尚林濤,王 靜,邢偉榮,劉 銘,申 晨,周 朋,趙建忠

(華北光電技術(shù)研究所,北京 100015)

1 引 言

Sb基應(yīng)力層超晶格(SLS)尤其是II類超晶格(T2SL)材料在探測(cè)器、激光器、調(diào)制器上具有廣泛的應(yīng)用,尤其在紅外探測(cè)領(lǐng)域具有極大的潛力和優(yōu)勢(shì),普遍認(rèn)為可以替代目前主流的HgCdTe(MCT)材料。相比MCT材料技術(shù)約60年的漫長(zhǎng)積累和發(fā)展,二類超晶格技術(shù)從20世紀(jì)70年代末提出至今約40年仍在持續(xù)快速發(fā)展。

目前,世界主要的研究機(jī)構(gòu)如德國(guó)、美國(guó)西北大學(xué)量子器件中心(CQD)、噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)、NRL、瑞典(IRnova)、以色列SCD和日本等很多機(jī)構(gòu)報(bào)道了T2SL材料、器件和焦平面陣列(FPA)的研究進(jìn)展,國(guó)內(nèi)也積極開(kāi)展了全面的研究。本文簡(jiǎn)單歸納總結(jié)了國(guó)內(nèi)外T2SL紅外焦平面探測(cè)器技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r。

2 國(guó)外超晶格探測(cè)器的發(fā)展

2.1 德 國(guó)

德國(guó)Fraunhofer IAF從1990年開(kāi)始開(kāi)發(fā)Sb基SL。2003年開(kāi)始了高性能二維FPA陣列工藝開(kāi)發(fā)。2004年,與工業(yè)伙伴AIM Infrarot-Module Gmb合作開(kāi)發(fā)出了當(dāng)時(shí)世界上第一個(gè)高性能國(guó)內(nèi)第一代256×256@40 μm MWIR超晶格成像儀,將超晶格周期從190增加到370后QE加倍,獲得卓越的93 K BLIP成像；降低像元中心距開(kāi)發(fā)了國(guó)內(nèi)第二代384×288@24 μm；GaSb襯底從2″拓展到3″,開(kāi)發(fā)了640×512@24 μm；2005年開(kāi)始開(kāi)發(fā)雙光譜(雙色)InAs/GaSb SL FPAs,開(kāi)發(fā)出第三代384×288×2@40 μm和384×288×2@24 μm,可同時(shí)探測(cè)3～4 μm(藍(lán))和4～5 μm(紅)兩個(gè)通道的中波雙色超晶格。接下來(lái)幾年,連續(xù)工藝改進(jìn)(包括雙色三In柱電極發(fā)展到30 μm和24 μm的二In柱電極技術(shù))以及降低缺陷,雙光譜FPAs制備技術(shù)成熟,光電性能連續(xù)增加,平均NEDT達(dá)到9.1 mK(紅)和15.9 mK(藍(lán)),被EADS選擇集成到大型軍用運(yùn)輸機(jī)A400M的導(dǎo)彈防御(MAW)系統(tǒng)。IAF現(xiàn)在已成為國(guó)家級(jí)InAs/GaSb II類超晶格探測(cè)器制造工廠[1]。擁有技術(shù)準(zhǔn)備水平8級(jí)(TRL8)的單晶圓和5×3″(2″在中間)多晶圓MBE生長(zhǎng)系統(tǒng)[1-2]。建立了一套完整的設(shè)計(jì)建模、外延生長(zhǎng)、前道和后道工藝制造鏈。擁有相襯干涉儀、自動(dòng)光學(xué)缺陷檢測(cè)工具(KLA-Tencor Surfscan 6220)、白光拓?fù)鋬x(SWBXRT)等設(shè)備自動(dòng)檢測(cè)和追蹤襯底和外延材料缺陷,位錯(cuò)密度低至1×105cm-2；高精度自動(dòng)步進(jìn)光刻機(jī)、均勻ICP刻蝕工藝可以重復(fù)制備高占空比的陣列。半自動(dòng)晶圓低溫探針臺(tái)Cascade Microtech PAC200系統(tǒng)、PL、C-V測(cè)試系統(tǒng)[3]快速完成器件電/光性能表征[4]。

