基于InAs/GaSb二類超晶格的中/長波雙色紅外探測器

孫姚耀 韓璽 呂粵希 郭春妍 郝宏玥 蔣志 蔣洞微 王國偉 徐應(yīng)強 牛智川

摘要： InAs/GaSb二類超晶格是一種通過在納米尺寸上交替生長周期性異質(zhì)結(jié)而構(gòu)造的人工體材料， 其有效帶隙可以覆蓋40～400 meV。 該量子體系材料不僅具有良好的均勻性， 還擁有出色的光學(xué)特性， 其電子有效質(zhì)量高、 光吸收系數(shù)大、 量子效率高， 已經(jīng)成為第三代紅外焦平面探測器的熱門材料。 本文利用分子束外延技術(shù)生長了背靠背勢壘型中/長波雙色紅外探測器材料， 通過標(biāo)準(zhǔn)工藝和陽極硫化技術(shù)， 成功制備雙波段NMπP-PπMN型紅外探測器。 在77 K， 中波峰值量子效率為32%， 長波峰值量子效率為27%， 50%截止波長分別為4.7 μm和7.9 μm。 中波信號在+2 V偏壓下飽和， 暗電流密度為0.06 A/cm2， 長波信號在-1.4 V偏壓下飽和， 暗電流密度為8.7 A/cm2。

關(guān)鍵詞： InAs/GaSb超晶格； 分子束外延； 中/長波雙色； 紅外探測器

中圖分類號： TN215文獻標(biāo)識碼： A文章編號： 1673-5048（2018）02-0056-040引言

為了提高在復(fù)雜環(huán)境中的識別能力， 要求第三代紅外成像系統(tǒng)具有多波段探測和高分辨率的能力。 相比于單色器件， 覆蓋不同大氣窗口的雙色紅外探測由于器件具有更好的信號對比度， 可以提供更高的識別能力[1]。 并且， 雙色成像系統(tǒng)在軍用和民用領(lǐng)域有很大需求， 比如紅外夜視系統(tǒng)、 化學(xué)診斷、 目標(biāo)識別、 導(dǎo)彈跟蹤等。

傳統(tǒng)的紅外探測器材料有量子阱材料體系和碲鎘汞材料體系， 兩者同樣具有調(diào)節(jié)波長的能力， 已經(jīng)被證實可以實現(xiàn)多波段的紅外探測[2-4]。 但是量子阱體系存在量子效率低的問題， 碲鎘汞體系在長波波段由于帶隙對鎘組分十分敏感而存在均勻性差的問題[5]。 相比之下， 銻化物Ⅱ類超晶格由于其優(yōu)異的光學(xué)特性以及極好的材料均勻性， 適合制作大面陣焦平面探測器， 逐漸成為第三代紅外探測領(lǐng)域的熱門材料。 InAs/GaSb超晶格通過調(diào)整周期結(jié)構(gòu)， 改變材料的相對厚度， 可以使截止波長覆蓋2.7～30 μm紅外波段， 有利于滿足多色探測的需求[6]。 同時， InAs/GaSb超晶格還具有特殊的Ⅱ型能帶結(jié)構(gòu)， 具有量子效率高、 電子有效質(zhì)量大、 微帶可調(diào)等優(yōu)勢[7-8]。 另外， 同為6.1 的AlSb材料， 也極大地豐富了器件結(jié)構(gòu)設(shè)計， 可以在設(shè)計中方便地加入勢壘結(jié)構(gòu)， 提高器件的工作溫度與光學(xué)特性[9]。

收稿日期： 2017-04-05

基金項目： 國家自然科學(xué)基金項目（61290303）； 航空科學(xué)基金實驗室類項目（20142436003）； 科技部重點研發(fā)計劃（2016YFB0402403）

作者簡介： 孫姚耀（1991-）， 男， 江蘇新沂人， 博士研究生， 研究方向是銻化物材料及紅外器件。

引用格式： 孫姚耀， 韓璽， 呂粵希， 等. 基于InAs/GaSb二類超晶格的中/長波雙色紅外探測器[ J]. 航空兵器， 2018（ 2）： 56-59.

Sun Yaoyao， Han Xi， Lü Yuexi， et al. Performance of DualColor Mid/LongWavelength Infrared Detectors Based on TypeⅡ InAs/GaSb Superlattice[ J]. Aero Weaponry， 2018（ 2）： 56-59.（ in Chinese）本文介紹了InAs/GaSb超晶格中/長波雙色單元器件的器件結(jié)構(gòu)與外延技術(shù)， 分析了M型勢壘結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢， 采用標(biāo)準(zhǔn)工藝流程和陽極硫化技術(shù)， 制備了中/長波紅外探測器， 并對其性能進行了分析表征。

1材料外延與結(jié)構(gòu)

