超晶格材料与中长波红外探测器件的区别_超晶格材料与中长波红外探测器件

1主要需求分析

III-V族化合物半导体是目前最重要的半导体光电材料体系，其光学波段覆盖紫外(AlGaN)、可见光(GaN基)、近红外(GaAs基和InP基)到中远红外(GaSb基)。其中，锑化物光电器件的工作波段可覆盖2-30m的中远红外区域，是高分辨率、高探测率、主被动结合的第三代红外技术的重要发展方向。该材料体系中的InAs/GaSb纳米结构材料具有特殊的II型能带结构。改变InAs和GaSb子层的厚度可以在中红外波段进行扩展和调节，并可以抑制俄歇复合和隧穿电流。其整体吸收效率不逊于HgCdTe探测器，但在成本、尺寸和均匀性上与量子阱红外探测器相当。因此，InAs/GaSb纳米异质结构材料被认为是制造第三代红外焦平面(FPA)芯片和雪崩二极管(APD)的最佳选择之一。同样，对于发光器件，InGaAsSb/AIGa(In)AsSb纳米结构材料的能带宽度可以在2-4m范围内自由调节，更优选的是，通过调节In和Al的组成比例，可以自由调节势垒和阱的价带隙差的五元势垒，提供尽可能高的空穴限制，从而大大抑制热载流子泄漏，提高光电转换效率，因此是实现2-4m波段高功率室温连续激射的最佳半导体材料。因此，Sb基纳米结构材料在发展中红外半导体器件方面具有独特的优势，有着迫切的应用需求。

2重大国际进展

锑化物纳米结构光电器件的研究主要包括以下几个方向：(1)CaSb单晶和外延衬底材料；(2)超晶格材料和中长波红外探测器；(3)量子阱材料和红外激光器件。

2.1 GaSb单晶和外延衬底材料

锑化物材料和器件发展的重要基础之一是GaSb单晶和衬底制备技术的出现和不断完善。20世纪70年代，虽然从理论上预言锑化物是制造高性能红外光电器件和低功率高速电子器件的理想材料，但当时还无法制备高质量的GaSb衬底进行外延，外延技术也不成熟。因此，在随后的几十年里，锑化物的发展并没有取得实质性的进展。进入21世纪后，英国Wafer Technology(WT)公司采用提拉法生产2-4 inGaSb衬底，其表面位错密度(EPD)小于1000 cm2，满足外延生长和高性能器件制备的严格要求。目前已知的高性能锑化物光电器件大多采用该公司的衬底。随着锑化物器件性能的不断提高，其应用前景日益明朗，应用领域高度敏感。自2009年以来，该公司对其产品实施出口禁运，包括中国。近年来，中科院半导体所自主研发了GaSb单晶和衬底材料的制备技术，现已可以小批量生产GaSb衬底，质量接近WT公司。这为国内机构研究开发锑化合物提供了重要保障。

2.2超晶格材料和中长波红外探测器

高性能红外探测器的研究一直是国际前沿和热点。20世纪90年代提出的第三代红外探测技术有三个主要特点：(1)工作温度高、探测率高、量子效率高；(2)多光谱、高分辨率、大面积阵列；(3)成本低，制备难度低。与最主流的碲镉汞(MCT)红外材料相比，锑化物InAs/GaSb模式超声晶格(SL)因其独特的能带特性和材料制备技术，成为发展第三代红外探测器的首选材料之一。从理论上证明了Sb化合物SL带的带隙可以调节到覆盖2.0- 30m的红外波段，量子效率与MCT相当，暗电流低于MCT。自2000年以来，许多著名的实验室，包括Fraunhofer-lnstittut frangewandte Festkrperphysik，IAF)、AIM (Infrarot-ModuleGmbH)、CQD西北大学量子器件中心(Center for Quantum Devices)、新墨西哥大学高技术材料中心(CHTM)、ARL美国空军研究实验室(AirForce Research Laboratory)、海军研究实验室(NRL)、喷气推进实验室(JPL)、国家导弹防御系统、波音防务、空间与安全通信、陆军作战实验室、马里兰大学等。先后掌握了锑化物的先进能带理论、SL材料外延和器件设计技术，开发了适用于锑化物的材料和器件先进技术。实现了分子束外延对掺杂、超晶格界面、少子寿命和外延缺陷密度的精确控制，探测器的综合性能在短短10多年内得到快速提升，在以下几个方面达到或超过了MCT探测器(其发展历史超过60年)。

(1)数组大小。到2012年，中长波长二色性探测器的最大阵列尺寸将达到640 512，单色SL探测器的阵列尺寸将达到1024 1024。

(2)检测效率。到2012年，3-16m SL探测器的D*已经非常接近MCT探测器的液氮温度理论值(78K)。锑化物SL的中红外探测器D*达到1 1013cmHzW(探测率)，量子效率85%。锑化物SL检出率的均匀性明显优于MCT。

