張宏飛，朱旭波，李 墨，姚官生，呂衍秋

銻化物中/中波雙色紅外探測(cè)器研究進(jìn)展

張宏飛1，朱旭波2,3,4，李 墨2,3,4，姚官生2,3,4，呂衍秋2,3,4

（1. 陸裝駐洛陽(yáng)地區(qū)航空軍代室，河南 洛陽(yáng) 471009；2. 中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院，河南 洛陽(yáng) 471099；3. 紅外探測(cè)器技術(shù)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽(yáng) 471099；4. 河南省銻化物紅外探測(cè)器工程技術(shù)中心，河南 洛陽(yáng) 471099）

面對(duì)第三代紅外探測(cè)器對(duì)多波段探測(cè)的需求，中/中波雙色同時(shí)獲取兩個(gè)波段的目標(biāo)信息，對(duì)復(fù)雜的背景進(jìn)行抑制，可以有效排除干擾源的影響，提高了探測(cè)的準(zhǔn)確性，增強(qiáng)了在人工及復(fù)雜背景干擾下的目標(biāo)識(shí)別能力，因此中/中波雙色探測(cè)器設(shè)計(jì)和制備最近快速發(fā)展起來(lái)。銻化銦紅外探測(cè)器通過(guò)分光可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)中波波段的探測(cè)，銻化物Ⅱ類(lèi)超晶格探測(cè)器通過(guò)能帶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)多波段探測(cè)。本文闡述了銻化物中/中波雙色紅外探測(cè)器的主要技術(shù)路線和目前研究進(jìn)展，與傳統(tǒng)InSb雙色探測(cè)器相比，中/中波雙色超晶格紅外器件用于紅外成像探測(cè)具有鮮明的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，但需要在探測(cè)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、銻化物超晶格材料生長(zhǎng)、陣列器件制備等方面進(jìn)行進(jìn)一步研究，以提高探測(cè)性能，滿足工程化應(yīng)用需求。

雙色；紅外探測(cè)器；銻化物；Ⅱ類(lèi)超晶格；中/中波

0 引言

中波紅外波段具有探測(cè)距離遠(yuǎn)、對(duì)比度較高等優(yōu)點(diǎn)，利于分辨目標(biāo)熱輻射差異。細(xì)分后的中/中波雙色對(duì)于背景和目標(biāo)存在明顯對(duì)比度差異，因此能夠增強(qiáng)在人工干擾及復(fù)雜背景干擾下的目標(biāo)識(shí)別能力，是機(jī)載周視紅外探測(cè)系統(tǒng)主要發(fā)展方向。目前制導(dǎo)用的單色中波紅外探測(cè)器通常遭受大量的假警報(bào)，比如來(lái)自太陽(yáng)在植被或海洋上的反射。采用中/中波雙色探測(cè)技術(shù)，可以有效地區(qū)分太陽(yáng)反射和戰(zhàn)機(jī)。以4.2mm為界將中波紅外分為“紅帶”和“藍(lán)帶”，陽(yáng)光在“紅帶”中顯示出較高的輻射，而飛機(jī)尾焰在“藍(lán)帶”中顯示較高的輻射。因此中/中波雙色與單色中波信號(hào)相比，能提供很多增強(qiáng)功能，例如遠(yuǎn)程絕對(duì)溫度測(cè)量、在寬范圍的環(huán)境條件下的操作、更好地區(qū)分目標(biāo)和背景雜波、唯一目標(biāo)特征的光譜識(shí)別[1]。為了降低采用雙光譜探測(cè)器的復(fù)雜性、重量、尺寸和成本，將雙色探測(cè)功能集成到一個(gè)芯片上是必要的，并且將雙色芯片與集成讀出電路結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)雙路信號(hào)同步采集和圖像逐個(gè)像素采集，克服時(shí)空匹配問(wèn)題。

