尚林濤,王 靜,邢偉榮,劉 銘,申 晨,周 朋,趙建忠

(華北光電技術研究所,北京 100015)

1 引 言

Sb基應力層超晶格(SLS)尤其是II類超晶格(T2SL)材料在探測器、激光器、調制器上具有廣泛的應用,尤其在紅外探測領域具有極大的潛力和優(yōu)勢,普遍認為可以替代目前主流的HgCdTe(MCT)材料。相比MCT材料技術約60年的漫長積累和發(fā)展,二類超晶格技術從20世紀70年代末提出至今約40年仍在持續(xù)快速發(fā)展。

目前,世界主要的研究機構如德國、美國西北大學量子器件中心(CQD)、噴氣推進實驗室(JPL)、NRL、瑞典(IRnova)、以色列SCD和日本等很多機構報道了T2SL材料、器件和焦平面陣列(FPA)的研究進展,國內也積極開展了全面的研究。本文簡單歸納總結了國內外T2SL紅外焦平面探測器技術的發(fā)展狀況。

2 國外超晶格探測器的發(fā)展

2.1 德 國

德國Fraunhofer IAF從1990年開始開發(fā)Sb基SL。2003年開始了高性能二維FPA陣列工藝開發(fā)。2004年,與工業(yè)伙伴AIM Infrarot-Module Gmb合作開發(fā)出了當時世界上第一個高性能國內第一代256×256@40 μm MWIR超晶格成像儀,將超晶格周期從190增加到370后QE加倍,獲得卓越的93 K BLIP成像；降低像元中心距開發(fā)了國內第二代384×288@24 μm；GaSb襯底從2″拓展到3″,開發(fā)了640×512@24 μm；2005年開始開發(fā)雙光譜(雙色)InAs/GaSb SL FPAs,開發(fā)出第三代384×288×2@40 μm和384×288×2@24 μm,可同時探測3～4 μm(藍)和4～5 μm(紅)兩個通道的中波雙色超晶格。接下來幾年,連續(xù)工藝改進(包括雙色三In柱電極發(fā)展到30 μm和24 μm的二In柱電極技術)以及降低缺陷,雙光譜FPAs制備技術成熟,光電性能連續(xù)增加,平均NEDT達到9.1 mK(紅)和15.9 mK(藍),被EADS選擇集成到大型軍用運輸機A400M的導彈防御(MAW)系統(tǒng)。IAF現(xiàn)在已成為國家級InAs/GaSb II類超晶格探測器制造工廠[1]。擁有技術準備水平8級(TRL8)的單晶圓和5×3″(2″在中間)多晶圓MBE生長系統(tǒng)[1-2]。建立了一套完整的設計建模、外延生長、前道和后道工藝制造鏈。擁有相襯干涉儀、自動光學缺陷檢測工具(KLA-Tencor Surfscan 6220)、白光拓撲儀(SWBXRT)等設備自動檢測和追蹤襯底和外延材料缺陷,位錯密度低至1×105cm-2；高精度自動步進光刻機、均勻ICP刻蝕工藝可以重復制備高占空比的陣列。半自動晶圓低溫探針臺Cascade Microtech PAC200系統(tǒng)、PL、C-V測試系統(tǒng)[3]快速完成器件電/光性能表征[4]。

在同質結基礎上采用改良的四分量超晶格經(jīng)驗贗勢計算方法(SEPM)優(yōu)化設計(考慮InSb界面和As在GaSb和InSb中的引入)了異質結LWIR探測器,GR暗電流達～10-5A/cm2；在中波雙色探測器上也采用異質結,5 μm附近暗電流密度低至2×10-9A/cm2[5]。成功展示了歐洲第一個截止波長10.3 μm 640×512@15um的LWIR InAs/GaSb T2SL[3,6],55 K,F/2,NEDT<30 mK,拍攝到Fraunhofer IAF的建筑物圖像,進一步改進暗電流可以提升工作溫度和使光電性能到300 K背景BLIP的成像[5]。

在德國防務部(MoD)資助下持續(xù)開展T2SL研發(fā)。開發(fā)了熱電制冷(TEC)或室溫工作(200～300K)的單元器件和高性能FPA[4]。在GaAs(211)B襯底上異質外延T2SL并制備成FPA[6],獲得高響應和均勻噪聲的210 K、10.5 μm GaAs基HOT T2SL二極管[7],平均D*=3.3×108Jones,并用TEC制冷集成到波蘭的VIGO System。表1和圖1列出德國近些年來二類超晶格主要發(fā)展成果。

