红外探测II类超晶格技术概述(一)

本文简单归纳总结了红外探测II类超晶格材料的发展历史、基本理论、相比MCT材料的优势和材料的基本结构。通过设计6.1系超晶格材料适当的层厚和不同层间应力匹配的界面可以构筑灵活合理的能带结构,打开设计各种符合器件性能要求的新材料结构的可能性(如各种同质结p-i-n结构,双异质结DH、异质结W、M、N、BIRD、CBIRD、p-π-M-N、pBiBn、nBn、XBp、pMp等结构),还可以在一个焦平面阵列(FPA)像元上集成吸收层堆栈实现集成多色/多带探测。T2SL探测器可以满足实现大面阵、高温工作、高性能、多带/多色探测的第三代红外探测器需求,尤其在长波红外(LWIR)和甚长波红外(VLWIR)及双色/多带探测上可以替代MCT。     

II类超晶格红外探测器技术国内外进展

简单归纳整理了德国、美国(CQD、JPL、QmagiQ、NRL、Teledyne和Raytheon)、瑞典(IRnova)、以色列SCD和日本等国外主要机构的II类超晶格研究成果以及国内的发展现状。美国VISTA计划的成功实施和技术突破进一步加速推动了II类超晶格红外探测技术从理论走向现实。虽然目前及今后较长时间内HgCdTe技术仍然是主流,但是II类超晶格技术在整体系统性能和成本上可以挑战HgCdTe,II类超晶格技术将在红外应用领域全方位替代HgCdTe技术的优势已经越来越清晰。与国外相比,国内II类超晶格技术的发展已经具有一些技术基础,但距离产业化推广应用还有一定的差距,可以借鉴国外的先进理论和技术经验并结合具体实际工艺逐步取得突破。     

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%。     

Ⅱ类超晶格红外探测器的机理、现状与前景

近年来,锑基Ⅱ类超晶格红外探测器受到特别的关注,主要原因在于:锑化物Ⅱ类超晶格材料可能具有与碲镉汞相当的红外材料特性.根据Ⅱ类超晶格材料的基本特性、能带结构与电子空穴物理分离机理、美国3个主力联合研究团队的攻关现状,对Ⅱ类超晶格材料、器件的难点与前景进行分析.     

Ⅱ类超晶格甚长波红外探测器的发展

由Ⅲ-Ⅴ族半导体材料InAs/GaSb或InAs/Ga1-xInxSb构成的Ⅱ类超晶格(T2SL)光电探测器近年来在理论结构设计及试验器件实现方面进展显著.带隙工程和能带结构工程使得T2SL比碲镉汞材料具有某些优势,特别是很小的窄带隙方面.这些特有的性质,例如较大的有效电子质量、重空穴带和轻空穴带之间的较大间距可以抑制...     

InAs/GaSbⅡ类超晶格红外探测技术

由于Ⅱ类超晶格探测器在红外成像探测技术上极大的应用价值和前景,对这一低维半导体结构的研究持续不衰.近年来,Ⅱ类超晶格探测器在国际上发展极为迅速,已经实现了高性能的中波和长波超晶格焦平面探测器并进行了成像试验.改变超晶格的周期,它的吸收截止波长可覆盖3～30μm的宽广范围.由于现代分子束外延材料生长技术,可以在单原子层的...     

Ⅱ类超晶格红外探测器多层膜背增透研究

Ⅱ类超晶格材料相对较小的吸收系数限制了超晶格焦平面探测器的探测性能,通过在焦平面背面镀制增透膜,可有效提升器件的量子效率。研究采用仿真计算,设计了GaSb基InAs/GaSb超晶格探测器的多层背增透膜结构,并在GaSb衬底和超晶格焦平面探测器上进行了制备,实验结果验证了该薄膜具有提升探测器响应性能的作用。     

InAs/(In)GaSb Ⅱ类超晶格红外探测器研究现状

InAs/GaSb Ⅱ类超晶格具有优越的材料性能,量子效率高,暗电流小,能带结构可调,在国际上被认为是第三代红外焦平面探测器的优选材料.对目前Ⅱ类超晶格红外焦平面在国外的发展状况、现有的材料技术、探测器技术以及潜在的应用进行了介绍,旨在尽快发展属于我国的第三代InAs/(In)GaSb Ⅱ类超晶格红外探测器技术.     

InAs/GaSbⅡ类超晶格长波红外焦平面探测器

武汉高芯科技有限公司从2014年开始制备基于InAs/GaSbⅡ类超晶格的长波红外探测器.在本文中,报道了像元规模为640×512,像元间距为15μm的长波红外焦平面探测器.在77 K时,器件的50％截止波长为10.5μm,峰值量子效率为38.6％,当F数为2、积分时间为0.4 ms时,测得器件的噪声等效温差为26.2mK,且有效像元率达99.71％.本文通过分子束外延(molecular beam epitaxy,MBE)技术与成熟的Ⅲ-Ⅴ族芯片技术,成功地验证了在大于10μm的长波波段,用超晶格代替HgCdTe实现国产化并大规模量产的可行性.     

InAs/GaSbⅡ类超晶格与 HgCdTe 红外探测器的比较研究

HgCdTe、QWIP 和 InAs/GaSbⅡ类超晶格被公认是第三代红外焦平面探测器的首选.主要对比分析了 HgCdTe 和 InAs/GaSbⅡ类超晶格红外探测器,InAs/GaSbⅡ类超晶格具有响应波段宽且精确可控、工作温度高、载流子寿命长、暗电流低和均匀性好等优点,使其在甚长波、多色以及非制冷红外焦平面阵列等方面具有广阔的发展应用前景.     

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.     