在同質(zhì)結(jié)基礎(chǔ)上采用改良的四分量超晶格經(jīng)驗(yàn)贗勢(shì)計(jì)算方法(SEPM)優(yōu)化設(shè)計(jì)(考慮InSb界面和As在GaSb和InSb中的引入)了異質(zhì)結(jié)LWIR探測(cè)器,GR暗電流達(dá)～10-5A/cm2；在中波雙色探測(cè)器上也采用異質(zhì)結(jié),5 μm附近暗電流密度低至2×10-9A/cm2[5]。成功展示了歐洲第一個(gè)截止波長(zhǎng)10.3 μm 640×512@15um的LWIR InAs/GaSb T2SL[3,6],55 K,F/2,NEDT<30 mK,拍攝到Fraunhofer IAF的建筑物圖像,進(jìn)一步改進(jìn)暗電流可以提升工作溫度和使光電性能到300 K背景BLIP的成像[5]。

在德國(guó)防務(wù)部(MoD)資助下持續(xù)開(kāi)展T2SL研發(fā)。開(kāi)發(fā)了熱電制冷(TEC)或室溫工作(200～300K)的單元器件和高性能FPA[4]。在GaAs(211)B襯底上異質(zhì)外延T2SL并制備成FPA[6],獲得高響應(yīng)和均勻噪聲的210 K、10.5 μm GaAs基HOT T2SL二極管[7],平均D*=3.3×108Jones,并用TEC制冷集成到波蘭的VIGO System。表1和圖1列出德國(guó)近些年來(lái)二類超晶格主要發(fā)展成果。

表1 德國(guó)二類超晶格發(fā)展概況表

圖1 德國(guó)主要的SL器件和成像結(jié)果

2.2 美國(guó)西北大學(xué)CQD

美國(guó)西北大學(xué)量子器件中心CQD的Manijeh Razeghi團(tuán)隊(duì)在超晶格開(kāi)發(fā)方面起步較早也一直居世界領(lǐng)先地位[8-10],在超晶格理論設(shè)計(jì)[9,11]、器件工藝、組件制備和成像等各個(gè)方面有著堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),取得了顯著的發(fā)展成果。表2列出了CQD近20年來(lái)在GaAs基SL、短波、中波、長(zhǎng)波、甚長(zhǎng)波、雙帶/三帶等SL發(fā)展方面取得的成果(FPA為主),圖2列出具有代表性的陣列成像。CQD在長(zhǎng)波和甚長(zhǎng)波方面研究的最早也最多,最早于2003年展示了8 μm的256×256,最有代表性的LWIR面陣成果是波長(zhǎng)11 μm的pπMn結(jié)構(gòu)的1k×1k,經(jīng)過(guò)優(yōu)化后達(dá)到了出色的性能,去除GaSb襯底并涂抗反射涂層后QE可以達(dá)到89 %；最大面陣是1280×1024@12 μm、150 K截止波長(zhǎng)約2.22 μm的近短波紅外FPA[12]；2014開(kāi)始展示了基于InAs/InAsSb SL的長(zhǎng)波、甚長(zhǎng)波和雙帶探測(cè)器[8,13]；基于功能強(qiáng)大設(shè)計(jì)靈活的M結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)展示了在單個(gè)FPA像元上通過(guò)偏壓選擇實(shí)現(xiàn)雙帶集成探測(cè)的各種類型的雙帶FPAs,包括SW/MW、MW/LW和LW1/LW2陣列[13],也設(shè)計(jì)了基于T2SL的兩終端三帶集成探測(cè)的SWIR/MWIR/LWIR和150 K工作的e-SWIR/SWIR/MWIR光電探測(cè)器,根據(jù)偏壓幅度的改變可以連續(xù)地選擇三個(gè)單色通道分別進(jìn)行探測(cè)。

