中波InAs/GaSb超晶格红外焦平面探测器

向 伟，王国伟，徐应强，郝宏玥，蒋洞微，任正伟，贺振宏，牛智川

(中国科学院半导体研究所，北京 100083)

0 引 言

基于GaSb 基的材料，包括InAs，GaSb，AlSb可以灵活地设计成各种新型材料及器件，在近年来受到了广泛的重视。尤其是InAs/GaSb 超晶格具有独特的II 型能带结构，在制作高性能红外探测器方面具有很大的潜力［1］。通过改变超晶格中每个周期的InAs 或GaSb 的厚度，可以使超晶格吸收截止波长覆盖2.7 ～30 μm 的红外波段，有利于实现多光谱探测的需求，同时其探测性能可以与碲镉汞探测器(MCT)相比拟［2］。由于灵活的材料体系，可以在器件结构中很方便地加入势垒层，提高器件工作温度和减小暗电流［3］。与MCT 相比，MBE外延的InAs/GaSb 材料具有非常好的均匀性，非常适合制作大面阵焦平面探测器［4-5］。

超晶格探测器的性能与材料生长质量有很大的关系，尤其是InAs 和GaSb 的界面，对外延参数有很苛刻的要求［6］。本文介绍了中波段InAs/GaSb超晶格材料的优化及表征，分析了不同界面对超晶格质量的影响。采用优化的生长条件，制备了中波红外单元器件并分析表征。最后成功制作了320×256 红外焦平面器件。

1 材料外延及分析

由于InAs/GaSb 超晶格的两种材料不共用原子，因此材料的界面有GaAs 和InSb 两种。界面质量对材料的性能至关重要，良好的界面表现为界面平整，可平衡材料的应力，并减少两种材料中元素的互混。InAs 和GaSb 有0.6%的晶格失配，如果不调整应力，生长一定厚度后超晶格会发生弛豫，产生大量的位错，从而大大影响超晶格的性能。在生长过程中，As 和Sb 可分别互混到GaSb和InAs 中。对于不同厚度的材料，其最优的界面生长方式不同。界面生长的方法有许多种［7］，主要有生长中断法［8］、表面迁移率增强法［9］，以及五族元素浸润法［10］等。本文采用了生长中断法和表面迁移率增强(MEE)法。

InAs/GaSb 超晶格材料由Veeco Gen II 分子束外延系统外延在n 型GaSb(001)衬底上。外延过程为:先在衬底上外延0.25 μm 的GaSb 缓冲层，然后将衬底温度降至超晶格的生长温度，生长100 周期的超晶格。

生长中断法是在生长完超晶格中的8个原子层的InAs 以后，中断生长，让InAs 表面的As 尽量地挥发，然后生长短时间的InSb 界面，接着生长8个原子层的GaSb，中断后又开始生长下一个周期的InAs，以此循环。通过变化中断时间和InSb 界面生长时间可以调整材料的应力。

表面迁移率增强(MEE)法是在生长完InAs后，分别In 浸润和Sb 浸润一段时间再生长GaSb。GaSb 生长完后采用与中断法相同的中断一段时间后再生长InAs 的方法。这种方法主要通过修改In和Sb 的浸润时间来调整应力。

为消除应力的影响，两种试验片均调整好应力，从两个样品的(004)ω-2θ 高分辨X 射线衍射(HRXRD)图像(图1)可以看出，两个样品超晶格0 级峰均与GaSb 衬底峰基本重合，应力小于100 ppm，说明超晶格与衬底晶格匹配。

表1 为两种界面生长方式的测试结果，从两个材料的半峰宽可以看到，采用生长中断法的材料质量好于MEE 法生长的材料质量。用原子力显微镜测试两样品10 μm×10 μm 的RMS，也显示出生长中断法的表面更平整，如图2 所示。

图1 生长中断法和MEE 法生长的超晶格材料HRXRD 图

表1 两种界面生长方式的测试结果

图2 生长中断法和MEE 法生长的超晶格材料原子力显微镜图像

对于长波超晶格材料，文献报道MEE 法优于生长中断法［11］。这可能是由于在中波超晶格的生长过程中，为了平衡应力，界面所需的InSb 非常少。在MEE 法中，In 浸润仅生长了0.4个原子层的In，在随后的Sb 长时间浸润时，无法阻止Sb 互混到InAs 中，导致材料性质更差。而在生长中断法中，InSb 生长时间非常短，原子互混少。

2 单元器件工艺及性能分析

采用优化后的中波超晶格的外延参数，生长了PIN 型超晶格红外探测器，吸收区为2 μm，器件结构如图3 所示。

由此制作了400 μm×400 μm 的方形台面单元器件。台面采用磷酸、柠檬酸、双氧水混合腐蚀液腐蚀，之后阳极硫化电镀30 nm 的钝化膜以饱和侧壁的悬挂键，紧接着反应磁控溅射生长200 nm 的SiO2用于物理保护，光刻后用NH3F 和HF 混合溶液开孔，最后电子束蒸发生长上下电极Ti(50 nm)/ Pt(50 nm)/Au(300 nm)，然后剥离形成电极图形。