表1 德國二類超晶格發(fā)展概況表

圖1 德國主要的SL器件和成像結果

2.2 美國西北大學CQD

美國西北大學量子器件中心CQD的Manijeh Razeghi團隊在超晶格開發(fā)方面起步較早也一直居世界領先地位[8-10],在超晶格理論設計[9,11]、器件工藝、組件制備和成像等各個方面有著堅實的理論基礎和豐富的實踐經(jīng)驗,取得了顯著的發(fā)展成果。表2列出了CQD近20年來在GaAs基SL、短波、中波、長波、甚長波、雙帶/三帶等SL發(fā)展方面取得的成果(FPA為主),圖2列出具有代表性的陣列成像。CQD在長波和甚長波方面研究的最早也最多,最早于2003年展示了8 μm的256×256,最有代表性的LWIR面陣成果是波長11 μm的pπMn結構的1k×1k,經(jīng)過優(yōu)化后達到了出色的性能,去除GaSb襯底并涂抗反射涂層后QE可以達到89 %；最大面陣是1280×1024@12 μm、150 K截止波長約2.22 μm的近短波紅外FPA[12]；2014開始展示了基于InAs/InAsSb SL的長波、甚長波和雙帶探測器[8,13]；基于功能強大設計靈活的M結構設計展示了在單個FPA像元上通過偏壓選擇實現(xiàn)雙帶集成探測的各種類型的雙帶FPAs,包括SW/MW、MW/LW和LW1/LW2陣列[13],也設計了基于T2SL的兩終端三帶集成探測的SWIR/MWIR/LWIR和150 K工作的e-SWIR/SWIR/MWIR光電探測器,根據(jù)偏壓幅度的改變可以連續(xù)地選擇三個單色通道分別進行探測。

表2 美國西北大學CQD二類超晶格發(fā)展概況表

圖2 美國西北大學CQD的SL FPA發(fā)展主要成果

2.3 美國JPL

美國噴氣推進實驗室(JPL)自90年代早期以來一直在積極開發(fā)III-V族紅外探測器用于遠程傳感和成像應用。其主要發(fā)展成果如表3和圖3所示。

圖3 JPL的SL FPA發(fā)展主要成果

表3 JPL二類超晶格發(fā)展概況表

在單元器件基礎上開發(fā)了pin型波長3.7 μm的1k×1k MWIR和12 μm 的256×256 SL。2009年,在FastFPA項目下JPL提出并成功展示了一個新的基于CBIRD結構的T2SL LWIR探測器,與RVS合作制備了9.9 μm的器件,80 K暗電流低至2.4×10-5A/cm2,RAeff=670 Ω·cm-2,RAeff靠近MCT的Rule07,其中無AR或鈍化的200×200 μm2和220×220 μm2單元[14]的暗電流密度小于1×10-5A/cm2(Vb=0.18 V),并且展示了波長9 μm 256×256和8.8 μm[14]、10 μm的320×256,10 μm和11.5 μm的1k×1k CBIRD FPA,由于其均勻穩(wěn)定、低暗電流增和高靈敏度的優(yōu)點正在被星載超光譜熱發(fā)射光譜儀(HyTES)采用來替代原來的QWIP探測器。

在室溫4.5 μm MWIR InAsSb nBn探測器[14]基礎上開發(fā)了用于ESTO InVEST項目下(6U)CubeSat紅外大氣探測(CIRAS)工程的關鍵技術:150 K約5.4 μm的HOT MWIR InAs/InAsSb BIRD T2SL[15]。制備了640×512@24 μm[16],互連到SBF193 ROIC并發(fā)給NASA進行實驗,可操作性99.7 %,NEDT沒有明顯的寬尾分布,顯示了卓越的均勻性。MWIR HOT-BIRD結構在2011年初被引入到VISTA項目中,加速了MWIR探測器的研發(fā)進程。InAs/InAsSb SL可達到InSb同樣截止波長但可工作于更高溫度以降低SWaP,可用于航空等低背景應用,但相比MCT仍具有高的G-R暗電流(由于更短的SRH壽命)[15-16],基于BIRD結構研制了12.5 μm、640×512的LWIR,-50 mV、60K下暗電流密度為2.6×10-5A/cm2,在ESTO SLI-T項目下,LWIR T2SL BIRD FPA也正在開發(fā)以滿足未來熱紅外(TIR)陸地成像的需求。