(3)工作温度。中带超晶格探测器的工作温度在77-185开尔文范围内，长波和甚长波SL探测器的工作温度性能优于MCT探测器。

(3)暗电流。2012年的数据表明，3-16m锑化物SL的ROASL和MCT探测器的阻抗值非常接近，超晶格探测器的阻抗性能或暗电流水平在长波范围内与MCT探测器相比具有一定的优势，如图1所示。

图1目前，II类超晶格的器件阻抗已经达到了相当于MCT的水平。

近年来，锑化物SL型红外探测器得到了应用。2006年，德国弗劳恩霍夫研究所首先制造出288 384双波段中红外焦平面阵列的原型器件，随后迅速与AIM合作，研制出实用的双色红外焦平面阵列成像系统。2009年，美国国防高级研究计划局(DARPA)设立了专门的FASTFPA计划，集中了西北大学、新墨西哥大学、海军实验室、喷气推进实验室、IQE公司、雷神公司、FLIR系统公司、BAE系统公司等英美红外器件和系统制造的先进机构，部署了InAs/GaSb SL焦平面器件和系统应用的研究计划。2013年，瑞典IRnova公司推出了自己的高工作温度中波段红外探测器产品。2013年初，Teledyne成像传感器公司也开始涉足锑化物红外探测器技术领域，并于今年推出了超晶格红外探测器产品，其性能与同类型碲镉汞探测器一致甚至部分超过，如图2所示。

图2 Teledyne成像传感器公司640x 512超晶格中波段工作温度高的红外焦平面探测器模块，阵列尺寸为640x512、响应波段为0.4-5.0m，NETD20mk(f/3.5)，具有重量轻、体积小、可靠性高的技术特点。

2.3量子阱材料和红外激光器件

锑化物I型量子阱(QW)和带间级联ICL量子阱结构是实现1.85- 4m波段电泵浦、室温连续运转的高效率半导体激光器的核心材料体系。锑化物QW的工作波段为2-3m，ICL的工作波段为2-4微米.近年来，美国NRL、JPL、纽约州立大学石溪分校、弗兰霍夫IAF研究所、慕尼黑工业大学、DILAS公司和Nanoplus公司相继研制出高性能的Sb复合激光器。如德国DILAS公司的产品有1.85-3.0m波段的单管激光器和条形激光器，其中1.94m单管QW激光器室温下连续2W功率9W，电光转换效率19%，工作电流10A时效率13.5%，寿命7000h；2.9m单管QW激光器的功率为360毫瓦(10)；10巴集成1.9m QW激光器，20时连续输出功率140W。NRL于2013年成功制造了ICL结构的3.7m激光器，在20时输出功率达到470mW。德国Nanoplus公司采用侧面金属光栅，使单模分布反馈(DFB)激光器在0 . 5 m的任意中心波长下，都能实现小于3MHz的超窄线宽和高的边模抑制比(SMSR)。76-6.0m波段。2011年，美国国家航空航天局(NASA)发射了“好奇号”火星探测器；探测器配备了Nanoplus的Sb QWDFB激光器和JPL的ICL DFB激光器，用于分析火星表面的气体成分(见图3)。2012年好奇号抵达火星后，科学家成功分析了火星表面H20(特征吸收峰2.783m)、CO2(特征吸收峰2.785m)和CH4(特征吸收峰3.3微米)的浓度，探测灵敏度达到2ppm(H2O、CO2)和2ppb(CH4)。从国际大趋势来看，锑化物纳米结构激光器激射波长的扩展和激射功率的提高是未来发展的重点。

图3美国好奇号火星车及其气体样本分析系统示意图。

3国内R&D地位

锑化物材料含有各种元素(如镓、铟、锑等。)已成为欧盟等发达国家公认的战略资源，这些元素的矿产储量和产量一半以上来自中国。目前中科院半导体所可以提供最大直径7.5cm的GaSb单晶材料和GaSb衬底，物理性能基本达到国外先进水平。

锑化物SL型红外探测器的研究起步较晚。近年来，中国科学院半导体研究所和上海技术物理研究所相继在GaSb基InAs/GaSb点阵焦平面器件研究方面取得阶段性成果。2010年和2011年分别实现了5m和9m波段探测器。2013年，中科院上海技术物理研究所首次成功制备了128 128像素的单色红外焦平面探测器。随后，中科院半导体研究所与中国空空导弹研究所合作，得到了同样的结果，进一步研制出双色红外焦平面。华北光电技术研究所、昆明物理研究所、哈尔滨工业大学也开展了相关研究。