目前正在研究或制備的雙色紅外探測(cè)器有銻化銦平面雙色探測(cè)器、碲鎘汞雙波段探測(cè)器、CdS/InSb光伏型紫外/紅外雙色探測(cè)器以及許多新型的雙色或多色探測(cè)器，比如量子阱多色紅外探測(cè)器、超晶格紅外雙色探測(cè)器、量子點(diǎn)堆疊紅外探測(cè)器等[2-3]。其中，銻化銦（InSb）是一種Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體材料，具有閃鋅礦結(jié)構(gòu)，擁有最小帶隙、最小載流子有效質(zhì)量、最大電子飽和漂移速度和最大遷移率等，具有優(yōu)異的光電性能，銻化銦紅外探測(cè)器工作在中波波段，通過(guò)分光可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)中波波段的探測(cè)。另外，以InAs/GaSb為代表的銻化物II類(lèi)超晶格材料，具有周期性重復(fù)結(jié)構(gòu)，可進(jìn)行靈活的能帶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)禁帶寬度在2～30mm波段內(nèi)可調(diào)，并且可以進(jìn)行大尺寸、高均勻性的材料外延生長(zhǎng)，非常適用于多波段和甚長(zhǎng)波段[4-5]，因此銻化物超晶格材料在第三代紅外焦平面探測(cè)器材料的選擇中占據(jù)優(yōu)先位置[5-7]。20世紀(jì)末以來(lái)，各國(guó)科學(xué)家對(duì)銻化物Ⅱ類(lèi)超晶格紅外探測(cè)器進(jìn)行了大量研究，尤其在材料生長(zhǎng)、器件機(jī)理、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和器件性能等方面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，取得了許多技術(shù)突破，比如新的勢(shì)壘結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、高質(zhì)量的材料生長(zhǎng)技術(shù)、高量子效率的器件制備等，使銻化物超晶格焦平面探測(cè)器技術(shù)獲得了迅速發(fā)展。由光電導(dǎo)型升級(jí)為光伏型，由單元尺寸發(fā)展到多元和焦平面陣列，從中波、長(zhǎng)波、甚長(zhǎng)波的單波段響應(yīng)發(fā)展到中/短波[8]、中/中波、中/長(zhǎng)波[9]、長(zhǎng)波/超長(zhǎng)波[10]的雙波段響應(yīng)。采用銻化物超晶格材料制備雙色紅外探測(cè)器的研究已經(jīng)成為各國(guó)研究的熱點(diǎn)，目前來(lái)看，美國(guó)、德國(guó)、以色列等國(guó)具備了研制生產(chǎn)雙色銻化物超晶格紅外焦平面探測(cè)器的能力，并處于領(lǐng)先地位[11-12]。

中/中波雙色探測(cè)器已經(jīng)處于應(yīng)用階段，但新的設(shè)計(jì)和制備也在不斷發(fā)展。2010年德國(guó)首次將384×288中/中波雙色超晶格探測(cè)器應(yīng)用于歐洲的大型運(yùn)輸機(jī)導(dǎo)彈來(lái)襲警告系統(tǒng)。2011年法國(guó)開(kāi)發(fā)出640×512中/中雙色焦平面探測(cè)器，可觀察到10km外的直升機(jī)以及100km外的富士山。2012年以色列報(bào)道了適合于特定的機(jī)載導(dǎo)彈預(yù)警系統(tǒng)的混合集成中/中雙色探測(cè)器。這之后新的設(shè)計(jì)方案和材料不斷被報(bào)道，本文將根據(jù)銻化物中/中波雙色紅外探測(cè)器的研究進(jìn)展，介紹主要技術(shù)路線和特點(diǎn)，以及近年來(lái)該技術(shù)在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展趨勢(shì)。

1 主要技術(shù)路線

1.1 平面雙色探測(cè)器

采用平面結(jié)構(gòu)的雙色探測(cè)器，是吸收不同紅外波段的光敏元在同一平面上錯(cuò)開(kāi)排列或拼接而成。優(yōu)點(diǎn)是不同波段的器件可在同一工藝中制成，沒(méi)有增加工藝難度。比如InSb雙色探測(cè)器，通過(guò)在其芯片表面分別加上兩種不同的濾光片將InSb的響應(yīng)波段分開(kāi)，形成中/中雙色探測(cè)器。

1.2 疊層雙色探測(cè)器

采用疊層結(jié)構(gòu)的雙色探測(cè)器，是將吸收一種紅外波段的光敏元布置在吸收另一種紅外波段的光敏元之上，波長(zhǎng)較短的紅外材料成為了波長(zhǎng)較長(zhǎng)材料的濾光片。