使用ICP干刻工藝獲得近乎垂直、各向異性和光滑的臺面邊墻LWIR CBIRD結構,ICP工藝增加了表面電阻,表面態(tài)密度降低3.8倍多,表面泄露降低7.4倍,暗電流改進2.5倍,占空比改進3.6倍,QE提高2.3倍。研究了nBn探測器的高溫開啟行為并分析了低溫下SL的暗電流；研究了T2SL材料的質量和光學性能；表征了LWIR SL的勢壘效應,研究了LWIR SL的噪聲(包括1/f噪聲和增益)、輻射、非輻射、SRH和俄歇復合過程對少子壽命的影響；研究了空穴有效質量和子帶分裂以及nBn紅外探測器中載流子輸運；研究了LWIR CBIRD結構的抗輻射性能[17],指出暗電流的改變是由于質子對靠近器件臺面邊墻的位錯損傷造成陷阱輔助隧穿而產(chǎn)生表面泄露。

為適用于未來地球科學成像和小衛(wèi)星任務,光譜成像和探測應用的LWIR FPAs必須增加工作溫度以降低制冷需求。在T2SL BIRD探測器基礎上采用共振像元技術[18](利用納米光子陷阱技術增強吸收來增加QE和降低暗電流)和高動態(tài)3D-ROIC(提高有效阱容量和延長積分時間)來提高信噪比和增加工作溫度,可以整體增加60 K以上的工作溫度。

2.4 美國QmagiQ

美國QmagiQ 2010年報道了截止波長～8.5 μm的320×256@30 μm InAs/GaSb SL[19](圖4),77K暗電流密度～10-5A/cm2,QE>5 %(2 μm吸收層),像元可操作性～96 %,NEDT≈25 mK,F/4.0；2012年展示了18 μm像元中心距截止波長9.5 μm的百萬像元1 k×1 k FPA,QE>50 %,NEDT=30 mK,77 K暗電流～2×10-4A/cm2,像元可操作性達96 %；展示了68K工作、11 μm 的320×256；正在向12 μm高產(chǎn)量商業(yè)化SLS FPA邁進。

圖4 Qmagiq的T2SL發(fā)展狀況

2.5 美國NRL

NRL和Teledyne Imaging Sensors(TIS)合作于2010年報道基于HSL和GGW結構的超晶格制備了截止波長分別為8.7 μm和11.1 μm的256×256@40 μm FPA(圖5(a),(b)),互連到TCM200F n/p直接注入型ROIC,FPA可操作性99.5 %(QE)和99.2 %(IV),工作溫度分別為78K和50K。

采用SEMI工藝(圖5(c)),小于0.5 μm的淺刻蝕,窄帶隙吸收層埋藏起來不受影響,顯著抑制了邊墻泄露電流；相比深刻蝕,有效動力學阻抗增大到兩倍,邊墻表面電阻率提升四倍；可以產(chǎn)生100 %的占空比并且鄰近像元不會產(chǎn)生明顯的串擾,展示了SEMI的優(yōu)勢。為分析和抑制缺陷的形成,NRL采用了XSTM,HXRD,EBIC,FIB,TEM和EDS等先進工具對缺陷進行分析。

圖5 NRL的截止波長8.7 μm 和11.1 μm的256×256@40 μm FPA及SEMI工藝

2.6 美國Teledyne

Teledyne與NRL合作也于2010年報道了78 K截止波長9.4 μm 的256×256@40 μm的FPA(圖6),QE～40 %,暗電流2～3×10-5A/cm2(135 mV),比最好的MCT小20個因子；并制備了78K 截止波長9.3 μm的1 k×1 k,暗電流～2×10-5A/cm2,QE～30 %；2018年報道了直徑0.25 mm和1 mm大單元HOT MWIR InAs/InAsSb T2SL[20],截止波長～5.5 μm,峰值響應率2.47 A/W,峰值QE=72 %(4.24 μm),工作溫度295 K,峰值D*=1.9×109Jones。

