Growth and fabrication of a mid-wavelength infrared focal plane array based on type-II InAs/GaSb superlattices

We present the fabrication of a mid-wavelength infrared focal plane array(FPA)based on type-II InAs/GaSb strain layer superlattices(SLs).The detectors contain a 400-period 8 ML InAs/8 ML GaSb SL active layer,which is grown by solid source molecular beam epitaxy on GaSb(100)N type substrates.Lattice mismatch between the superlattices and GaSb substrate achieves 148.9 ppm.The full width at half maximum of the first order satellite peak from X-ray diffraction was 28 arcsec.Single element detectors and FPA with a 128 128 pixels were fabricated using citric acid based solution wet chemical etching.Chemical and physical passivation effectively reduces the surface leakage and this process was characterized by I–V measurement.The devices showed a 50%cut-off wavelength of 4.73 m at 77 K.The photodiode exhibited an R0A of 103cm2.The FPA was characterized with an integration time of 0.5 ms and F/2.0 optics at 77 K and the average blackbody detectivity of the detectors is 2.01 109cm Hz1=2/W.     

用于红外探测的短周期InAs/GaSb超晶格材料的生长

用金属有机物化学气相淀积法(MOCVD)在GaSb衬底上生长InAs/GaSb超晶格,探索了最佳的生长厚度,优化了各种生长参数,并且分析了源流量控制的重要性.得到的超晶格材料的光致发光(PL)谱、X射线双晶衍射图以及表面形貌图表明,生长的超晶格材料可以响应10μm的长波,且具有良好的表面形貌和外延层质量.     

Terahertz band-gap in InAs/GaSb type-II superlattices

We demonstrate theoretically that it is possible to realize terahertz (THz) fundamental band-gap in InAs/GaSb type-II superlattices (SLs). The presence of such band-gap can result in a strong cut-off of optical absorption at THz bandwidth. This study is pertinent to the application of InAs/GaSb type-II SLs as THz photodetectors.     

基于多层薄膜的长波红外InAs/GaSb II类超晶格焦平面光响应调控研究

本文基于长波InAs/GaSb Ⅱ类超晶格红外焦平面阵列(Focal Plane Array,FPA)设计和生长了由ZnS和Ge组成的多层薄膜结构。与没有多层薄膜的FPA相比,多层薄膜使其响应峰位置从8.7μm和10.3μm分别移动到9.8μm和11.7μm,50%响应截止波长从11.6μm移动至12.3μm,并且在波长为12μm处的响应强度增加了69%。总之,优化的多层薄膜可以调控FPA的响应波长,这为实现更高灵敏度和更高成像能力的长波红外探测提供了更好的平台。     

InAs/GaSb II类超晶格红外焦平面台面的 ICP 刻蚀研究

本文报道了采用Cl2/N2电感耦合等离子（ICP）组合体刻蚀工艺在InAs/GaSb II类超晶格红外焦平面台面加工过程中的研究结果,实验采用分子束外延技术在GaSb衬底上生长的PIN型超晶格材料。结果表明,气体流量比例直接对刻蚀速率和刻蚀形貌产生影响,氯气含量越高,刻蚀速率越大,当氮气含量增加,刻蚀速率降低并趋于一定值。当氯气和氮气的流量比例和等离子腔体内压力等参数一定时,随着温度升高,刻蚀速率和选择比在有限范围内同时线性增大,台面的倾角趋于直角,台面轮廓层状纹理逐渐消失,但沟道内变得粗糙不平,并出现坑点。在实验研究范围内,电感耦合等离子源的ICP功率和RF功率对刻蚀结果产生的影响较小。     

Mid-infrared absorption by short-period InAs/GaSb type II superlattices

We present a theoretical study on optical properties of short-period InAs/GaSb type-II superlattices (SLs) which can serve for mid-infrared (MIR) detection. The miniband structure of such SLs is calculated using the Kronig–Penney model. On the basis of the energy-balance equation derived from the Boltzmann equation we calculate the optical absorption coefficient. The obtained results agree with recent experimental findings. Moreover, the dependence of the MIR absorption in InAs/GaSb type-II SLs on temperature and well-widths are examined.     