表2 美國(guó)西北大學(xué)CQD二類超晶格發(fā)展概況表

圖2 美國(guó)西北大學(xué)CQD的SL FPA發(fā)展主要成果

2.3 美國(guó)JPL

美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)自90年代早期以來(lái)一直在積極開(kāi)發(fā)III-V族紅外探測(cè)器用于遠(yuǎn)程傳感和成像應(yīng)用。其主要發(fā)展成果如表3和圖3所示。

圖3 JPL的SL FPA發(fā)展主要成果

表3 JPL二類超晶格發(fā)展概況表

在單元器件基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了pin型波長(zhǎng)3.7 μm的1k×1k MWIR和12 μm 的256×256 SL。2009年,在FastFPA項(xiàng)目下JPL提出并成功展示了一個(gè)新的基于CBIRD結(jié)構(gòu)的T2SL LWIR探測(cè)器,與RVS合作制備了9.9 μm的器件,80 K暗電流低至2.4×10-5A/cm2,RAeff=670 Ω·cm-2,RAeff靠近MCT的Rule07,其中無(wú)AR或鈍化的200×200 μm2和220×220 μm2單元[14]的暗電流密度小于1×10-5A/cm2(Vb=0.18 V),并且展示了波長(zhǎng)9 μm 256×256和8.8 μm[14]、10 μm的320×256,10 μm和11.5 μm的1k×1k CBIRD FPA,由于其均勻穩(wěn)定、低暗電流增和高靈敏度的優(yōu)點(diǎn)正在被星載超光譜熱發(fā)射光譜儀(HyTES)采用來(lái)替代原來(lái)的QWIP探測(cè)器。

在室溫4.5 μm MWIR InAsSb nBn探測(cè)器[14]基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了用于ESTO InVEST項(xiàng)目下(6U)CubeSat紅外大氣探測(cè)(CIRAS)工程的關(guān)鍵技術(shù):150 K約5.4 μm的HOT MWIR InAs/InAsSb BIRD T2SL[15]。制備了640×512@24 μm[16],互連到SBF193 ROIC并發(fā)給NASA進(jìn)行實(shí)驗(yàn),可操作性99.7 %,NEDT沒(méi)有明顯的寬尾分布,顯示了卓越的均勻性。MWIR HOT-BIRD結(jié)構(gòu)在2011年初被引入到VISTA項(xiàng)目中,加速了MWIR探測(cè)器的研發(fā)進(jìn)程。InAs/InAsSb SL可達(dá)到InSb同樣截止波長(zhǎng)但可工作于更高溫度以降低SWaP,可用于航空等低背景應(yīng)用,但相比MCT仍具有高的G-R暗電流(由于更短的SRH壽命)[15-16],基于BIRD結(jié)構(gòu)研制了12.5 μm、640×512的LWIR,-50 mV、60K下暗電流密度為2.6×10-5A/cm2,在ESTO SLI-T項(xiàng)目下,LWIR T2SL BIRD FPA也正在開(kāi)發(fā)以滿足未來(lái)熱紅外(TIR)陸地成像的需求。

使用ICP干刻工藝獲得近乎垂直、各向異性和光滑的臺(tái)面邊墻LWIR CBIRD結(jié)構(gòu),ICP工藝增加了表面電阻,表面態(tài)密度降低3.8倍多,表面泄露降低7.4倍,暗電流改進(jìn)2.5倍,占空比改進(jìn)3.6倍,QE提高2.3倍。研究了nBn探測(cè)器的高溫開(kāi)啟行為并分析了低溫下SL的暗電流；研究了T2SL材料的質(zhì)量和光學(xué)性能；表征了LWIR SL的勢(shì)壘效應(yīng),研究了LWIR SL的噪聲(包括1/f噪聲和增益)、輻射、非輻射、SRH和俄歇復(fù)合過(guò)程對(duì)少子壽命的影響；研究了空穴有效質(zhì)量和子帶分裂以及nBn紅外探測(cè)器中載流子輸運(yùn)；研究了LWIR CBIRD結(jié)構(gòu)的抗輻射性能[17],指出暗電流的改變是由于質(zhì)子對(duì)靠近器件臺(tái)面邊墻的位錯(cuò)損傷造成陷阱輔助隧穿而產(chǎn)生表面泄露。

