009，105（091101）：1－44.

Research on Sb-based type-Ⅱsuperlattice MW infrared focus plane array

GONG Feng1，MAWen-quan2，TAN Zhen1，LIU Ming1，WANG Liang1，ZHANG Yan-hua2，XINGWei-rong1
（1.North China Research Institute of Electro-Optics，Beijing 100015，China；2.Institute of Semiconductors，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100083，China）

Owing to the excellentmaterial performance and device advantage of InAs／GaSb Type-Ⅱsuperlattice such as high quantum efficiency，low dark current and adjustable energy band structure，it has been one of the best choice for the third-generation infrared focal plane arrays detector.Material design，material growth and device technology of MW InAs／GaSb Type-Ⅱsuperlattice are reported.High performance 128×128 MW focal plane arrays were fabricated.Dark current density is 1.8×10－7A／cm2and quantum efficiency reaches 36.64%.

InAs／GaSb type-Ⅱsuperlattice；128×128；pixel dark current density； quantum efficiency

TN214

A

10.3969／j.issn.1001-5078.2014.03.07

1001-5078（2014）03-0258-03

鞏 鋒（1978－），男，高級工程師，碩士，主要從事HgCdTe及InSb材料的研究。E-mail：wuxiang2005＠aliyun.com

2013-08-06；

2013-08-31