圖6 Teledyne的截止波長9.4 μm的256×256@40 μm FPA和HOT MWIR InAs/InAsSb單元器件

此外,Raytheon與JPL合作,于2006年首次報道了高質量截止波長10.5 μm、78 K工作的256×256@30 μm LWIR FPA(圖7)。

圖7 Raytheon的78 K工作10.5 μm截止波長的256×256@30 μm LWIR FPA

2.7 瑞典IRnova

瑞典IRnova從2014年開始制造InAs/GaSb MWIR T2SL。采用新穎的寬帶隙勢壘DH結構設計(如圖8),極大地降低了G-R暗電流,在2.4～12 μm(16 μm是其未來發(fā)展計劃)取得快速發(fā)展。制備了第一代MWIR 320×256@30 μm,成像質量穩(wěn)定,空間NETD為4 mK,溫度NETD為12 mK,f/2光學,8 ms積分時間。第二代640×512@15 μm的 MWIR正進入工業(yè)化階段,溫度和空間NETD分別為25 mK和10 mK,f/4,22 ms積分時間,可操作性99.85 %[21]。第二代的NETD和操作性可比于320×256,QE>55 %,120 K下暗電流密度<3×10-6A/cm2。采用FLIR indigo的ISC0403設計了新穎的杜瓦裝置IDDCAs(和QWIP相同),相機展示了穩(wěn)定的成像質量、可操作性、響應均勻性、穩(wěn)定性和NETD[22],NETD近似為20 mK,積分時間2～3 ms,60 Hz。

圖8 瑞典(IRnova)SL FPA發(fā)展成果

通過一整套模擬設計并結合標準III-V工藝設計制備了HOT 640×512@15 μm,分別為5.3 μm RED HOT(130 K)和4.2 μm的DEEP BLUE(150 K)。5.3 μm RED HOT的QE=80 %,F#4,110 K,展示了卓越的成像性能,溫度NETD為21 mK,空間NETD為7 mK,10 ms積分時間,可操作性>99.8 %,進一步改進設計可工作于130 K[23]。HOT SWaP IDDCA使用小的制冷器,小杜瓦,F/4光學,尺寸為48 mm×44 mm×98 mm,230 g,展示了卓越的性能,110 K的制冷時間為3 min,功耗3.2 W。進一步優(yōu)化,RED HOT設計將達到130 K,下一步將開展DEEP BLUE設計以進一步增加工作溫度和降低制冷限制。

采用相似的DH結構開發(fā)了地球空間應用的2.4 μm(77 K)低成本高質量SWIR探測器；研發(fā)了MW雙色T2SL紅外探測器；開發(fā)了截止波長12.2 μm的LWIR SL(3.2 μm吸收區(qū)),80 K下暗電流僅2倍高于MCT Rule07,QE超過30 %,更厚吸收區(qū)QE可達60 %；正在開發(fā)高QE和低暗電流大尺寸16 μm超晶格探測器以取代MCT用于天氣預報和大氣預警等空間應用,從12 μm開始,單元探測器暗電流僅比80 K的Rule07高2～3倍。下一步將制備14.5 μm到16.5 μm的FPA。另外,作為EU項目(MINERVA)的一部分,與XeniCs(提供ROICs)一起合作已開始開發(fā)高分辨率截止波長5.3 μm(120 K)和12 μm(100 K)的1280×1024 MWIR和LWIR FPAs用于醫(yī)療癌癥診斷。

2.8 以色列SCD

以色列SCD研制了稱為“Pelican-D LW”高性能640×512@15 um XBn/XBp型勢壘T2SL FPA探測器(圖9)并建立了T2SL生產(chǎn)線。采用高QE、接近MCT rule 07的低擴散電流“XBp”結構,QE=50 %,波長9.5 μm,77 K,具有高的可操作性和BLIP的性能及良好的穩(wěn)定性。定制的n-on-p極性D-ROIC遵循成熟的MWIR Pelican D-ROIC和IDCA配置,新的640×512@15 μm數(shù)字ROIC具有卓越的讀出噪聲、RNU、功耗、幀速和良好的均勻性。77 K平均暗電流為4.4×10-5A/cm2,比光電流小15倍,比標準n-on-p LWIR二極管(0.1 V偏壓)暗電流小20倍,10倍于Rule07。RNU小于0.02 %,可以維持幾小時穩(wěn)定成像(無需校正),RNU僅改變小于0.01 %,65 %占空比,6Me-電荷存儲,幀速F/2.7,360 Hz,有效幀速為30 Hz。90 K的BLIP工作溫度,QE幾乎恒定于50 %,靠近MCT 10 %；NEDT<15 mK,可操作性99.56 %,少子壽命約10 ns[24]。