256×256 focal plane array midwavelength infrared camera based on InAs/GaSb short-period superlattices

An infrared camera based on a 256×256 focal plane array (FPA) for the second atmospheric window (3–5 μm) has been realized for the first time with InAs/GaSb short period superlattices (SLs). The SL detector structure with a broken gap type-II band alignment was grown by molecular beam epitaxy on GaSb substrates. Effective bandgap and strain in the superlattice were adjusted by varying the thickness of the InAs and GaSb layers and the controlled formation of InSb-like bonds at the interfaces. The FPAs were processed in a full wafer process using optical lithography, chemical-assisted ion beam etching, and conventional metallization technology. The FPAs were flip-chip bonded using indium solder bumps with a read-out integrated circuit and mounted into an integrated detector cooler assembly. The FPAs with a cut-off wavelength of 5.4 μm exhibit quantum efficiencies of 30% and detectivity values exceeding 10¹³ Jones at T=77 K. A noise equivalent temperature difference (NETD) of 11.1 mK was measured for an integration time of 5 ms using f/2 optics. The NETD scales inversely proportional to the square root of the integration time between 5 ms and 1 ms, revealing background limited performance. Excellent thermal images with low NETD values and a very good modulation transfer function demonstrate the high potential of this material system for the fabrication of future thermal imaging systems.     

2～3μmGaAs基InAs/GaSb超晶格材料

采用分子束外延方法在GaAs(100)衬底上生长GaSb体材料,以此GaSb为缓冲层生长了不同InAs厚度的InAs/GaSb超晶格,其10 K光荧光谱峰值波长在2～2.6 μm.高分辨透射电子显微镜观察证实超晶格界面清晰,周期完整.InAs/GaSb超晶格材料的成功生长是制备这类红外探测器件重要的第一步.     

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。     

InAs/GaSb infrared photovoltaic detector at 77 K

The characterisation of an 8 μm infrared photovoltaic detector based on InAs/GaSb superlattices is carried out at 77 K for the first time. The built-in field is established by the Fermi level difference between the superlattice surface and the InAs buffer layer. The photocurrent is from photoexcited carriers traversing through the superlattice conduction miniband. A current responsivity of 0.07 A/W has been obtained, implying that one out of 10 photoexcited electrons has been collected     

InAs/GaAsSb带间级联中波红外焦平面研究

针对高工作温度红外探测器的迫切需求,设计并利用分子束外延技术制备了高晶格质量的2级带间级联中波红外探测材料,带间级联单元器件在最高323 K下可以测试到清晰的响应光谱,140 K下暗电流密度达到4×10~(-5)A/cm~(-2).并在此基础上利用干法刻蚀技术实现了320×256规模的台面型带间级联红外焦平面原型器件.焦平面测试结果表明其在80-120K范围内量子效率达到30%,127 K下噪声等效温差为55.1 mK,盲元率为2.3%.采用该焦平面器件在127 K下获得了较为清晰的演示性室温目标红外热成像.     

GaAs基短周期InAs/GaSb超晶格红外探测器研究

采用分子束外延(MBE)方法,在(001)GaAs衬底上生长了短周期Ⅱ型超晶格(SLs):InAs/GaSb (2ML/8ML)和InAs/GaSb (8ML/8ML).从X射线衍射(HRXRD)中计算出超晶格周期分别为31.2和57.3.室温红外透射光谱表明两种超晶格结构在短波2.1μm和中波5μm处有明显吸收.通过腐蚀、光刻和欧姆接触,制备了短波和中波的单元光导探测器.在室温和低温下进行光谱响应测试和黑体测试,77K下,50%截止波长分别为2.1μm和5.0μm,黑体探测率D·bb均超过2×108cmHz1/2/W.室温下短波探测器D·bb超过108cmHz1/2/W.     

InAs/GaSb超晶格/GaSb体材料中短波双色红外探测器

采用GaSb体材料和InAs/GaSb超晶格分别作为短波与中波吸收材料,外延生长制备了NIPPIN型短中双色红外探测器。HRXRD及AFM测试表明,InAs/GaSb超晶格零级峰和GaSb峰半峰宽FWHM分别为17.57 arcsec和19.15 arcsec,10μm×10μm范围表面均方根粗糙度为1.82?。77 K下,SiO_2钝化器件最大阻抗与面积乘积值RA为5.58×10~5Ω?cm~2,暗电流密度为5.27×10~(-7)A?cm~(-2),侧壁电阻率为6.83×10~6Ω?cm。经阳极硫化后,器件最大RA值为1.86×10~6Ω?cm~2,暗电流密度为4.12×10~(-7)A?cm~(-2),侧壁电阻率为4.49×10~7Ω?cm。相同偏压下,硫化工艺使器件暗电流降低1-2个数量级,侧壁电阻率提高了1个数量级。对硫化器件进行了光谱响应测试,器件具有依赖偏压极性的低串扰双色探测性能,其短波通道与中波通道的50%截止波长分别为1.55μm和4.62μm,在1.44μm、2.7μm和4μm处,响应度分别为0.415 A/W、0.435 A/W和0.337 A/W。     

