InAs/InAsSb超晶格红外中/中波双色焦平面探测器研制

超晶格材料已经成为了第三代红外焦平面探测器的优选材料。双波段红外探测器能够通过对比两个波段内的光谱信息差异,对复杂的背景进行抑制,提高探测效果,在需求中尤为重要。本文开展了InAs/InAsSb超晶格中/中双色焦平面探测器设计及制备技术研究,从器件设计、材料外延、芯片加工等方面展开研究,制备了中心距30 μm的320×256 InAs/InAsSb二类超晶格中/中波双色焦平面探测器。器件短中波峰值探测率达到7.2×10¹¹ cm·Hz^1/2W^-1,中波峰值探测率为6.7×10¹¹ cm·Hz^1/2W^-1,短中波有效像元率为99.51%,中波为99.13%,获得了高质量的成像效果,实现中中双色探测。     

非制冷型中长波铟砷锑探测器

工作在中、长波红外波段(波长5~12μm)的红外探测器在红外制导、红外成像、环境监测及资源探测等方面有着重要而广阔的应用前景。目前中国军用和民用对这一波段的非制冷型、快速响应的光子型红外探测器有迫切需求。文中用熔体外延(ME)法在InAs(砷化铟)衬底上生长的InAs0.05Sb0.95(铟砷锑)厚膜单晶,制作了高灵敏度、非制冷型、中长波光导型探测器,探测器上安装了Ge(锗)浸没透镜。傅里叶变换红外(FTIR)吸收光谱显示InAsSb材料的本征吸收边出现在波长8μm以后。InAs0.05Sb0.95探测器的光谱响应波长范围为2~9μm。室温下,在波长6.5μm处的峰值探测率Dλp*达到5.4×109 cm·Hz1/2·W-1,在波长8.0μm和9.0μm处的探测率D*分别为9.3×108和1.3×108 cm·Hz1/2·W-1,显示了InAsSb探测器的优越性能及对红外探测和成像的应用前景。     

Uncooled InAs0.09Sb0.91 photoconductors with cutoff wave- length extended to 11.5 μm

Uncooled InAsSb photoconductors were fabricated. The photoconductors were based on InAs0.05Sb0.95 and InAs0.09Sb0.91 thick epilayers grown on InAs substrates by melt epitaxy (ME). Ge immersion lenses were set on the photoconductors. The cutoff wavelength of InAs0.09Sb0.91 detectors is obviously extended to 11.5 mm, and that of InAs0.05Sb0.95 detectors is 8.3 mm. At room temperature, the peak detectivity of Dλp at wavelength of 6.8 mm and modulation frequency of 1 200 Hz is 1.08×109 cm.Hz1/2.W-1 for InAs0.09Sb0.91 photoconductors, the detectivity D at wavelength of 9 mm is 7.56×108 cm.Hz1/2.W-1, and that at 11 mm is 3.92×108 cm.Hz1/2.W-1. The detectivity of InAs0.09Sb0.91 detectors at the wavelengths longer than 9 mm is about one order of magnitude higher than that of InAs0.05Sb0.95 detectors, which rises from the increase of arsenic (As) composition in InAs0.09Sb0.91 materials.     

高量子效率中波InAs/GaSb II类超晶格探测器分子束外延生长及特性

基于分子束外延（MBE）生长技术获得了高量子效率的InAs/GaSb T2SLs中波红外（MWIR）光电探测器结构材料,表现出了层状结构生长的光滑表面和出色的晶体结构均匀性。此超晶格中波红外探测器的50%截止波长约为5.5 μm,峰值响应率为2.6 A/W,77 K下量子效率超过了80%,与碲镉汞的量子效率相当。在77 K,-50 mV偏压下的暗电流密度为1.8×10^-6 A/cm²,最大电阻面积乘积（RA）（-50 mV偏压）为3.8×10⁵Ω·cm²,峰值探测率达到了6.1×10¹² cm Hz^{1 / 2}/W。     

长/长波双色二类超晶格红外探测器研究

报道了长/长波双色二类超晶格红外焦平面探测器组件的研制。通过能带结构设计和分子束外延技术,获得了表面质量良好的长/长波双色超晶格外延材料。突破了长波超晶格低暗电流钝化、低损伤干法刻蚀等关键技术,制备出像元中心距30 μm的320×256长/长波双色InAs/GaSb超晶格焦平面探测器芯片。将芯片与双色读出电路互连,采用杜瓦封装,与制冷机耦合形成探测器组件。组件双波段50%后截止波长分别为7.7 μm（波段1）和10.0 μm（波段2）。波段1平均峰值探测率达到8.21×10¹⁰ cmW^-1Hz^1/2,NETD实现28.8 mK;波段2平均峰值探测率达到6.15×10¹⁰ cmW^-1Hz^1/2,NETD为37.8 mK,获得了清晰的成像效果,实现长/长波双色探测。     