圖9 以色列SCD的T2SL發(fā)展情況

此外,SCD基于模擬設計制備了具有無Ga生長優(yōu)勢的InAs/InSb/AlSb SWIR光電探測器平臺二極管,240K BLIP工作,波長靠近2.5 μm(2.2～2.5 μm),D*可比于其他T2SL eSWIR的結果,在InAs和AlSb之間使用InSb界面以改進應力平衡并拓展截止波長到3.3 μm,另外也報道了用MOCVD生長晶格匹配于InP的InGaAs/GaAsSb T2SL eSWIR二極管[25]。

2.9 日 本

圖10顯示了日本的T2SL發(fā)展規(guī)劃。2009年開始研發(fā)T2SL,為了實現(xiàn)截止波長15 μm的FPA(用于JAXA高靈敏VLWIR成像傅里葉光譜儀)[26],從6 μm InAs/GaSb T2SL開始并獲得了較高的性能。使用Te 摻GaSb襯底(6 μm以下具有高透過性)、pBiBn結構制備了高性能截止波長6 μm的320×256@30 μm T2SL FPA。77 K暗電流4×10-7A/cm2,-20 mV,QE=0.35,D*=4.1×1012cm·Hz1/2/W,互連到商業(yè)ROIC,77 K、F/2.3光學的NEDT為31 mK,可操作性為99 %[27-28]。

圖10 日本T2SL發(fā)展狀況

然后使用InAs/GaInSb進一步提高QE和降低暗電流來設計VLWIR T2SL。首先制造了波長15 μm的320×256@30 μm(QVGA格式)的InAs/GaInSb T2SL FPA,接著開發(fā)了大面陣640×512@15 μm(VGA格式)的T2SL FPA。結構差別在于ROIC的輸入極性(QVGA面陣T2SL FPAs為n-on-p型FLIR ISC0903,VGA面陣為p-on-n型FLIR ISC0403)。評估對比發(fā)現(xiàn)T2SL SWIR相機在OH夜光照射下具有比InGaAs相機更大SRN比[29]。

3 國內超晶格進展概況

表4大致列出了近幾年國內II類超晶格FPA的進展情況。主要聚焦于中波、長波和中/長波雙色,工作溫度在60～80 K,半導體所開發(fā)160 K工作的320×256,在FPA面陣規(guī)格上是上海技物所開發(fā)了截止波長10 μm的1 k×1 k；武漢高德、上海技物所和半導體所也均開發(fā)出了不同規(guī)格陣列的中/長波雙色；中國電科十一所也進行了中波、長波和中/長波雙色T2SL材料的生長器件工藝研發(fā)和組件制備工作。與國外相比,國內的T2SL FPA發(fā)展部分性能參數(shù)接近國際水平,但從SL發(fā)展的成熟度和多樣性尤其是距離商業(yè)化規(guī)模發(fā)展還有很大的發(fā)展空間。

表4 國內二類超晶格發(fā)展概況表

4 超晶格技術發(fā)展的VISTA計劃

為增強美國的軍事實力、滿足軍方對更先進、低成本高性能紅外傳感器的需求,由美國國防部資助、夜視和電子傳感器總局(NVESD)領導制定了一個為期5年(2011—2016年)的 “重要紅外傳感器技術加速”(Vital Infrared Sensor Technology Acceleration,VISTA)計劃。