為適用于未來(lái)地球科學(xué)成像和小衛(wèi)星任務(wù),光譜成像和探測(cè)應(yīng)用的LWIR FPAs必須增加工作溫度以降低制冷需求。在T2SL BIRD探測(cè)器基礎(chǔ)上采用共振像元技術(shù)[18](利用納米光子陷阱技術(shù)增強(qiáng)吸收來(lái)增加QE和降低暗電流)和高動(dòng)態(tài)3D-ROIC(提高有效阱容量和延長(zhǎng)積分時(shí)間)來(lái)提高信噪比和增加工作溫度,可以整體增加60 K以上的工作溫度。

2.4 美國(guó)QmagiQ

美國(guó)QmagiQ 2010年報(bào)道了截止波長(zhǎng)～8.5 μm的320×256@30 μm InAs/GaSb SL[19](圖4),77K暗電流密度～10-5A/cm2,QE>5 %(2 μm吸收層),像元可操作性～96 %,NEDT≈25 mK,F/4.0；2012年展示了18 μm像元中心距截止波長(zhǎng)9.5 μm的百萬(wàn)像元1 k×1 k FPA,QE>50 %,NEDT=30 mK,77 K暗電流～2×10-4A/cm2,像元可操作性達(dá)96 %；展示了68K工作、11 μm 的320×256；正在向12 μm高產(chǎn)量商業(yè)化SLS FPA邁進(jìn)。

圖4 Qmagiq的T2SL發(fā)展?fàn)顩r

2.5 美國(guó)NRL

NRL和Teledyne Imaging Sensors(TIS)合作于2010年報(bào)道基于HSL和GGW結(jié)構(gòu)的超晶格制備了截止波長(zhǎng)分別為8.7 μm和11.1 μm的256×256@40 μm FPA(圖5(a),(b)),互連到TCM200F n/p直接注入型ROIC,FPA可操作性99.5 %(QE)和99.2 %(IV),工作溫度分別為78K和50K。

采用SEMI工藝(圖5(c)),小于0.5 μm的淺刻蝕,窄帶隙吸收層埋藏起來(lái)不受影響,顯著抑制了邊墻泄露電流；相比深刻蝕,有效動(dòng)力學(xué)阻抗增大到兩倍,邊墻表面電阻率提升四倍；可以產(chǎn)生100 %的占空比并且鄰近像元不會(huì)產(chǎn)生明顯的串?dāng)_,展示了SEMI的優(yōu)勢(shì)。為分析和抑制缺陷的形成,NRL采用了XSTM,HXRD,EBIC,FIB,TEM和EDS等先進(jìn)工具對(duì)缺陷進(jìn)行分析。

圖5 NRL的截止波長(zhǎng)8.7 μm 和11.1 μm的256×256@40 μm FPA及SEMI工藝

2.6 美國(guó)Teledyne

Teledyne與NRL合作也于2010年報(bào)道了78 K截止波長(zhǎng)9.4 μm 的256×256@40 μm的FPA(圖6),QE～40 %,暗電流2～3×10-5A/cm2(135 mV),比最好的MCT小20個(gè)因子；并制備了78K 截止波長(zhǎng)9.3 μm的1 k×1 k,暗電流～2×10-5A/cm2,QE～30 %；2018年報(bào)道了直徑0.25 mm和1 mm大單元HOT MWIR InAs/InAsSb T2SL[20],截止波長(zhǎng)～5.5 μm,峰值響應(yīng)率2.47 A/W,峰值QE=72 %(4.24 μm),工作溫度295 K,峰值D*=1.9×109Jones。

