硅基BIB红外探测器研究进展

马兴招，唐利斌，张玉平，左文彬，王善力，姬荣斌

〈综述与评论〉

硅基BIB红外探测器研究进展

马兴招1,2,3，唐利斌1,3，张玉平1,3，左文彬1,3，王善力1，姬荣斌1

（1. 昆明物理研究所，云南 昆明 650223；2. 云南大学 材料与能源学院，云南 昆明 650500；3. 云南省先进光电材料与器件重点实验室，云南 昆明 650223）

以锗基和硅基为主的阻挡杂质带（blocked impurity band，BIB）红外探测器的兴起有力推进了红外天文学的快速发展，其中硅基BIB红外探测器在特定波长的航天航空领域有着不可替代的地位。国外对硅基BIB红外探测器的研究已有40多年，以美国航空航天局（NASA）为主的科研机构已经实现了硅基BIB红外探测器在天文领域的诸多应用，而国内对硅基BIB红外探测器的研究尚处于起步阶段。本文首先阐述了硅基BIB红外探测器的工作原理，然后简单概述了器件结构和制备工艺，并对不同类型的硅基BIB探测器的性能进行了对比分析，之后介绍了其在天文探测中的应用，最后对硅基BIB红外探测器未来的发展进行了展望。

硅基阻挡杂质带；红外探测器；天文探测

0 引言

20世纪的两次世界大战有力促进目标探测技术的发展，使其实现了从可见光到γ射线、X射线、紫外线、红外线和微波等全新观测波段的跨越。太空中的许多物体几乎都会以红外波长发射其能量，并且在可见光下是不可见的。在某些情况下，由气体和尘埃组成的天体云阻挡了更遥远的物体发出的可见光，但红外能量可以穿透这些云层。基于这两种前提，了解太空中物质的有效方法就是研究它们发出的红外光。红外天文探测技术对于追溯宇宙的形成与演化、探测暗物质和暗能量、探索恒星和星系的形成与演化、演算恒星的质量损失和恒星数量、寻找未知星球以及地外生命来说至关重要。

红外探测器作为红外天文观测设备的核心部件，其发展的程度决定着红外天文学的兴衰[1]。红外探测器阵列在天文学中的使用约始于20世纪80年代，经过40多年的发展，天基和地基的红外探测器越来越能适应低光学通量和低信号等级的天文深空探测的环境。目前，主流天文用红外探测器在5mm以下的波段探测是采用HgCdTe（mercury cadmium telluride，MCT）或InSb红外焦平面探测器，而5mm以上的波段探测是采用阻挡杂质带（blocked impurity band, BIB）红外焦平面探测器。

阻挡杂质带探测器亦称杂质带电导（impurity band conduction, IBC）型探测器，可探测波长覆盖5～300mm，被用于各种大型天基和地基探测平台，大大提高了人类探测未知宇宙的能力，促进了红外天文和相关科学探索的实施[2]。硅基BIB红外探测器具有量子效率高、积分时间长、读出噪声低、暗电流低以及抗辐射能力强等优点，相对于MCT探测器，BIB探测器具有更优异的像素可操作性、响应均匀性和稳定性。图1对硅基BIB红外探测器和其他类型红外探测器的探测波长范围和工作温度进行了比较，结果表明硅基BIB探测器在特定条件的航天工程中具有不可替代的地位。美、日、欧等发达国家已将砷掺杂硅（Si:As）、锑掺杂硅（Si:Sb）和镓掺杂硅（Si:Ga）等硅基BIB探测器用于红外天文探测，其中Si:As BIB探测器在航天航空中的应用最为广泛，起源太空望远镜技术计划（The Origins Space Telescope Technology Plan）也将Si:As BIB阵列纳入其发展规划中[3]。我国的硅基BIB红外探测器的发展尚处于研究起步阶段，尚未实现硅基BIB探测器在天文卫星上的使用。