锑化物激光器的研究单位主要有上海微系统与信息技术研究所、半导体研究所、长春光学精密机械与物理研究所、长春理工大学等。2001年，中国科学院上海微系统与信息技术研究所首次报道了输出功率为30 mW的2m量子阱激光器。长春理工大学研制的2.2m激光器输出功率为32mW。中国科学院半导体研究所研制的2m激光器，室温下最高工作温度为80，连续输出功率为357mW。

项目主要研究进展介绍

针对锑化物纳米结构光电器件发展中遇到的瓶颈问题，基于半导体纳米结构的物理性质和结构控制特性，项目组重点解决器件工作带扩展和光电效率提高涉及的关键科学问题，从纳米材料能带特性、电子-光子相互作用、激子行为、表面/界面态可控性、载流子输运复合、光电转换能效机制等方面采用先进的纳米技术，研究了能带结构控制方法、能量耦合增强机制、纳米结构材料制备和器件关键技术，制备了高性能红外波段发光和探测器器件。

首先，在锑化物材料生长的研究中，根据器件结构设计的要求，优化了不同组分材料的生长条件，实现了生长参数和结构参数的精确控制。精确控制InAs/GaSb纳米超晶格结构中异质界面的类型，抑制生长过程中As和Sb元素在界面外的混合，降低应变，妥善处理InGaAsSb/algainassb纳米超晶格结构中多元合金各组成元素的比例，满足理论设计要求。

然后在器件制造关键技术的研究中，采用液体硫化钝化法和介质覆盖法成功钝化了器件表面的复合材料表面，降低了器件的噪声级。采用Cl基干法刻蚀技术实现Sb化合物纳米结构材料的干法刻蚀，改变刻蚀气体的组成和刻蚀温度，实现均匀、陡峭的刻蚀。通过通用倒装键合技术生长的探测器阵列和Si读出电路通过in-pillar互连。互连后，通过机械研磨和化学选择性蚀刻使芯片变薄。激光器将由GaAs大功率激光器的通用冷却热轴承冷却，端面镀多层介质膜，最终实现红外激光的瓦式输出。激光功率结果如图4所示。

图4腔面镀膜激光器在10温控测试、脉冲测试和室温连续测试中的功率比较；该器件在室温下连续光输出功率达到1.277W，在10连续测试时，器件最大功率为1-45 W。当脉冲频率为1000Hz，脉宽为50 s时，器件的最大功率为2.83W

5未来发展趋势

目前2-4in单晶和衬底材料的制造技术基本成熟，更大尺寸衬底制造技术的发展取决于锑化物光电器件的需求。基于锑化物超晶格材料的探测器在结构设计上具有很大的灵活性，其前沿课题主要是优化提高载流子寿命所需的锑化物低维结构。锑表面钝化技术是这类探测器制备过程中的难题，很大程度上决定了探测器的光电效率、工作温度、噪声等性能。从应用需求来看，锑化物探测器的研究热点有三个方向。

(1)第三代红外探测技术所需的多波段探测和识别能力；大阵列、多色、低成本探测器；多种平台应用要求检测组件整体体积小、重量轻、功耗低的产业化技术。

(2)目前中长波红外探测器的工作温度多在液氮温度，而16m以上的甚长波探测器的工作温度需要低至10开尔文。复杂的低温制冷部件使得检测器系统体积大且成本高，并且其使用寿命和可靠性有限。研制基于锑化物SL材料的新型势垒探测器有可能实现高工作温度和低噪声。

(3)雪崩倍增(APD)探测器和主被动红外探测技术的应用。通过设计具有能带的锑化物SL结构，可以获得更高的电子和空穴电离率，并可以开发出具有更高灵敏度和响应速度的APD器件。

此外，如果锑化物APD探测器能与

锑化物激光器的发展趋势是发展2-5m波段更高功率、高光束质量的单管激光器或阵列，以及窄线宽DFB或外腔可调谐激光器，以满足主动光电对抗系统和高灵敏度气体探测系统的要求。锑化物HBD阵列太赫兹器件未来的发展方向是进一步扩大其阵列尺寸和配备读出电路模块。锑热光伏电池具有吸收中红外光的优点，大大降低了供电系统的设计难度，提高了余热回收效率，也是未来的重要发展方向。

总的来说，锑化物光电器件几乎涵盖了红外系统的所有关键部件，在下一代低SWaP-C系统的应用中具有体积小、重量轻、低功耗、低成本的优势。2m以上高性能锑化物光电器件已被西方国家列为限制出口的技术产品。锑化物材料和器件的研究正处于从实验室走向应用的重要时期，将面临新的重大发展机遇。