图3 中波PIN 超晶格红外探测器结构

器件经无反射膜处理，最后装入液氮杜瓦瓶内测试分析，图4 为单元器件的响应谱和微分电阻曲线图。由图知，探测器的R0A 值达到3 108 Ω·cm2，响应截止波长5 μm，在3.3 μm 处量子效率53%，探测率2.14 ×1012cm·Hz1/2/W。

图4 单元器件的响应谱和微分电阻

3 焦平面器件

用相同的中波材料结构制作了320 ×256 元的中波红外焦平面探测器，ICP 刻蚀30 μm ×30 μm大小的台面，采用与单管相同的钝化工艺，之后采用倒装焊工艺用In 柱连接焦平面器件和读出集成电路(ROIC)，最后将GaSb 衬底减薄后进行测试。

测试结果焦平面的探测率为1.58 ×109cm·Hz1/2/W，NETD 97.2mK，盲元率12%。最终成像结果如图5 所示。由于焦平面工艺的复杂性，其性能与单元器件有很大差距，随着工艺的水平提高，以后焦平面的性能会大大地提升。

图5 320 ×256 元中波红外焦平面成像

4 结 论

采用分子束外延在GaSb 衬底上生长了高质量的中波段InAs/GaSb 超晶格红外探测器材料，对比表明:对于中波超晶格材料，生长中断法优于表面迁移率增强法，超晶格与衬底失配小于1 ×10-4，100 周期超晶格的HRXRD 图像的1 级峰半峰宽38 arcsec。2 μm 的吸收区的中波红外单元器件在3.3 μm 处的量子效率53%，探测率2.14 ×1012cm·Hz1/2/W。320 ×256 元的焦平面器件的NETD 97.2 mK，盲元率为12%。从单元器件的性能来看，焦平面的工艺水平还有待提高。

［1］Grein C H ，Young P M ，Flatté M E，et al. Long Wavelength InAs/GaSb Infrared Detectors:Optimization of Carrier Lifetimes［J］. Journal of Applied Physics ，1995，78(12):7143 –7152.

［2］Rogalski A. Material Considerations for Third Generation Infrared Photon Detectors［J］. Infrared Physics and Technology，2007，50(2 -3):240 –252.

［3］Abdollahi P S，Huang E K，Chen G，et al. High Operating Temperature Midwave Infrared Photodiodes and Focal Plane Arrays Based on Type-II InAs/GaSb Superlattices［J］. Applied Physics Letters，2011，98(14).

［4］Gunapala S D，Ting D Z，Hill C J，et al. 1k×1k Long-Wave and Mid-Wave Superlattice Infrared Focal Plane Arrays［C］∥Proceeding of SPIE 7808，Infrared Remote Sensing and Instrumentation XVIII，2010.

［5］Hood A，Evans A J，Ikhlassi A，et al. LWIR High Performance Focal Plane Arrays Based on Type II Strained Layer Superlattice Materials ［C］∥Proceeding of SPIE 7660，Infrared Technology and Applications XXXVI，2010.

［6］Wei Y J，Razeghi M. Modeling of Type-II InAs/GaSb Superlattices Using an Empirical Tight-Binding Method and Interface Engineering［J］. Physical Review B，2004，69(8).

［7］Haugan H J，Brown G J，Grazulis L. Effect of Interfacial Formation on the Properties of very Long Wavelength Infrared InAs/GaSb Superlattices［J］. Journal of Vacuum Science ＆ Technology B，2011，29(3).

［8］Rodriguez J B，Christol P，Cerutti L，et al. MBE Growth and Characterization of Type-II InAs/GaSb Superlattices for Mid-Infrared Detection ［J］. Journal Crystal Growth，2005，274(1 -2):6 -13.

［9］Sullivan G J，Ikhlassi A，Bergman J，et al. Molecular Beam Epitaxy Growth of High Quantum Efficiency InAs/GaSb Superlattice Detectors［C］∥Proceedings of the 22nd Meeting of the North American Conference on Molecular Beam Epitaxy(NAMBE 2004)，Banff，Canada，2005.

［10］Khoshakhlagh A，Plis E，Myers S，et al. Optimization of InAs/GaSb Type-II Superlattice Interfaces for Long -Wave (～8μm)Infrared Detection［J］. Journal Crystal Growth，2009，311(7):1901 -1904.

［11］王国伟，牛智川，徐应强，等.长波段InAs/GaSb 超晶格材料的分子束外延研究［J］. 航空兵器，2013(2).