128×128元InAs/GaSb Ⅱ类超晶格红外焦平面探测器

报道了128×128元InAs/GaSb Ⅱ类超晶格红外焦平面阵列探测器的研究成果.实验采用分子束外延技术在GaSb衬底上生长超晶格材料.红外吸收区结构为13 ML(InAs)/9 ML(GaSb),器件采用PIN结构,焦平面阵列光敏元大小为40 μm×40μm.通过台面形成、侧边钝化和金属电极生长,以及与读出电路互连等工艺,得到了128×128面阵长波焦平面探测器.在77 K时测试,器件的100％截止波长为8μm,峰值探测率6.0×109 cmHz1/2 W-1.经红外焦平面成像测试,探测器可得到较为清晰的成像.     

InAs/GaSb超晶格长波红外探测器

InAs/GaSb Ⅱ类超晶格红外探测器因其特殊的能带结构及其自身的材料和器件优势,在红外成像技术上具备极大的应用价值和前景,同时在大面阵长波红外探测器及甚长波红外探测器领域展现出优异的器件性能,并推动世界各国对这一低维半导体研究的持续发展,成为第三代红外探测器技术的最佳选择,并在国防建设、医疗、电力、天文学、抗灾方面有着广泛的应用.本文着重介绍了Ⅱ类超晶格长波红外探测器器件的制备、焦平面的成像测试以及器件的相关性能.长波探测器器件在77 K条件下10%截止波长为14 μm,峰值量子效率为35%,峰值响应2.6 A/W,峰值探测率接近1×1010 cmHz1/2W-1.     

锑化物Ⅱ类超晶格中远红外探测器的研究进展

基于锑化物Ⅱ类超晶格结构的中远红外探测器,由于其优异的性能而受到广泛的关注和研究。综述了锑化物Ⅱ类超晶格中远红外探测器的探测机理、材料结构、器件性能和当前的应用情况,介绍了其在中远红外雪崩光电探测器领域的研究现状。锑化物Ⅱ类超晶格探测器的部分性能指标已接近、甚至超过了碲镉汞探测器,并在部分红外装备上得到了应用。而基于锑化物Ⅱ类超晶格的雪崩光电探测器件在中远红外弱光探测领域尚处于起步阶段,与碲镉汞探测器相比还有很大差距,但同时也呈现出了巨大的发展潜力。     

锑基Ⅱ类超晶格红外探测器——第三代红外探测器的最佳选择

以多色、大面阵、高性能、低成本为特征的第三代红外探测器是当前红外探测器的发展方向及目标.InAs/GaInSb Ⅱ类超晶格探测器因为独特的断代能带结构以及自身存在的材料和器件优势,在大面阵长波红外探测器、高温中波红外探测器、中波双色探测器以及甚长波红外探测器领域显示出优异的器件性能和技术成熟性,成为第三代红外探测器技术的最佳选择之一,在世界各国引起了高度的重视和发展.就InAs/GaInSb Ⅱ类超晶格材料的优越性、存在的问题及近期的发展状况进行了介绍,旨在促进我国InAs/GaInSb Ⅱ类超晶格技术的发展.     

InAs/GaSbⅡ类超晶格红外探测器量子效率计算研究

首先分析了量子效率计算的相关理论,然后分析利用红外中波InAs/GaSbⅡ类超晶格材料进行光伏探测器研制,在对器件进行电学性能测试及光谱响应测试基础上,利用理论分析和测试数据计算出研制器件的实际电流响应率,再将实际电流响应率与理论分析的电流响应率相比,同时消除芯片表面SiO2钝化层光学透过率的影响,计算出器件对红外波段2～6?m辐射响应的量子效率最高可达35%,达到了国外同类型器件响应的量子效率指标.本文的研究为评价InAs/GaSbⅡ类超晶格红外探测器的光电转换性能提供了一种有效的方法.     

锑基二类超晶格中波红外焦平面探测器技术

InAs/GaSbⅡ类超晶格以其特有的量子效率高、暗电流小、能带结构可调等材料性能和器件优势,成为第三代红外探测器技术的最佳选择之一。本文报道了中波InAs/GaSbⅡ类超晶格材料的设计、生长、器件工艺技术,制备出了高性能的128×128中波InAs/GaSbⅡ类超晶格红外焦平面探测器,像元暗电流密度降到1.8×10-7A/cm2,量子效率达36.64%。     

320×256元InAs/GaSb Ⅱ类超晶格长波红外焦平面探测器

报道了320×256元In As/Ga SbⅡ类超晶格长波红外焦平面阵列探测器的研制和性能测试.采用分子束外延技术在Ga Sb衬底上生长超晶格材料,器件采用PBIN结构,红外吸收区结构为14 ML(In As)/7 ML(Ga Sb),焦平面阵列光敏元尺寸为27μm×27μm,中心距为30μm,通过刻蚀形成台面、侧边钝化和金属接触电极生长,以及与读出电路互连等工艺,得到了320×256面阵长波焦平面探测器.在77 K温度下测试,焦平面器件的100%截止波长为10.5μm,峰值探测率为8.41×109cm Hz1/2W-1,盲元率为2.6%,不均匀性为6.2%,采用该超晶格焦平面器件得到了较为清晰的演示性室温目标红外热成像.     

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/GaSbⅡ类超晶格红外探测器光电特性理论计算

InAs/GaSbⅡ类超晶格是目前国际上公认的制备第三代高性能红外探测器的理想材料之一,具有能带结构可调、波长响应范围宽、量子效率高、利于实现大面积焦平面阵列等独特优势.为了充分利用这一材料的优点,对材料进行优化设计,采用Kronig-Penney模型对材料的能带结构进行了理论计算;同时,利用输运理论的质量和动量平衡方...