比如以InAs/GaSb為代表的Ⅱ類(lèi)超晶格材料通常是在GaSb襯底上采用分子束外延生長(zhǎng)而成。通過(guò)調(diào)節(jié)InAs和GaSb的比例和排列周期對(duì)其禁帶寬度進(jìn)行“人工裁剪”，實(shí)現(xiàn)從紅外短波到甚長(zhǎng)波吸收波段的調(diào)節(jié)[13]。InAs/GaSb II類(lèi)超晶格紅外中/中波雙色焦平面陣列探測(cè)器一般采用N-P-N或P-N-P疊層雙色器件結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)一般都包括5個(gè)部分，分別為底部接觸層、“紅帶”吸收層，中間接觸層、“藍(lán)帶”吸收層、頂部接觸層?！八{(lán)帶”和“紅帶”吸收層分別由幾百個(gè)周期的InAs/GaSb的超晶格構(gòu)成。接觸層由晶格匹配的InAs/GaSb超晶格和摻雜的InAs構(gòu)成，與電極形成歐姆接觸。順序型結(jié)構(gòu)器件可通過(guò)調(diào)節(jié)器件工作電壓實(shí)現(xiàn)器件在兩個(gè)截止波段的切換，從而實(shí)現(xiàn)雙波段的順序成像探測(cè)，如圖1(a)。同時(shí)型結(jié)構(gòu)器件在中間接觸層上也增加電極，即三電極輸出，通過(guò)設(shè)置3個(gè)電極上的偏壓實(shí)現(xiàn)兩個(gè)二極管的同時(shí)工作，從而實(shí)現(xiàn)雙波段的同時(shí)成像探測(cè)，如圖1(b)。

以“藍(lán)帶”為例，在入射光子作用下，電子發(fā)生本征激發(fā)，產(chǎn)生光生載流子。在內(nèi)建電場(chǎng)的作用下，光生電子向N區(qū)漂移，光生空穴向P區(qū)漂移，在外接回路中形成光電流，器件通常工作在零偏壓或者負(fù)偏壓條件。因此在不同偏壓下，可以分別獲得“藍(lán)帶”和“紅帶”信號(hào)。比如雙色探測(cè)器的一個(gè)重要應(yīng)用是探測(cè)高溫二氧化碳，因?yàn)樗?.2mm有強(qiáng)烈的輻射，正好在“紅帶”的響應(yīng)范圍，而在“藍(lán)帶”沒(méi)有響應(yīng)。通過(guò)計(jì)算“藍(lán)帶”和“紅帶”之間的信號(hào)比值，就可以推斷所探測(cè)的氣體信息。

圖1 N-P-N器件結(jié)構(gòu)圖：(a)順序型和(b)同時(shí)型

2 雙色紅外技術(shù)之間的比較

2.1 疊層雙色與平面雙色技術(shù)之間的比較

從結(jié)構(gòu)上看，平面雙色技術(shù)犧牲了表面空間，即每一個(gè)波段的占空比將減小一半，從而損失了探測(cè)器的空間分辨率。而疊層雙色技術(shù)簡(jiǎn)化了探測(cè)器組件濾光片的研制，有利于光學(xué)共軸設(shè)計(jì)，兩種波段光敏元的占空比也不受影響。

從材料設(shè)計(jì)上看，采用InSb的平面雙色結(jié)構(gòu)不需要專(zhuān)門(mén)的材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，即采用擴(kuò)散、離子注入等方式成結(jié)即可。采用銻化物超晶格的疊層雙色材料是一種新型人工窄禁帶半導(dǎo)體材料，通過(guò)“能帶工程”實(shí)現(xiàn)禁帶寬度可調(diào)，具有更高的復(fù)雜設(shè)計(jì)難度。

從工藝上看，銻化物超晶格的疊層雙色工藝可以充分利用已經(jīng)廣泛應(yīng)用的Ⅲ-Ⅴ族器件加工的工業(yè)基礎(chǔ)，可以與InSb生產(chǎn)線共線生產(chǎn)，具有很好的可加工性和工程化適應(yīng)能力，同樣具有穩(wěn)定性高、可靠性強(qiáng)以及低成本的優(yōu)勢(shì)。采用傳統(tǒng)半導(dǎo)體工藝進(jìn)行器件制備，疊層雙色器件與平面雙色器件的主要區(qū)別在于臺(tái)面深度不同和鈍化方法優(yōu)化。由于疊層結(jié)構(gòu)需要更深的臺(tái)面刻蝕深度，使用濕法化學(xué)腐蝕方法存在橫向鉆蝕大等問(wèn)題，因此采用化學(xué)輔助離子束蝕刻（Chemically-Assisted Ion Beam Etching，CAIBE）或電感耦合等離子體（Inductively Coupled Plasma，ICP）刻蝕等，有較好的深寬比，但是會(huì)存在刻蝕殘留問(wèn)題，影響鈍化效果。常用的鈍化方法有硫化[14]和SiO2鈍化[15]等。