InAs/GaSb II类超晶格长波红外焦平面探测器研究

InAs/GaSb II类超晶格材料是第三代红外焦平面探测器的优选材料。报道了一种面阵规模为320×256、像元中心距为30 μm的InAs/GaSb II类超晶格长波红外焦平面器件。在77 K时,该器件的平均峰值探测率为7.6×10¹⁰ cm·Hz^1/2·W^-1,盲元率为1.46%,响应非均匀性为7.55%,噪声等效温差(Noise Equivalent Temperature Difference, NETD)为25.5 mK。经计算可知,这种器件的峰值量子效率为26.2%,50%截止波长为9.1 μm。最后对该器件进行了成像演示。结果表明,该研究为后续的相关器件研制奠定了基础。     

短/中波双色碲镉汞红外探测器性能分析研究

介绍了国内外双色红外探测器的发展现状,并报道了中国电子科技集团公司第十一研究所（以下简称“中电十一所”）自行研制的像元间距为30 μm的Si基320×256短/中波双色红外探测器的性能。在77 K测试条件下,短波和中波两个波段的盲元率分别为0.88%和1.47%,平均峰值探测率分别为2.21×10¹² cm·Hz^1/2·W^-1和2.13×10¹¹ cm·Hz^1/2·W^-1,后截止波长分别为3.129 μm和 5.285 μm,且短波向中波波段的光谱串音为1.38%,中波向短波波段的光谱串音为2.82%。同时,该探测器在双波段具有较好的成像效果,为后续更大面阵、更佳性能的多波段探测器研究提供了基础。     

两种新型红外探测器

华北光电技术研究所近期研制成下述两种红外探测器: 1.碲锡铅异质结红外探测器 这是以碲锡铅晶体作衬底、用液相“异质结”外延技术制成的红外探测器。响应波长为8～12μm,适于室温目标的探测、成象。可应用于红外前视、医用热成象、遥感、跟踪、污染监控等方面。该器件的探测率D一般大于1×10~(10)cm·Hz 1/2/W,最高的D≥4～5×10~(10)cm·Hz 1/2/W;峰值波长λ_p≥10μm。经     

双层异质结碲镉汞甚长波红外焦平面探测器研究进展

报道了甚长波碲镉汞红外焦平面探测器的最新研究进展。采用水平液相外延In掺杂和垂直液相外延As掺杂技术生长p-on-n异质结材料,并基于湿法腐蚀、表侧壁钝化、In柱互连工艺,制备了第一支甚长波碲镉汞台面型焦平面器件。在60 K的工作温度下,该器件的截止波长达到14.28 μm,有效像元率为94.5%,平均峰值探测率达到8.98×10¹⁰ cm·Hz^1/2·W^-1。     

快速响应高探测度的长波红外探测器

美国新泽西州默里山美国电话电报公司贝尔实验室的Levine及其合作者研制出长波红外区的GaAs/AlGaAs探测器,在77K时响应率为30kV/W,探测度D^*=1.0×10¹⁰cmHz^1/2/W。该探测器工作在8.3μm,带宽>70MHz。     

用熔体外延法生长的截止波长10μm以上的InAsSb单晶

用熔体外延法,在液相外延系统中,在InAs衬底上成功地生长出了截止波长为11μm的InAsSb单晶.虽然使用液相外延设备,但熔体外延具有不同于液相外延等常规晶体生长方法的创新生长工艺.红外傅里叶光谱测量证明InAsSb材料的截止波长超过10μm.X射线衍射光谱揭示InAsSb外延层具有相当完美的晶体取向结构,且与InAs衬底取向一致,均为(100)方向.霍尔测量结果给出295K下,InAsSb的电子迁移率为4.75×104cm2/Vs,截流子浓度为3.61×1016cm-3;77K下电子迁移率为2.86×104cm2/Vs,载流子浓度为1.50×1016cm-3.数据显示这种材料具有研制新型探测器的良好前景.     