圖6 Teledyne的截止波長(zhǎng)9.4 μm的256×256@40 μm FPA和HOT MWIR InAs/InAsSb單元器件

此外,Raytheon與JPL合作,于2006年首次報(bào)道了高質(zhì)量截止波長(zhǎng)10.5 μm、78 K工作的256×256@30 μm LWIR FPA(圖7)。

圖7 Raytheon的78 K工作10.5 μm截止波長(zhǎng)的256×256@30 μm LWIR FPA

2.7 瑞典IRnova

瑞典IRnova從2014年開(kāi)始制造InAs/GaSb MWIR T2SL。采用新穎的寬帶隙勢(shì)壘DH結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(如圖8),極大地降低了G-R暗電流,在2.4～12 μm(16 μm是其未來(lái)發(fā)展計(jì)劃)取得快速發(fā)展。制備了第一代MWIR 320×256@30 μm,成像質(zhì)量穩(wěn)定,空間NETD為4 mK,溫度NETD為12 mK,f/2光學(xué),8 ms積分時(shí)間。第二代640×512@15 μm的 MWIR正進(jìn)入工業(yè)化階段,溫度和空間NETD分別為25 mK和10 mK,f/4,22 ms積分時(shí)間,可操作性99.85 %[21]。第二代的NETD和操作性可比于320×256,QE>55 %,120 K下暗電流密度<3×10-6A/cm2。采用FLIR indigo的ISC0403設(shè)計(jì)了新穎的杜瓦裝置IDDCAs(和QWIP相同),相機(jī)展示了穩(wěn)定的成像質(zhì)量、可操作性、響應(yīng)均勻性、穩(wěn)定性和NETD[22],NETD近似為20 mK,積分時(shí)間2～3 ms,60 Hz。

圖8 瑞典(IRnova)SL FPA發(fā)展成果

通過(guò)一整套模擬設(shè)計(jì)并結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)III-V工藝設(shè)計(jì)制備了HOT 640×512@15 μm,分別為5.3 μm RED HOT(130 K)和4.2 μm的DEEP BLUE(150 K)。5.3 μm RED HOT的QE=80 %,F#4,110 K,展示了卓越的成像性能,溫度NETD為21 mK,空間NETD為7 mK,10 ms積分時(shí)間,可操作性>99.8 %,進(jìn)一步改進(jìn)設(shè)計(jì)可工作于130 K[23]。HOT SWaP IDDCA使用小的制冷器,小杜瓦,F/4光學(xué),尺寸為48 mm×44 mm×98 mm,230 g,展示了卓越的性能,110 K的制冷時(shí)間為3 min,功耗3.2 W。進(jìn)一步優(yōu)化,RED HOT設(shè)計(jì)將達(dá)到130 K,下一步將開(kāi)展DEEP BLUE設(shè)計(jì)以進(jìn)一步增加工作溫度和降低制冷限制。

采用相似的DH結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)了地球空間應(yīng)用的2.4 μm(77 K)低成本高質(zhì)量SWIR探測(cè)器；研發(fā)了MW雙色T2SL紅外探測(cè)器；開(kāi)發(fā)了截止波長(zhǎng)12.2 μm的LWIR SL(3.2 μm吸收區(qū)),80 K下暗電流僅2倍高于MCT Rule07,QE超過(guò)30 %,更厚吸收區(qū)QE可達(dá)60 %；正在開(kāi)發(fā)高QE和低暗電流大尺寸16 μm超晶格探測(cè)器以取代MCT用于天氣預(yù)報(bào)和大氣預(yù)警等空間應(yīng)用,從12 μm開(kāi)始,單元探測(cè)器暗電流僅比80 K的Rule07高2～3倍。下一步將制備14.5 μm到16.5 μm的FPA。另外,作為EU項(xiàng)目(MINERVA)的一部分,與XeniCs(提供ROICs)一起合作已開(kāi)始開(kāi)發(fā)高分辨率截止波長(zhǎng)5.3 μm(120 K)和12 μm(100 K)的1280×1024 MWIR和LWIR FPAs用于醫(yī)療癌癥診斷。