2.2 銻化物超晶格與碲鎘汞雙色紅外技術(shù)的比較

碲鎘汞（Hg1－CdTe）是比較主流的制冷型紅外探測(cè)材料，其應(yīng)用最為廣泛。作為三元合金，碲鎘汞的禁帶寬度可以通過(guò)改變Cd組分值進(jìn)行調(diào)節(jié)，這種調(diào)節(jié)可以滿足其在整個(gè)紅外波段內(nèi)都有光譜響應(yīng)。并且在整個(gè)組分范圍內(nèi)都是直接帶隙半導(dǎo)體，這使其具有量子效率高、摻雜濃度大、范圍可調(diào)控、電子遷移率高和介電常數(shù)低等優(yōu)點(diǎn)。

2008年法國(guó)報(bào)道的碲鎘汞中/中波雙波段探測(cè)器[16]，截止波長(zhǎng)分別為4.6mm和5.5mm，量子效率大于50%，噪聲等效溫差（Noise Equivalent Temperature Difference，NETD）在20 mK以下，在98K下有效像元率可達(dá)到99.8%。2019年德國(guó)AIM公司介紹了其最新的中/中雙色碲鎘汞探測(cè)器[17]，像元數(shù)為320×256，像元大小為30mm，“藍(lán)帶”的NETD達(dá)到22.2mK，“紅帶”達(dá)到18.0mK，并將“藍(lán)帶”的量子效率改善到60%。

材料制備難度和器件工藝技術(shù)難度都比較大，這是碲鎘汞技術(shù)的缺點(diǎn)。因?yàn)镠g-Te的化學(xué)鍵弱，致使碲鎘汞材料性能不穩(wěn)定，也會(huì)導(dǎo)致焦平面器件的均勻性變差和成品率變低。銻化物超晶格探測(cè)器不但不存在此缺點(diǎn)，而且具有與碲鎘汞類(lèi)似的優(yōu)點(diǎn)。比如，銻化物超晶格對(duì)垂直入射光響應(yīng)且具有較大的吸收系數(shù)，理論計(jì)算得出InAs/GaSb超晶格材料的吸收系數(shù)和量子效率與碲鎘汞的相當(dāng)。而銻化物超晶格紅外探測(cè)器的優(yōu)點(diǎn)還有均勻性好、電子有效質(zhì)量大和俄歇復(fù)合速率低等，這些特點(diǎn)有利于降低紅外探測(cè)器的暗電流。目前，Ⅲ-V族銻化物探測(cè)器技術(shù)作為碲鎘汞探測(cè)器材料的一種可能的替代品，正處于快速發(fā)展中[18]。

3 中/中雙色銻化物探測(cè)器的進(jìn)展

3.1 并列式結(jié)構(gòu)

2012年，以色列SCD公司采用兩個(gè)并列的480×384的InSb芯片制作探測(cè)器[19]，用于機(jī)載導(dǎo)彈預(yù)警系統(tǒng)。它是依靠每個(gè)芯片上面的濾光片來(lái)進(jìn)行雙色分光，形成兩個(gè)光學(xué)通道，每個(gè)都有特定的芯片和讀出電路，集成在一個(gè)杜瓦中。并且通過(guò)抗反射膜層設(shè)計(jì)使頻帶之間的光譜串?dāng)_最小，通常低于0.1%，其成像效果如圖2。

該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是每個(gè)焦平面陣列芯片可以獨(dú)立選擇增益，適應(yīng)各自的光譜帶通量水平，從而實(shí)現(xiàn)每個(gè)波段的性能優(yōu)化。還可以通過(guò)高動(dòng)態(tài)范圍模式實(shí)現(xiàn)對(duì)低通量目標(biāo)的高靈敏度和對(duì)高通量目標(biāo)或雜波的低靈敏度的非飽和圖像。另外，采用了外延InSb材料制作芯片，在95K溫度下可以實(shí)現(xiàn)InSb體材料在77K溫度下的性能，從而降低了杜瓦的熱負(fù)荷，提高了制冷器的效率。該結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是需要設(shè)計(jì)兩個(gè)光通道，增加了光路設(shè)計(jì)和鏡頭數(shù)量，并且要考慮機(jī)械設(shè)計(jì)和增加裝配難度。因此并列式中/中雙色探測(cè)器關(guān)鍵的技術(shù)和面對(duì)的挑戰(zhàn)是如何實(shí)現(xiàn)共同的視場(chǎng)角、視距、像素坐標(biāo)。