InAs基室温中波红外探测器的液相外延生长

材料质量好坏对于获得高性能红外探测器至关重要。提出决定材料质量的关键点在于精准控制材料结构中层与层之间的晶格失配度，报道了晶格失配对材料质量和器件暗电流性能的影响。实验结论表明在液相外延技术生长的InAs/InAsSbP材料体系中，InAs和InAsSbP间的晶格失配不是越小越好，而是有一个最佳值。如果晶格失配偏离这个值，不管是偏大还是偏小，材料的质量都会恶化。阐述了如何调整生长参数以获得合适的晶格失配度。制备了具有适宜晶格失配度的红外探测器件，该探测器零偏压下的室温峰值探测率为6.8×10⁹ cm Hz^1/2W^-1，与国际商用InAs探测器的指标相当。     

12 μm像元间距1280×1024碲镉汞中波红外焦平面探测器的制备及性能研究

武汉高德红外股份有限公司成功研制了像元尺寸为12 μm×12 μm的1280×1024大面阵碲镉汞中波红外焦平面探测器。在优化提升材料性能的基础上,突破了小像元钝化开孔、高密度小尺寸铟柱制备以及高精度大面阵倒焊等关键技术,成功制备出了1280×1024@12 μm碲镉汞中波红外焦平面芯片及组件。其盲元率小于0.5%,响应率非均匀性小于5%。F2探测器的平均噪声等效温差(Noise Equivalent Temperature Difference, NETD)为15 mK,平均峰值探测率为6×10¹¹ cm·Hzsup>1/2·W^-1。F4探测器的平均NETD为18.5 mK,平均峰值探测率为1.2×10¹² cm·Hzsup>1/2·W^-1。另外还提出了一种不稳定像元测试方法,即通过分析两点校正后的成像数据,并利用模块中值和空域噪声的比较,完成对红外图像中不稳定像元的检测和校正。结果表明,校正后的红外成像画质良好,在120 K时器件性能无明显降低。     

320×256 InAs/GaSb超晶格中/短波双色探测器组件研制

InAs/GaSb超晶格材料制备的新型红外器件在最近十几年得到了迅速发展。文中开展了InAs/GaSb二类超晶格中/短波双色焦平面探测器组件研制,设计了中/短波双色叠层背靠背二极管芯片结构,用分子束外延技术生长出结构完整、表面平整、低缺陷密度的PNP结构超晶格材料,制备出性能优良的320×256双色焦平面探测器组件,对探测器组件进行了测试分析。结果显示,在77 K下中波二极管RA值达到26.0 kΩ·cm2,短波的RA值为562 kΩ·cm2。光谱响应特性表明短波响应波段为1.7~3 μm,中波为3~5 μm,满足设计要求。双色峰值探测率达到中波3.12×1011 cm·Hz1/2W-1,短波1.34×1011 cm·Hz1/2W-1。响应非均匀性中波为9.9%,短波为9.7%。中波有效像元率为98.46%,短波为98.06%。     

9μm Cutoff 128×128 AlGaAs/GaAs Quantum Well Infrared Photodetector Focal Plane Arrays

报道了128×128 AlGaAs/GaAs量子阱红外焦平面探测器阵列的设计和制作. 采用金属有机化学气相淀积外延技术生长外延材料，并在GaAs集成电路工艺线上完成工艺制作. 为得到器件参数，设计制作了台面尺寸为300μm×300μm的大面积测试器件；77K下2V偏压时暗电流密度为1.5E-3A/cm2; 80K工作温度下，器件峰值响应波长为8.4μm，截止波长为9μm，黑体探测率DB为3.95E8 (cm·Hz1/2) /W. 将128×128元 AlGaAs/GaAs量子阱红外焦平面探测器阵列芯片与相关CMOS读出电路芯片倒装焊互连，在80K工作温度下实现了室温环境目标的红外热成像，盲元率小于1%.     

InAs基InAs/Ga（As）Sb II类超晶格长波红外探测器湿法腐蚀研究

开展了InAs基InAs/Ga（As）Sb II类超晶格长波红外探测器的湿法腐蚀工艺研究.选择的腐蚀液由柠檬酸、磷酸和过氧化氢组成,先后在InAs、GaSb体材料和InAs/Ga（As）Sb II类超晶格上进行了湿法腐蚀实验,分别获得了其最佳的腐蚀液组分及配比.使用优化的磷酸系腐蚀液对InAs/Ga（As）Sb II类超晶格进行腐蚀,获得的腐蚀表面粗糙度仅为1 nm.然后使用改进的工艺制备了50 ％截止波长为12 μm的超晶格长波单元器件,实验结果表明磷酸系腐蚀液可以获得低暗电流密度的InAs基InAs/Ga（As）Sb II类超晶格长波红外探测器.另外,在81 K下,该探测器的表面电阻率（ρ_Surface）为4.4 × 10³ Ωcm.     