2.8 以色列SCD

以色列SCD研制了稱為“Pelican-D LW”高性能640×512@15 um XBn/XBp型勢(shì)壘T2SL FPA探測(cè)器(圖9)并建立了T2SL生產(chǎn)線。采用高QE、接近MCT rule 07的低擴(kuò)散電流“XBp”結(jié)構(gòu),QE=50 %,波長(zhǎng)9.5 μm,77 K,具有高的可操作性和BLIP的性能及良好的穩(wěn)定性。定制的n-on-p極性D-ROIC遵循成熟的MWIR Pelican D-ROIC和IDCA配置,新的640×512@15 μm數(shù)字ROIC具有卓越的讀出噪聲、RNU、功耗、幀速和良好的均勻性。77 K平均暗電流為4.4×10-5A/cm2,比光電流小15倍,比標(biāo)準(zhǔn)n-on-p LWIR二極管(0.1 V偏壓)暗電流小20倍,10倍于Rule07。RNU小于0.02 %,可以維持幾小時(shí)穩(wěn)定成像(無(wú)需校正),RNU僅改變小于0.01 %,65 %占空比,6Me-電荷存儲(chǔ),幀速F/2.7,360 Hz,有效幀速為30 Hz。90 K的BLIP工作溫度,QE幾乎恒定于50 %,靠近MCT 10 %；NEDT<15 mK,可操作性99.56 %,少子壽命約10 ns[24]。

圖9 以色列SCD的T2SL發(fā)展情況

此外,SCD基于模擬設(shè)計(jì)制備了具有無(wú)Ga生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)的InAs/InSb/AlSb SWIR光電探測(cè)器平臺(tái)二極管,240K BLIP工作,波長(zhǎng)靠近2.5 μm(2.2～2.5 μm),D*可比于其他T2SL eSWIR的結(jié)果,在InAs和AlSb之間使用InSb界面以改進(jìn)應(yīng)力平衡并拓展截止波長(zhǎng)到3.3 μm,另外也報(bào)道了用MOCVD生長(zhǎng)晶格匹配于InP的InGaAs/GaAsSb T2SL eSWIR二極管[25]。

2.9 日 本

圖10顯示了日本的T2SL發(fā)展規(guī)劃。2009年開(kāi)始研發(fā)T2SL,為了實(shí)現(xiàn)截止波長(zhǎng)15 μm的FPA(用于JAXA高靈敏VLWIR成像傅里葉光譜儀)[26],從6 μm InAs/GaSb T2SL開(kāi)始并獲得了較高的性能。使用Te 摻GaSb襯底(6 μm以下具有高透過(guò)性)、pBiBn結(jié)構(gòu)制備了高性能截止波長(zhǎng)6 μm的320×256@30 μm T2SL FPA。77 K暗電流4×10-7A/cm2,-20 mV,QE=0.35,D*=4.1×1012cm·Hz1/2/W,互連到商業(yè)ROIC,77 K、F/2.3光學(xué)的NEDT為31 mK,可操作性為99 %[27-28]。

圖10 日本T2SL發(fā)展?fàn)顩r

然后使用InAs/GaInSb進(jìn)一步提高QE和降低暗電流來(lái)設(shè)計(jì)VLWIR T2SL。首先制造了波長(zhǎng)15 μm的320×256@30 μm(QVGA格式)的InAs/GaInSb T2SL FPA,接著開(kāi)發(fā)了大面陣640×512@15 μm(VGA格式)的T2SL FPA。結(jié)構(gòu)差別在于ROIC的輸入極性(QVGA面陣T2SL FPAs為n-on-p型FLIR ISC0903,VGA面陣為p-on-n型FLIR ISC0403)。評(píng)估對(duì)比發(fā)現(xiàn)T2SL SWIR相機(jī)在OH夜光照射下具有比InGaAs相機(jī)更大SRN比[29]。