长波InAs/GaSb II类超晶格红外探测器

报道了50％截止波长为12.5μm的InAs/GaSb Ⅱ类超晶格长波红外探测器材料及单元器件.实验采用分子束外延技术在GaSb衬底上生长超晶格材料.吸收区结构为15ML(InAs)/7ML(GaSb),器件采用PBIN的多层异质结构以抑制长波器件暗电流.在77K温度下测试了单元器件的电流-电压(I-v)特性,响应光谱和黑体响应.在该温度下,光敏元大小为100μm×100μm的单元探测器RmaxA为2.5Ωcm2,器件的电流响应率为1.29A/W,黑体响应率为2.1×109cmHz12/W,11μm处量子效率为14.3％.采用四种暗电流机制对器件反向偏压下的暗电流密度曲线进行了拟合分析,结果表明起主导作用的暗电流机制为产生复合电流.     

InAs/GaSb II型超晶格红外探测器的研究进展

InAs/GaSb Ⅱ型超晶格材料理论上性能优于HgCdTe、InSb等红外探测材料,基于成熟的Ⅲ-V族化合物材料与器件工艺,使得Ⅱ型超晶格材料容易满足均匀大面阵、双色或多色集成等红外探测器的要求,因而InAs/GaSb Ⅱ型超晶格材料将逐步替代HgCdTe、InSb等材料成为第三代红外探测器的首选材料。本文阐述了InAs/GaSb超晶格红外探测器的基本原理、以及材料生长和器件结构,并对其研究进展进行了综述性介绍。     

InAs/GaSb超晶格中波焦平面材料的分子束外延技术

报道了InAs/GaSb超晶格中波材料的分子束外廷生长技术研究.通过改变GaSb衬底上分子束外延InAs/GaSb超晶格材料的衬底温度,以及界面的优化等,改善超晶格材料的表面形貌和晶格失配,获得了晶格失配△a/a=1.5×10-4,原子级平整表面的InAs/GaSb超晶格材料,材料77 K截止波长为4.87 μm.     

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类超晶格红外探测技术研究进展

InAs/GaSb II类超晶格是一项新型的红外焦平面技术,其响应波长可以覆盖3～30 μm 的光谱范围,具有均匀性好、暗电流低和量子效率较高等优点,是最有希望的碲镉汞的替代技术。1987年,人们发现了其在红外探测领域的应用价值后,II类超晶格材料和器件的研究获得了极大的关注,特别是近年来II类超晶格探测器的发展在国际上极为迅速,美欧等一些技术先进的国家已经获得了大规模、高性能的超晶格焦平面探测器并实现了清晰的实验室红外热成像。本文简要介绍该项新型红外探测技术的基本原理、技术特点、技术关键及其在国内外的发展趋势。     

面向MOCVD生长InAs/GaSb超晶格红外探测的InAs衬底表面制备

采用全反射X射线荧光光谱（total reflection X-ray fluorescence,TXRF）和X射线光电子能谱（X-ray photo-electron spectroscopy,XPS）检测方法研究InAs衬底化学机械抛光后经过不同湿法化学溶液联合作用后衬底表面的金属杂质残留浓度和氧化物组分的变化。湿法化学清洗后的InAs表面检测到金属杂质Si,K和Ca,它们的浓度随溶液组合的变化而变化。金属杂质残留浓度较高的InAs衬底表面同时也测得较多粒径为80 nm的颗粒。提出了一种行之有效的InAs衬底湿化学清洗方法,可制备出金属杂质残留少、颗粒少、氧化层薄InAs衬底表面,此表面有利于MOCVD方法生长高质量InAs/GaSb超晶格红外探测器外延。     

InAs/GaSb II类超晶格红外探测器光敏元蚀刻表面特性

采用刻蚀技术形成台面结构的红外探测器光敏元,其表面漏电流和器件热稳定性与半导体蚀刻表面的特性密切相关。对制备的InAs/GaSb Ⅱ类超晶格中波红外探测器台面蚀刻区域特性进行了研究报道。通过台面结栅控结构和快速热退火相结合的实验研究,发现热退火处理使得样品在温度80 K,偏置电压-0.05 V下的暗电流密度从2.17×10~(-7)A/cm~2上升至6.96×10~(-5)A/cm~2,并且有无退火样品的暗电流随偏置电压变化表现出明显的不同。退火导致光敏元台面侧壁电荷密度上升2.76×10~(12)cm~(-2),引起了表面漏电流的增加,利用X射线光电子能谱(XPS)发现退火后台面蚀刻区域Sb单质含量增加。