本文使用的中/長波雙色紅外器件由Veeco Mod Gen Ⅱ固態(tài)源分子束外延系統(tǒng)生長制備， 如圖1所示。 器件由兩個背靠背的PπMN結(jié)組成， 中間用P型摻雜的GaSb低溫層隔開， 底層為GaSb緩沖層。 GaSb緩沖層用來隔離器件與被污染的襯底表面， 為器件提供平滑的生長界面并減少宏觀缺陷密度。 隨后， 在正入射的情況下， 為了避免長波通道對中波信號的吸收， 窄帶隙的長波通道先于寬帶隙的中波通道生長[10]。 長波吸收區(qū)采用14/7 MLs InAs/GaSb周期結(jié)構(gòu)和0.52 MLs InSb應(yīng)力界面， 勢壘區(qū)M層采用18/3/5/3 MLs InAs/GaSb/AlSb/GaSb周期結(jié)構(gòu)和0.6 MLs InSb應(yīng)力界面。 中間采用GaSb低溫層隔開兩個通道。 隨后， 中波吸收區(qū)采用8/8 MLs InAs /GaSb周期結(jié)構(gòu)， 勢壘區(qū)M層采用10/1/5/1 MLs InAs/GaSb/AlSb/GaSb周期結(jié)構(gòu)和0.6 MLs InSb應(yīng)力界面。 最后， 器件被覆蓋22 nm的InAs N+接觸層。

圖1器件結(jié)構(gòu)圖

Fig.1The schematic diagram of the device

航空兵器2018年第2期孫姚耀， 等： 基于InAs/GaSb二類超晶格的中/長波雙色紅外探測器器件中涉及的M結(jié)構(gòu)是通過在二元InAs/GaSb超晶格中插入AlSb層來實現(xiàn)的。 首先， 這種方法繼承了Ⅱ類超晶格通過減少帶隙與子帶間的共振來消除俄歇復(fù)合的優(yōu)點。 其次， AlSb相比于InAs和GaSb具有更寬的帶隙， 可以同時充當(dāng)導(dǎo)帶電子和價帶空穴的勢壘， 從而達(dá)到減小暗電流和提高RA的效果。 然后， 相比于更復(fù)雜的InAs/InGaSb， InAs/InAsSb等超晶格而言， 該M結(jié)構(gòu)各個組分都是二元的， 而且晶格常數(shù)相近， 對生長溫度和五三比的要求稍微簡單， 在生長控制上更容易實現(xiàn)。 最后， 通過移動AlSb組分的相對位置和改變其厚度， 可以更加靈活地調(diào)整能帶， 極大地豐富了能帶結(jié)構(gòu)設(shè)計。 長波波段M型勢壘的結(jié)構(gòu)設(shè)計和能帶模擬如圖2所示。 針對13/7 MLs InAs/GaSb周期結(jié)構(gòu)的長波吸收區(qū)， 18/1/8/2 MLs InAs/GaSb/AlSb/GaSb周期結(jié)構(gòu)的勢壘層能帶模擬結(jié)果顯示， 吸收區(qū)和勢壘區(qū)的導(dǎo)帶基本保持持平， 帶階小于7 meV， 在不影響光生載流子運輸?shù)那闆r下， 價帶帶階達(dá)到155 meV， 形成了有效的空穴勢壘， 不僅抑制了擴散電流和隧穿電流， 而且由于壓降主要落在寬帶隙區(qū)域， 也極大地抑制了產(chǎn)生復(fù)合電流。 同時， 勢壘區(qū)電子有效質(zhì)量為0.049 5m0， 重空穴有效質(zhì)量達(dá)到-28.99m0， 從而達(dá)到優(yōu)化器件電學(xué)性能和提高工作溫度的目的。

圖2長波M型勢壘結(jié)構(gòu)設(shè)計

Fig.2The Mbarrier design in longwavelength structure

2器件制備

器件經(jīng)過清洗處理后， 使用PECVD（等離子體化學(xué)氣相沉積）生長SiO2硬掩膜。 經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)紫外光刻后， 多余的SiO2被刻蝕掉。 隨后， 采用ICP（電感耦合等離子體）刻蝕， 使用CH4/Cl4/Ar2混合氣體刻蝕出臺面， 底部刻蝕到GaSb緩沖層。 在多余的SiO2硬掩膜被去除之后， 使用陽極硫化工藝來飽和器件側(cè)壁表面懸掛鍵[11]， 并接著用磁控濺射生長200 nm SiO2作為物理保護[12]。 在第二次光刻后， 使用ICP對SiO2進行開孔， 最后使用電子束蒸發(fā)Ti（500 ）/Pt（500 ）/Au（3 000 ）形成歐姆接觸， 經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)剝離工藝后， 完成電極圖形[13]。