3 國(guó)內(nèi)超晶格進(jìn)展概況

表4大致列出了近幾年國(guó)內(nèi)II類超晶格FPA的進(jìn)展情況。主要聚焦于中波、長(zhǎng)波和中/長(zhǎng)波雙色,工作溫度在60～80 K,半導(dǎo)體所開(kāi)發(fā)160 K工作的320×256,在FPA面陣規(guī)格上是上海技物所開(kāi)發(fā)了截止波長(zhǎng)10 μm的1 k×1 k；武漢高德、上海技物所和半導(dǎo)體所也均開(kāi)發(fā)出了不同規(guī)格陣列的中/長(zhǎng)波雙色；中國(guó)電科十一所也進(jìn)行了中波、長(zhǎng)波和中/長(zhǎng)波雙色T2SL材料的生長(zhǎng)器件工藝研發(fā)和組件制備工作。與國(guó)外相比,國(guó)內(nèi)的T2SL FPA發(fā)展部分性能參數(shù)接近國(guó)際水平,但從SL發(fā)展的成熟度和多樣性尤其是距離商業(yè)化規(guī)模發(fā)展還有很大的發(fā)展空間。

表4 國(guó)內(nèi)二類超晶格發(fā)展概況表

4 超晶格技術(shù)發(fā)展的VISTA計(jì)劃

為增強(qiáng)美國(guó)的軍事實(shí)力、滿足軍方對(duì)更先進(jìn)、低成本高性能紅外傳感器的需求,由美國(guó)國(guó)防部資助、夜視和電子傳感器總局(NVESD)領(lǐng)導(dǎo)制定了一個(gè)為期5年(2011—2016年)的 “重要紅外傳感器技術(shù)加速”(Vital Infrared Sensor Technology Acceleration,VISTA)計(jì)劃。

VISTA計(jì)劃采用國(guó)家組織研究團(tuán)隊(duì)的方法,把來(lái)自美國(guó)聯(lián)邦資助的研發(fā)中心和政府首腦以及美國(guó)紅外界有能力的工程師聚集在一起,共同研究銻基II類超晶格技術(shù)。這種模式非常成功,也吸引了其他相關(guān)項(xiàng)目加入到VISTA計(jì)劃中。美國(guó)國(guó)防部最大的紅外技術(shù)實(shí)驗(yàn)室匯集了管理該項(xiàng)目所需的專家,并組織三軍、導(dǎo)彈防御局和美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局(DARPA)等來(lái)指導(dǎo)計(jì)劃的發(fā)展。美國(guó)的噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)作為美國(guó)國(guó)防部信任的合作伙伴之一,負(fù)責(zé)II類超晶格材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)并領(lǐng)導(dǎo)整個(gè)研究計(jì)劃。JPL組織休斯研究實(shí)驗(yàn)室(HRL)、雷聲公司(Raytheon)、L3通訊公司、洛克希德·馬丁公司、泰利迪公司(Teledyne)、BAE系統(tǒng)公司、菲力爾系統(tǒng)公司(FLIR Systems)、DRS公司等8大企業(yè)組成行業(yè)聯(lián)盟來(lái)進(jìn)行這項(xiàng)研究工作。

VISTA計(jì)劃沒(méi)有采用傳統(tǒng)的垂直(或縱向)集成模型,而是開(kāi)發(fā)了水平(或橫向)集成模型,避免這些公司中的任何一家壟斷了其中一個(gè)重要步驟而導(dǎo)致整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈條失控的情況發(fā)生。在VISTA計(jì)劃的整個(gè)研究過(guò)程中,各參與單位采用相同的材料結(jié)構(gòu)、相同的材料生長(zhǎng)技術(shù)和相同的讀出電路,做自己的研究工作,每個(gè)季度進(jìn)行一次問(wèn)題查擺和審查。采用這種研究模式在較短時(shí)間內(nèi)開(kāi)發(fā)出很多產(chǎn)品。由于有良好的III-V族半導(dǎo)體工業(yè)基礎(chǔ),VISTA計(jì)劃從襯底到材料生長(zhǎng)、再到焦平面制造節(jié)約了大量成本,壓縮了發(fā)展時(shí)間線,美國(guó)國(guó)防部對(duì)VISTA計(jì)劃的投資還不到1億美元。