圖2 并列式中/中波雙色紅外探測(cè)器成像

目前該結(jié)構(gòu)只見(jiàn)于以色列SCD公司的報(bào)道中，后來(lái)沒(méi)有再采用該結(jié)構(gòu)的報(bào)道出現(xiàn)。

3.2 平面式結(jié)構(gòu)

2003年美國(guó)CMC Electronics Cincinnati公司提出了一種平面式雙色I(xiàn)nSb焦平面探測(cè)器設(shè)計(jì)方案[20]，如圖3，即將濾光片制備到芯片表面實(shí)現(xiàn)雙色成像。類(lèi)似地還可以制作成其它形狀。

圖3 InSb中波雙色紅外探測(cè)器濾光片方案

2017年瑞典IRnova公司報(bào)道了采用該方案的InAs/GaSb超晶格中/中波雙色探測(cè)器，也是在焦平面陣列上增加濾光片[21]。設(shè)計(jì)的濾光片能透過(guò)3.5～4.1mm的波段而完全阻止3.5mm以下的波段，InAs/GaSb超晶格材料在85K時(shí)的截止波長(zhǎng)為5.1mm。制備陣列器件時(shí)將陣列上沉積的像元濾光薄膜刻蝕成棋盤(pán)圖案，如圖4所示。該探測(cè)器主要用來(lái)識(shí)別氣體，已用于揮發(fā)性有機(jī)化合物的氣體檢測(cè)，所述揮發(fā)性有機(jī)化合物具有3.3mm的主要吸收峰。氣體輻射僅被未經(jīng)濾光的像元吸收，而濾光后的像元信號(hào)被用作參考信號(hào)，通過(guò)組合的信息對(duì)比增強(qiáng)成像質(zhì)量，這一概念允許在兩個(gè)不同的波段同時(shí)工作，不需要特殊處理或改變讀出電路。

圖4 InAs/GaSb中波雙色紅外探測(cè)器濾光片方案

該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是探測(cè)器具有極高的光譜分辨率而無(wú)串?dāng)_，還可以實(shí)現(xiàn)高占空比和高靈敏度。采用該種結(jié)構(gòu)還可以設(shè)計(jì)更多種類(lèi)的濾光片實(shí)現(xiàn)三色及多色探測(cè)，即實(shí)現(xiàn)彩色成像，也可以設(shè)計(jì)窄帶通濾光片實(shí)現(xiàn)對(duì)某種氣體輻射信號(hào)的探測(cè)。另外，工藝上只增加了制備濾光片，不影響工藝復(fù)雜度。該結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是每一個(gè)波段的占空比將減小，會(huì)損失相應(yīng)波段探測(cè)的空間分辨率。

目前采用該結(jié)構(gòu)的中/中雙色焦平面探測(cè)器技術(shù)難度不大，工藝相對(duì)成熟，已經(jīng)處于應(yīng)用階段。

3.3 PIN型疊層結(jié)構(gòu)

2006年德國(guó)弗朗霍費(fèi)固態(tài)電子研究所首先報(bào)道了中/中波雙色超晶格焦平面探測(cè)器[22]，規(guī)模為288×384，器件在“藍(lán)帶”（3～4mm）的NETD為29.5mK，在“紅帶”（4～5mm）為16.5mK。該器件包括兩個(gè)背靠背的InAs/GaSb超晶格光電二極管，中間采用接觸層隔開(kāi)，通過(guò)MBE技術(shù)在非摻的（100）晶向、2英寸的GaSb襯底生長(zhǎng)，首先生長(zhǎng)200nm絕緣的晶格匹配的AlGaAsSb緩沖層，接著生長(zhǎng)700nm的n型摻雜的GaSb。為了吸收到高能量的光子，生長(zhǎng)330個(gè)周期的7.5ML InAs/10ML GaSb超晶格光電二極管為“藍(lán)帶”。接著生長(zhǎng)500nm的p型GaSb接觸層，之后生長(zhǎng)150周期的9.5ML InAs/10ML GaSb超晶格光電二極管為“紅帶”。最后生長(zhǎng)20nm的n型InAs。整個(gè)探測(cè)器結(jié)構(gòu)的厚度僅僅為4.5mm，與碲鎘汞15mm的厚度相比，減少了工藝技術(shù)難度。器件單個(gè)像元面積為40mm，上面有三電極，采用刻蝕方法為CAIBE（Chemically-Assisted Ion Beam Etching），圖5為40mm和30mm像元尺寸的器件表面照片。