图1 硅基BIB红外探测器与其他类型红外探测器的探测波长范围及工作温度比较

1 硅基BIB红外探测器的工作原理

1.1 非本征硅光电导探测器的工作原理

本征硅对于波长为1.1mm以上的光的吸收几乎为零，而非本征硅则可以有效拓宽硅基红外探测器的光谱响应范围[4-6]。这主要是由于非本征硅中的杂质带的引入会将带隙分成两部分，相当于变相减少了硅的禁带宽度，从而带来亚能带光吸收增强的作用[7-8]。图2(a)可以解释中间带增强红外吸收和提高响应的机理。杂质带结构可以起到类似于“阶梯”的作用，先吸收一些能量低于带隙能量但高于中间带的较弱光子，载流子将会被激发到中间能带上，然后再吸收另一个能量较低的弱光子，从而将载流子进一步激发到硅的导带上。这样一来，原本吸收一个高能量光子的过程，变为吸收两个波长更长的低能光子，从而实现了对硅材料吸收波长限制的突破，提高了量子效率[9-10]。非本征硅的出现打破了本征硅吸收波长的限制，极大促进了航天用硅基红外探测器的发展。然而，传统的非本征硅光电导（extrinsic silicon photo-conduction，ESPC）红外探测器在航天应用上也遇到一些困难，主要是在空间环境核辐射条件下的响应不稳定。要减少核辐射就要减小探测器芯片的厚度，这会使得器件的量子效率降低。要保持高量子效率通常需要提高吸收杂质的掺杂浓度，而这又会引起暗电流的增加和光电导增益的降低等问题。此外，极高的掺杂浓度会使得杂质带效应更加显著，“跳跃电导”引起的噪声进一步增加，严重影响探测器的性能[11]。

1.2 BIB探测器的工作原理

BIB探测器巧妙地利用重掺杂半导体材料中杂质带内的跳跃导电机制，在两平行电极之间夹了一层高掺杂吸收层和一层本征的或者低掺杂的阻挡层。所以，BIB探测器不仅能像传统的ESPC探测器一样实现带隙中杂质能级的光激发，而且能够收集两种载流子，即连续介质中的载流子和“跳跃”杂质带中的载流子，这一特性极大地降低了探测器的复合噪声，使得BIB探测器更适合应用于航天场景，较理想地解决了传统的ESPC探测器的问题。由于阻挡层的存在，BIB探测器的工作原理不遵循传统的光导体模型，它们的行为更接近反偏光电二极管，不同点是BIB探测器的电子的光激发发生在施主杂质和导电带之间。尽管红外吸收层是进行了n型重掺杂的，但仍然存在极低浓度的残余受主杂质。在热平衡条件下，这些残余受主杂质将全部电离。在未施加外加电场时，为了满足整体电中性的条件，则要求存在相同浓度的电离施主。而进行了重掺杂的红外吸收层又会使电离施主位点之间的间距足够小，与电离施主（D+电荷）相关联的电荷可以从红外吸收层的一个位点跳跃到另一个位点。这种效应是由于电子从近邻中性供体隧穿到电离供体而发生的，净结果是D+电荷沿与电子运动相反的方向移动。这种隧穿所需的时间取决于供体间距离，例如，在As掺杂硅中，对于小于100Å的距离，计算出的隧穿时间短于0.1ns，对于大于300Å的距离，计算出的隧穿时间长达数秒。此种效应导致红外吸收层中的D+电荷是可以移动的，并且能够传输电荷而无需将电子输运到导带，即D+电荷的传输发生在“杂质带”中。在施加正偏压时，内部建立起电场，预先存在的D+被抽出，而本征阻挡层中的供体间的平均距离大于500 Å，因此，D+电荷在阻塞层中不可移动。值得注意的是，阻挡层并不妨碍导电带中的电子的运动，其仅影响D+电荷传输。

在没有对探测器进行红外辐射的情况下，在透明电极上施加正偏压，可以驱使红外吸收层中预先存在的D+电荷向衬底移动，而阻挡层将阻止新的D+电荷的注入，这样就形成了一个D+电荷的耗尽区，耗尽区的宽度取决于偏压和残余受主浓度的大小。由于电离的受主电荷是不可以移动的，负的空间电荷将保留在耗尽层中，电场在阻挡层处最大，且随着红外吸收层深度的增加而降低，其关系如泊松方程：