一种光电探测器与信号处理器的单片集成器件

提出了一种180 V光电探测器与10 V BiCMOS信号处理器的单片光电集成器件。研究发现,器件中n⁺p结的高边缘电场值对探测效率的影响较大。利用Silvaco TCAD软件进行了仿真设计,研究了高边缘电场对该集成器件中光电探测器的关键参数的影响。引入金属场板,提高了探测效率。仿真结果表明,该单片集成器件实现了光电探测器与信号处理器的工艺兼容和电压兼容。对比未引入金属场板和引入金属场板的情况,在入射光波长为1.06 μm处,外量子效率分别为4.68%和36.3%,响应度分别为0.04 A·W-1·cm-2和0.31 A·W-1·cm-2。     

Ⅱ类超晶格长波红外探测器研究进展

由于具有带隙可调、电子有效质量大、俄歇复合率低等特点,Ⅱ类超晶格在长波红外和甚长波红外探测方面具有独特优势。介绍了长波超晶格探测器制备方面的研究进展,包括能带结构设计、表面缺陷控制、周期结构控制和表面钝化。最后报道了320×256长波超晶格焦平面阵列及其测试性能。结果表明,在77 K工作温度下,该阵列的截止波长为9.6 μm,平均峰值探测率D*为7×10¹⁰ cm·Hz^1/2/W,噪声等效温差 (Noise Equivalent Temperature Difference, NETD)为34 mK,响应非均匀性为7%。     

短波红外InGaAs焦平面探测器研究进展

短波红外InGaAs焦平面探测器具有探测率高、均匀性好等优点,在航天遥感、微光夜视、医疗诊断等领域具有广泛应用。近十年来,中国科学院上海技术物理研究所围绕高灵敏度常规波长（0.9～1.7 μm） InGaAs焦平面、延伸波长（1.0～2.5 μm） InGaAs焦平面以及新型多功能InGaAs探测器取得了良好进展。在常规波长InGaAs焦平面方面,从256×1、512×1元等线列向320×256、640×512、4 000×128、1 280×1 024元等多种规格面阵方面发展,室温暗电流密度优于5 nA/cm2,室温峰值探测率优于5×1012 cm·Hz1/2/W。在延伸波长InGaAs探测器方面,发展了高光谱高帧频1 024×256、1 024×512元焦平面,暗电流密度优于10 nA/cm2和峰值探测率优于5×1011 cm·Hz1/2/W@200 K。在新型多功能InGaAs探测器方面,发展了一种可见近红外响应的InGaAs探测器,通过具有阻挡层结构的新型外延材料和片上集成微纳陷光结构,实现0.4～1.7 μm宽谱段响应,研制的320×256、640×512焦平面组件的量子效率达到40%@0.5 m、80%@0.8 m、90%@1.55 m;发展了片上集成亚波长金属光栅的InGaAs偏振探测器,其在0 °、45 °、90 °、135 °的消光比优于20:1。     

基于InAs/GaSb超晶格的中波段红外焦平面材料生长与器件制备

本文展示了基于InAs/GaSb二类超晶格材料的中红外焦平面器件制备研究。探测器材料由400周期的结构为8ML InAs /8ML GaSb 的超晶格构成。超晶格材料通过分子束外延技术在N 型GaSb(100)衬底上生长。超晶格层与GaSb衬底层的失配被降低到148.9ppm,通过高分辨X射线衍射分析得到超晶格层的1级衍射峰半缝宽达到28arcsec.。单元探测器和128×128像元红外焦平面通过柠檬酸系腐蚀配方制备完成。通过I-V测试分析表明器件工艺中的化学和物理钝化能够有效降低器件的表面漏电流。最终单元探测器件在77K温度下50%截止波长为4.73微米,R₀A 达到 10³Ωcm²量级。最后我们对焦平面器件进行了成像实验,测试条件为积分时间0.5ms,光圈F/2.0,器件黑体平均探测率达到2.01 × 10⁹cmHz^1/2W^-1.。