圖5 不同像元尺寸的雙色超晶格陣列器件表面照片

測(cè)試結(jié)果表明，77K時(shí)0V電壓下，雙色波段的50%響應(yīng)截止波長(zhǎng)分別為4mm和5mm。同樣溫度下，－50mV偏壓下“紅帶”暗電流密度為2.2×10－7A/cm2，面積與阻抗之積A為2.5×105Ω·cm2。由于“藍(lán)帶”有著更高的帶隙，其暗電流比“紅帶”值低1～2個(gè)數(shù)量級(jí)。－50mV偏壓下“藍(lán)帶”暗電流密度為1.9×10－9A/cm2，面積與阻抗之積A為2.3×107Ω·cm2。

2011年該研究所對(duì)器件結(jié)構(gòu)和生長(zhǎng)工藝進(jìn)行了優(yōu)化[23]，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。外延生長(zhǎng)的超晶格具有更少的缺陷，工藝上改用ICP刻蝕臺(tái)面，ICP刻蝕具有很高的填充系數(shù)和光滑的表面，且沒(méi)有持續(xù)的刻蝕損傷。將像元間距縮小到30mm，如圖3(b)所示。測(cè)試結(jié)果表明，“紅帶”和“藍(lán)帶”的NETD性能分別提高到17.9mK和9.9mK。

圖6 雙色I(xiàn)nAs/GaSb超晶格器件結(jié)構(gòu)圖

2015年中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所報(bào)道了規(guī)模為320×256的InAs/GaSb Ⅱ類(lèi)超晶格中/中雙色焦平面陣列探測(cè)器的初步結(jié)果[24]。探測(cè)器采用P-N-P疊層雙色外延結(jié)構(gòu)，如圖7所示，制備出兩個(gè)電極，信號(hào)提取采用順序讀出方式。采用分子束外延技術(shù)在GaSb襯底上生長(zhǎng)超晶格材料，中/中波段紅外吸收區(qū)的超晶格周期結(jié)構(gòu)分別為7ML InAs/7ML GaSb和10ML InAs/10ML GaSb。焦平面陣列像元中心距為30mm。在77K時(shí)測(cè)試，器件雙色波段的50%響應(yīng)截止波長(zhǎng)分別為4.2mm和5.5mm，N-on-P器件平均峰值探測(cè)率為6.0×1010cm·Hz1/2·W－1，盲元率為8.6%；P-on-N器件平均峰值探測(cè)率為2.3×109cm·Hz1/2·W－1，盲元率為9.8%。紅外焦平面偏壓調(diào)節(jié)成像測(cè)試得到較為清晰的雙波段成像。

圖7 雙色器件結(jié)構(gòu)及互連示意圖

同年該研究所還報(bào)道了N-P-N結(jié)構(gòu)的640×512規(guī)模探測(cè)器的研究結(jié)果[25]。兩個(gè)截止波長(zhǎng)為4.5mm和5.8mm，特別提到了采用ICP刻蝕技術(shù)制備焦平面器件，N-on-P器件峰值探測(cè)率為7.73×1010cm·Hz1/2·W－1，響應(yīng)率為2.35×107V/W；P-on-N器件峰值探測(cè)率為7.81×1010cm·Hz1/2·W－1，響應(yīng)率為2.34×107V/W，兩個(gè)中/中波段焦平面性能一致性較好。通過(guò)紅外焦平面偏壓調(diào)節(jié)成像測(cè)試，該器件得到了清晰的雙波段熱成像。