式中：为电场强度；为红外吸收层深度；、0分别为高频和静态介电常数；为电荷密度；a为残余受主浓度。假设存在足够薄的本征阻挡层，则耗尽层的宽度为[11]：

式中：B为阻挡层厚度；b为外加电压；a-为电离受主浓度。耗尽层的宽度定义了器件的吸收容量，因为仅在该区域中存在可感知的电场，所以光电流也仅产生于耗尽层中。

硅基BIB红外探测器的工作原理如图2(b)所示，当有红外光照射时，红外光通过透明衬底进行背照射，在重掺杂的Si:As红外吸收层中，红外光子将中性的As原子中的电子激发到导带，导带电子在耗尽层电场作用下漂移出吸收层，并穿过阻挡层由透明电极收集，而D+电荷借助跳跃导电机构向相反方向移动，最终被硅衬底上的电子中和[11]。由于红外吸收层被D+电荷所耗尽，导带下方没有电子陷阱，因此电子收集效率非常高。同样，由于在这种条件下的导电带电子浓度几乎为零，D+电荷的收集效率也相当高。

2 硅基BIB红外探测器的结构及制备工艺

硅基BIB探测器在重掺杂的红外吸收层和平面接触层之间设置了一层未掺杂的本征硅，称之为阻挡层。在适当的操作条件下，该层可以有效抑制暗电流而不会由于红外吸收层中的中性杂质的光电离而阻碍电流的流动[12]。雷神公司[13]生产的Si:As IBC探测器，如图2(c)所示，底部是对红外光透明的硅衬底，并埋设透明电极。衬底之上是Si:As红外活性层，其厚度为25～35mm。活性层之上由本征硅作为阻挡层，厚度为3～4mm。在阵列的一侧设置了V形蚀刻槽，可以使埋藏电极产生偏置电压，金属涂层可以使其导电。Si:Sb BIB探测器的结构与Si:As BIB探测器类似，如图2(d)所示，该探测器也是在对红外光透明的硅衬底上进行生长的，采用离子注入并经过退火处理制备的Sb层作为埋藏电极，其红外吸收层是一层重掺杂的、外延沉积的Si:Sb层，最后，生长了一层未掺杂的硅层，作为阻挡层[14]。20世纪90年代初，Rockwell公司[15]开发了世界上首个背照射式Si:Sb BIB探测器阵列，其器件结构的如图2(e)所示，他们通过化学气相沉积（chemical vapor deposition，CVD）法获得了具有高纯度和高晶体质量的Si:Sb外延层，其厚度为17mm，施主浓度（d）和补偿受主浓度（a）分别为4×1017cm－3和2×1012cm－3。该探测器的红外吸收层中正偏压下的电荷的平衡分布如图2(f)所示，表明该区域已被电离施主（D+）所耗尽。

表1列举了硅基BIB探测器的部分制备工艺参数，吸收层的重掺杂可通过多种方法实现，譬如可以采用在外延生长过程中引入掺杂，也可以采用离子注入、中子嬗变等方法进行掺杂。在外延之前先制备透红外光的高电导电极层，这一电极层在焦平面阵列器件中作为所有像元的公共底电极。在吸收层上面采用外延方法沉积一层未掺杂的高纯硅阻挡层，除了其导带电子和价带空穴外，该层不能产生其他显著的电荷传输。在阻挡层表面采用离子注入制备一层高电导薄层，通过SiO2钝化和开孔金属化做成探测器的顶电极。通过刻蚀提供与公共埋入式透明电极的电接触，并在每个探测器元件上形成铟柱，与多路复用器的输入单元形成电接触。

图2 硅基BIB红外探测器的结构和工作原理：(a) 非本征硅光电导探测器的工作原理示意图[10]；(b) 硅基BIB红外探测器的工作原理图[11]；(c) Si:As BIB 红外探测器结构示意图[13]；(d) Si:Sb BIB红外探测器的器件结构图[14]；(e) 背照射式Si:Sb BIB探测器的结构示意图，其中Nd为中性施主的密度，Nd+为电离施主的浓度，Na-为电离受主的浓度[15]；(f) Si:Sb BIB探测器的红外吸收层在正的反偏电压下的平衡电荷分布图[15]