VISTA計劃采用國家組織研究團隊的方法,把來自美國聯(lián)邦資助的研發(fā)中心和政府首腦以及美國紅外界有能力的工程師聚集在一起,共同研究銻基II類超晶格技術。這種模式非常成功,也吸引了其他相關項目加入到VISTA計劃中。美國國防部最大的紅外技術實驗室匯集了管理該項目所需的專家,并組織三軍、導彈防御局和美國國防部高級研究計劃局(DARPA)等來指導計劃的發(fā)展。美國的噴氣推進實驗室(JPL)作為美國國防部信任的合作伙伴之一,負責II類超晶格材料結構的設計并領導整個研究計劃。JPL組織休斯研究實驗室(HRL)、雷聲公司(Raytheon)、L3通訊公司、洛克希德·馬丁公司、泰利迪公司(Teledyne)、BAE系統(tǒng)公司、菲力爾系統(tǒng)公司(FLIR Systems)、DRS公司等8大企業(yè)組成行業(yè)聯(lián)盟來進行這項研究工作。

VISTA計劃沒有采用傳統(tǒng)的垂直(或縱向)集成模型,而是開發(fā)了水平(或橫向)集成模型,避免這些公司中的任何一家壟斷了其中一個重要步驟而導致整個產(chǎn)業(yè)鏈條失控的情況發(fā)生。在VISTA計劃的整個研究過程中,各參與單位采用相同的材料結構、相同的材料生長技術和相同的讀出電路,做自己的研究工作,每個季度進行一次問題查擺和審查。采用這種研究模式在較短時間內開發(fā)出很多產(chǎn)品。由于有良好的III-V族半導體工業(yè)基礎,VISTA計劃從襯底到材料生長、再到焦平面制造節(jié)約了大量成本,壓縮了發(fā)展時間線,美國國防部對VISTA計劃的投資還不到1億美元。

經(jīng)過5年時間,VISTA計劃順利取得巨大成功。實現(xiàn)了大面陣、小像元尺寸MW、LW和MW/LW III-V族Sb基T2SL以及D-ROIC的發(fā)展。建立了兩家大型GaSb襯底產(chǎn)業(yè)基地——IQE公司和IET公司,很好地支持以GaSb為基礎的紅外探測器產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。IQE公司在研制5 in以上(最大8 in)大尺寸GaSb襯底生長技術,標準尺寸為4 in；5 in小規(guī)模生產(chǎn)；IET公司生產(chǎn)2～5 in外延型GaSb襯底,6 in正在開發(fā)。VISTA計劃結束后展出了包括大尺寸GaSb襯底等20多款Sb基T2SL產(chǎn)品,還展出了制成的相機產(chǎn)品,重約10磅,壽命為10年。展現(xiàn)出低成本、高產(chǎn)量、高均勻性、高像元合格率、高穩(wěn)定性以及高性能、小尺寸、輕重量和低功耗(SWaP)等很多優(yōu)勢。VISTA計劃及發(fā)展情況如圖11,主要研究成果列于表5。

圖11 美國VISTA計劃發(fā)展狀況及主要成果展示

表5 美國VISTA計劃取得的成就

VISTA計劃之后,部分公司繼續(xù)在聯(lián)盟中保持合作關系,JPL又組織成立了新的行業(yè)聯(lián)盟,其中包括IQE公司、IET公司、L3公司、FLIR公司、洛克希德·馬丁公司(LMC)公司、諾斯羅普·格魯曼公司(NGC)、雷聲公司等,進行另一個5年(2017—2021年)的研發(fā)工作。VISTA后續(xù)計劃目標是改進技術并開發(fā)新的產(chǎn)品,如中波/中波、短波/中波紅外焦平面陣列等。

5 結 論

本文簡單歸納整理了德國、美國(CQD、JPL、QmaiQ、NRL、Teledyne和Raytheon)、瑞典(IRnova)、以色列SCD和日本等國外主要機構的II類超晶格研究成果以及國內的發(fā)展現(xiàn)狀；美國VISTA計劃的成功實施和技術突破進一步加速推動了II類超晶格紅外探測技術走向現(xiàn)實。雖然目前和今年較長時間內MCT FPA技術仍然是市場主流,但是T2SL技術在整體系統(tǒng)性能和成本上可以挑戰(zhàn)MCT,T2SL技術將在紅外應用領域全方位替代MCT技術的優(yōu)勢已經(jīng)越來越清晰。與國外相比,國內T2SL技術的發(fā)展已經(jīng)具有一些技術基礎,但距離產(chǎn)業(yè)化推廣應用還有一定的差距,可以借鑒國外的先進理論和技術經(jīng)驗并結合具體實際工藝逐步取得突破。