該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)除了銻化物超晶格具有的量子效率高、電子有效質(zhì)量大、吸收率高外，還具有結(jié)構(gòu)緊湊，雙波段的像元對(duì)準(zhǔn)精確，提高了探測(cè)器整體性能，也簡(jiǎn)化了系統(tǒng)其它部件的設(shè)計(jì)。可以選擇使用對(duì)信號(hào)進(jìn)行同時(shí)或順序積分，同時(shí)積分型要求每個(gè)像元的兩種通道有獨(dú)立的電連接，如上述的三電極結(jié)構(gòu)，二極管陣列結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但讀出電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，兩路通道相互影響小。順序積分型一般通過(guò)偏壓改變像元的工作通道，同一時(shí)間只能對(duì)一個(gè)通道信號(hào)進(jìn)行積分，且讀出電路需滿足兩種模式工作的要求，如上述的二電極結(jié)構(gòu)，二極管陣列結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，每個(gè)像元僅需一個(gè)銦柱。從像元密度、占空比和工藝復(fù)雜程度考慮，目前多采用順序積分型。該結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是存在較大的串音，由于光子穿過(guò)短的中波吸收區(qū)吸收不完全時(shí)會(huì)進(jìn)入長(zhǎng)的中波吸收區(qū)，并且兩吸收區(qū)截止波長(zhǎng)相差很小，工作波段存在交疊。目前多數(shù)報(bào)道采用PIN型結(jié)構(gòu)，但因?yàn)镻IN型結(jié)構(gòu)器件的暗電流還較高，新的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)也在不斷出現(xiàn)。

3.4 niBin型疊層結(jié)構(gòu)

2017年中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所報(bào)道了niBin結(jié)構(gòu)的雙色超晶格探測(cè)器[26]，器件的能帶圖如圖8所示。包括5個(gè)部分，分別為底部接觸層、“紅帶”吸收層，勢(shì)壘層、“藍(lán)帶”吸收層、頂部接觸層?！八{(lán)帶”由500個(gè)周期的4ML InAs/7ML GaSb超晶格構(gòu)成，“紅帶”由400個(gè)周期的7ML InAs/7ML GaSb超晶格構(gòu)成。兩個(gè)吸收層都為非故意摻雜。處于兩吸收層之間的勢(shì)壘層為0.2mm厚的Al0.2Ga0.8Sb，目的是通過(guò)阻擋電子來(lái)減少暗電流，但不對(duì)空穴形成屏障。底部接觸層由0.5mm的4ML InAs/7ML GaSb超晶格構(gòu)成，其中InAs用Si摻雜。頂部接觸層由140周期的4ML InAs/7ML GaSb超晶格和最上層20nm用Si摻雜的InAs構(gòu)成。

圖8 niBin結(jié)構(gòu)的雙色超晶格材料能帶圖

整個(gè)超晶格材料是在001晶向的GaSb襯底上MBE生長(zhǎng)的，采用濕法化學(xué)腐蝕臺(tái)面的方法和SiO2鈍化方法。在－0.1V偏壓下，其在90K時(shí)和300K時(shí)的50%響應(yīng)截止波長(zhǎng)分別為3.13mm和3.96mm。在0.1V偏壓下，則分別為3.62mm和4.91mm。室溫時(shí)在－0.05V的工作電壓下，器件峰值探測(cè)率為4.71×1010cm·Hz1/2·W－1，在0.1V電壓下為3.93×109cm·Hz1/2·W－1。

該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是通過(guò)插入勢(shì)壘層來(lái)降低器件的暗電流和提高器件的工作溫度，最終提高探測(cè)器的探測(cè)率。但增加了器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料外延生長(zhǎng)難度，目前還處于單元中/中波雙色器件試驗(yàn)驗(yàn)證階段。

4 銻化物中/中波雙色技術(shù)展望

上述幾種銻化物中/中波雙色紅外焦平面探測(cè)器的性能參數(shù)如表1所示。

從器件結(jié)構(gòu)上看，器件結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了增加濾光片的方式到疊層結(jié)構(gòu)，疊層結(jié)構(gòu)的中中波的分離由光敏芯片完成，其焦平面陣列結(jié)構(gòu)緊湊，且可得到精確的像元配準(zhǔn)，提高了系統(tǒng)的性能，同時(shí)也大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)其他元件的設(shè)計(jì)，能夠滿足靈敏度高、響應(yīng)速度快、結(jié)構(gòu)緊湊的軍事應(yīng)用需求。

從材料設(shè)計(jì)上看，主要采用InAs/GaSb II類(lèi)超晶格材料，從PIN結(jié)構(gòu)逐步向在超晶格中插入薄的AlSb或合金層作為新的調(diào)整手段。目前典型的二元InAs/GaSb對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)仍是最成熟的主流技術(shù)。近年來(lái)InAs/InAsSb超晶格逐漸受到重視，其波長(zhǎng)范圍逐漸從長(zhǎng)波擴(kuò)展到中波。優(yōu)點(diǎn)是高溫暗電流小，無(wú)Ⅱ類(lèi)界面生長(zhǎng)控制問(wèn)題，缺點(diǎn)是吸收率不占優(yōu)勢(shì)，有Ⅴ族比例控制問(wèn)題，因此在雙色器件中還沒(méi)有表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢(shì)。