3器件表征

器件未經(jīng)反射膜處理， 先封裝在一個獨立管腳上， 然后裝入定制的液氮杜瓦瓶中進行冷卻測試。 器件在77 K溫度下的歸一化光譜響應(yīng)圖如圖3所示。 該光譜是將制備的器件作為傅里葉光譜儀（FTIR）的外置探測器， 并由DTGS標(biāo)準(zhǔn)探測器校準(zhǔn)得到。 可以看出， 中波波段和長波波段的50%截止波長分別為4.7 μm和7.9 μm。 77 K下器件的暗電流密度和RA曲線圖如圖4所示。 在+2 V偏壓下， 中波信號飽和， 暗電流密度為0.06 A/cm2， RA為142.8 Ω/cm2。 在-1.3 V偏壓下， 長波信號飽和， 暗電流密度為8.7 A/cm2， RA為0.06 Ω/cm2。

77 K量子效率與偏壓和波長的關(guān)系如圖5所示。 對于中波波段， 峰值量子效率為4.2 μm處的32%， 長波峰值量子效率為7.4 μm處的27%。 值得一提的是， 在先前工作中， 單色長波勢壘型單元器件已經(jīng)獲得最優(yōu)摻雜條件， 響應(yīng)不呈現(xiàn)偏壓特性。 而雙色器件結(jié)果表明兩個波段都需要較大的工作電壓， 說明目前中波勢壘型結(jié)構(gòu)的摻雜框架并不足以彌補中波通道吸收區(qū)與勢壘區(qū)的導(dǎo)帶帶階[14]， 帶階勢壘阻礙了中波和長波光生載流子的導(dǎo)出。 所以， 中波吸收區(qū)和勢壘區(qū)的摻雜框架仍有待后續(xù)優(yōu)化。

圖377 K溫度下歸一化光譜

Fig.3Normalized response spectrum

at 77 K圖4暗電流密度和RA曲線圖

Fig.4Dark current density and RA curve

圖5量子效率與波長和偏壓的關(guān)系

Fig.5Quantum efficiency vs wavelength

and applied bias voltage為了進一步量化雙色紅外器件的光學(xué)串?dāng)_[15]， 定義參數(shù)S：

SLW channel=QEL4.2 μmQEL7.4 μmSMW channel=QEM7.4 μmQEM4.2 μm

其中：QEM7.4 μm， QEM4.2 μm， QEL7.4 μm， QEL4.2 μm， 分別為中波通道和長波通道在7.4 μm和4.2 μm處的量子效率。 可以算出， 中波的選擇比為0， 而長波的選擇比為0.35。 長波的選擇比較高的原因是因為長波具有較寬的吸收譜， 而且上層的中波通道量子效率并不高， 無法完全吸收入射的中波信號， 導(dǎo)致部分中波信號被長波通道吸收。

4結(jié)論

采用分子束外延技術(shù)， 在GaSb襯底上生長了InAs/GaSb超晶格中/長波雙色紅外材料。 利用標(biāo)準(zhǔn)工藝流程和陽極硫化技術(shù)， 制備了50%截止波長分別為4.7 μm和7.9 μm中/長波雙色紅外單元探測器， 峰值量子效率分別為32%和27%， 證實了InAs/GaSb超晶格是可供選擇的多波段探測器材料。 從單元器件量子效率與偏壓的關(guān)系， 可以看出器件需要較大的工作電壓， 說明中波的勢壘區(qū)設(shè)計與摻雜框架仍有待優(yōu)化。

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Performance of DualColor Mid/LongWavelength Infrared Detectors

Based on TypeⅡ InAs/GaSb Superlattice

Sun Yaoyao， Han Xi， Lü Yuexi， Guo Chunyan， Hao Hongyue， Jiang Zhi，

Jiang Dongwei， Wang Guowei， Xu Yingqiang， Niu Zhichuan

（State Key Laboratory of Superlattices and Microstructures， Institute of Semiconductors，

Chinese Academy of Sciences， Beijing 100083， China）

Abstract： InAs/GaSb typeⅡsuperlattice is an artificial material with alternating growth periodic heterojunction at nanometer size， and the effective band gap can cover from 40 meV to 400meV. It has been regarded as a promising material system for third generation infrared detectors on account of its high uniformity and superior optical property， such as large electron effective mass， large absorption coefficient and high quantum efficiency. In this work， backtoback dualcolor mid/longwavelength infrared detector material are grown by the molecular beam epitaxy （MBE） technology. The dualband NMπPPπMN infrard detector is successfully prepared by standard process and anode sulfuration technology. At 77 K， two channels present peak quantum efficiencies of 32% and 27% with respective 50% cutoff wavelengths of 4.7μm and 7.9μm. The midchannel saturates at +2V and the dark current density is 0.06 A/cm2， while the longchannel saturates at 1.4V and the dark current density is 8.7A/cm2.

Key words： InAs/GaSb superlattice； MBE； dualcolor mid/longwavelength； infrared detector