經(jīng)過(guò)5年時(shí)間,VISTA計(jì)劃順利取得巨大成功。實(shí)現(xiàn)了大面陣、小像元尺寸MW、LW和MW/LW III-V族Sb基T2SL以及D-ROIC的發(fā)展。建立了兩家大型GaSb襯底產(chǎn)業(yè)基地——IQE公司和IET公司,很好地支持以GaSb為基礎(chǔ)的紅外探測(cè)器產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。IQE公司在研制5 in以上(最大8 in)大尺寸GaSb襯底生長(zhǎng)技術(shù),標(biāo)準(zhǔn)尺寸為4 in；5 in小規(guī)模生產(chǎn)；IET公司生產(chǎn)2～5 in外延型GaSb襯底,6 in正在開(kāi)發(fā)。VISTA計(jì)劃結(jié)束后展出了包括大尺寸GaSb襯底等20多款Sb基T2SL產(chǎn)品,還展出了制成的相機(jī)產(chǎn)品,重約10磅,壽命為10年。展現(xiàn)出低成本、高產(chǎn)量、高均勻性、高像元合格率、高穩(wěn)定性以及高性能、小尺寸、輕重量和低功耗(SWaP)等很多優(yōu)勢(shì)。VISTA計(jì)劃及發(fā)展情況如圖11,主要研究成果列于表5。

圖11 美國(guó)VISTA計(jì)劃發(fā)展?fàn)顩r及主要成果展示

表5 美國(guó)VISTA計(jì)劃取得的成就

VISTA計(jì)劃之后,部分公司繼續(xù)在聯(lián)盟中保持合作關(guān)系,JPL又組織成立了新的行業(yè)聯(lián)盟,其中包括IQE公司、IET公司、L3公司、FLIR公司、洛克希德·馬丁公司(LMC)公司、諾斯羅普·格魯曼公司(NGC)、雷聲公司等,進(jìn)行另一個(gè)5年(2017—2021年)的研發(fā)工作。VISTA后續(xù)計(jì)劃目標(biāo)是改進(jìn)技術(shù)并開(kāi)發(fā)新的產(chǎn)品,如中波/中波、短波/中波紅外焦平面陣列等。

5 結(jié) 論

本文簡(jiǎn)單歸納整理了德國(guó)、美國(guó)(CQD、JPL、QmaiQ、NRL、Teledyne和Raytheon)、瑞典(IRnova)、以色列SCD和日本等國(guó)外主要機(jī)構(gòu)的II類超晶格研究成果以及國(guó)內(nèi)的發(fā)展現(xiàn)狀；美國(guó)VISTA計(jì)劃的成功實(shí)施和技術(shù)突破進(jìn)一步加速推動(dòng)了II類超晶格紅外探測(cè)技術(shù)走向現(xiàn)實(shí)。雖然目前和今年較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)MCT FPA技術(shù)仍然是市場(chǎng)主流,但是T2SL技術(shù)在整體系統(tǒng)性能和成本上可以挑戰(zhàn)MCT,T2SL技術(shù)將在紅外應(yīng)用領(lǐng)域全方位替代MCT技術(shù)的優(yōu)勢(shì)已經(jīng)越來(lái)越清晰。與國(guó)外相比,國(guó)內(nèi)T2SL技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)具有一些技術(shù)基礎(chǔ),但距離產(chǎn)業(yè)化推廣應(yīng)用還有一定的差距,可以借鑒國(guó)外的先進(jìn)理論和技術(shù)經(jīng)驗(yàn)并結(jié)合具體實(shí)際工藝逐步取得突破。