從工藝加工上看，經(jīng)歷了濕法腐蝕臺(tái)面到干法刻蝕臺(tái)面，但對(duì)主要影響器件性能的鈍化方法都沒(méi)有介紹。但發(fā)展趨勢(shì)仍然是不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)和提升工藝水平來(lái)減小暗電流和提高器件性能，工藝穩(wěn)定性和一致性也需要進(jìn)一步驗(yàn)證。

綜上所述，目前中/中波雙色銻化物探測(cè)器需要在探測(cè)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、銻化物超晶格材料生長(zhǎng)、陣列器件制備等方面進(jìn)行進(jìn)一步研究。針對(duì)中/中波雙色探測(cè)需求，綜合匹配濾光片、超晶格材料特性、讀出電路等。進(jìn)行超晶格材料生長(zhǎng)，設(shè)計(jì)和驗(yàn)證不同層厚和勢(shì)壘結(jié)構(gòu)的器件。開(kāi)展銻化物超晶格雙色焦平面陣列制備，突破刻蝕技術(shù)、鈍化技術(shù)和互連技術(shù)等。

5 結(jié)語(yǔ)

本文概述了中/中波雙色銻化物紅外探測(cè)技術(shù)的主要技術(shù)路線和技術(shù)特點(diǎn)，并簡(jiǎn)要回顧了中/中波雙色銻化物紅外探測(cè)技術(shù)的發(fā)展歷史。從中可以看出，與傳統(tǒng)InSb雙色探測(cè)器相比，中/中波雙色超晶格紅外器件用于紅外成像探測(cè)具有鮮明的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。中/中波雙色超晶格紅外探測(cè)技術(shù)在國(guó)內(nèi)獲得越來(lái)越高的重視，不斷接近國(guó)際先進(jìn)水平。但是距實(shí)用階段還有相當(dāng)多的工作要做，目前需要進(jìn)一步突破中/中雙色焦平面芯片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及材料生長(zhǎng)、大規(guī)模小像元焦平面芯片制備、中波雙色時(shí)分讀出電路設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)，研制出更大陣列規(guī)模的中波雙色疊層式超晶格焦平面探測(cè)器，提高探測(cè)器性能，早日實(shí)現(xiàn)中/中波雙色大規(guī)模銻化物紅外焦平面探測(cè)器的工程化應(yīng)用。

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Research Progress of Mid-/Mid-Wavelength Dual-color Antimonide-based Infrared Detector

ZHANG Hongfei1，ZHU Xubo2,3,4，LI Mo2,3,4，YAO Guansheng2,3,4，LYU Yanqiu2,3,4

(1. Aviation Military Representative Office of Army Armament Department in Luoyang, Luoyang 471099, China; 2. China Airborne Missile Academy, Luoyang 471099, China; 3. Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Infrared Detector, Luoyang 471099, China; 4.The Engineering Center for Antimonide-based Infrared Detector Research of Henan Province, Luoyang 471099, China)

To meet the demand for third-generation infrared detectors in multi-band detection, a mid-/mid-wavelength dual-color detector can obtain target information in two bands simultaneously and suppress complex background; hence, it can effectively eliminate the influence of interference sources and improve the accuracy of detection, which enhances target recognition under artificial and complex background interference. The design and preparation of mid-/mid-wavelength dual-color detectors have recently developed rapidly. The InSb infrared detector can realize the detection of the mid-/mid-wavelength via light splitting, and the antimonide type-II superlattice detector realizes multi-band detection through the energy band structure design. This paper describes the main technical method and current research progress of antimonide mid-/mid-wavelength dual-color infrared detectors. Compared with traditional InSb dual-color detectors, mid-/mid-wavelength dual-color superlattice infrared devices have distinct characteristics and advantages for infrared imaging detection. However, further research on detector structure design, antimonide superlattice material growth, and array device preparation is required to improve the detection performance and meet the demands of engineering applications.

dual-color, infrared detector, antimonide, type-II superlattice, mid-/mid-wavelength

TN215

A

1001-8891(2022)09-0904-08

2021-10-23；

2021-11-23.

張宏飛（1980-），男，工程師，主要從事武器裝備質(zhì)量監(jiān)督及進(jìn)展研究。E-mail：zhf2313@163.com。

航空科學(xué)基金項(xiàng)目（20200024012002）。