表1 硅基BIB红外探测器的部分工艺参数

3 硅基BIB红外探测器的性能

天文观测的对象具有宽谱、低背景、弱信号的特点，这就要求天文用红外探测器具有较宽的波段覆盖、极高的灵敏度、长的积分时间和极低的暗电流。美国的Rockwell（现为Teledyne Imaging Sensors，TIS）、Boeing（现为DRS Technology）和雷神（Raytheon Vision Systems，RVS）等公司通过30年左右的研究，已开发出一系列应用于地基和天基天文探测的BIB红外探测器，这些BIB探测器可以在较宽的波长范围内维持较高的量子效率和较低的暗电流，并且具有卓越的响应均匀性、操作性、稳定性以及耐核辐射能力。表2列举了这几家公司生产的部分BIB红外探测器的性能参数。

3.1 影响硅基BIB探测器光电性能的因素

BIB探测器的量子效率、暗电流及光电导增益等性能参数主要受测试环境和器件结构两个因素的影响。其中，测试环境的影响主要为偏压的大小、温度的高低和先前辐照史等。器件结构的影响则主要体现在耗尽层的宽度上，而耗尽层宽度又是由补偿受主浓度来决定的[11]。

Reynolds等[35]通过计算得出，增加耗尽层宽度可以使短波的量子效率得到提高。而降低补偿受主浓度，则使得耗尽层扩展到整个外延吸收层，可以使得量子效率达到极大值。从公式(2)可以看出，耗尽层宽度随外加电压的增大而增大，随着残余受主浓度增加而降低。因此为了提高量子效率，需要给探测器施加更高的偏压，同时尽可能降低残余受主浓度。然而，根据Poole-Frenkel效应，更大的电场会有效降低热电离能，导致暗电流升高，于是需要使探测器保持更低的工作温度。

对于信号微弱的红外天文探测来说，先前辐照史对于BIB探测器的性能具有不利影响。BIB探测器优良的抗辐射能力是其应用于天基天文探测的一大优势，其耐辐射性比传统的非ESPC探测器至少高出一个数量级[36]。这是由于非本征光电导探测器具有相对较大的横截面积，易导致辐射诱导的电离脉冲的产生，因此即使是剂量相对较小的辐射，ESPC探测器也会产生较高的响应。而BIB探测器的红外吸收层很薄，且其平均投影面积小于ESPC探测器，所以电离脉冲产生的几率大大减小。但是BIB探测器并不能彻底解决辐射干扰问题，喷气推进实验室（Jet Propulsion Laboratory，JPL）通过实验表明热退火可以一定程度消除核辐射损失和隐藏的图像，进而降低核辐射对BIB器件暗电流和响应率的影响[37]。

3.2 各种硅基BIB红外探测器的光电性能

Si:As BIB探测器在中长波红外（medium-long wave infrared，MLWIR）光谱区域（3～28mm）显示出高灵敏度、高量子效率、宽频率响应、低光学串扰、耐核辐射以及稳定和可预测的性能[19]。RVS研究人员[38]使用专用的红外光谱仪、CV分析仪和低温杜瓦装置（如图3(a)所示）测量了其公司生产的Si:As IBC探测器的量子效率和暗电流等性能参数。量子效率的测试及计算结果如图3(b)所示，在5～28mm的波长范围内，该探测器都能保持较高的量子效率。6个不同型号的Si:As IBC探测器的暗电流的测试结果如图3(c)所示，在0～－4V的负偏压范围内，暗电流随着偏压的增大而呈线性增大，最小暗流低至1.0×10－13A/cm2，最大暗电流不超过1.0×10－6A/cm2。

由于Sb在硅中的掺杂深度比As更浅，Si:Sb BIB探测器对更长的波长、更弱的光子要更敏感，其暗电流和光学性能可与高性能低通量Si:As BIB探测器相媲美，同时保持Si:Sb探测器特有的长波长响应（15～40mm）。DRS的研究人员[14]测试了Si:Sb BIB探测器的量子效率和暗电流等性能，其封装好的器件照片如图3(d)所示。从量子效率测试结果图3(e)中可以看出，Si:Sb BIB探测器即使在大于30mm的波长下，也具有不错的量子效率，峰值量子效率达到了70%左右。5～12K的温度范围内的暗电流的测试结果如图3(f)所示，在1.5V偏压和5K的温度下，其暗电流小于1 e-/s。

Si:P是Si:As BIB探测器扩展探测波段的一种可行的替代材料，由于磷原子在硅基体中的杂质能级比砷原子略浅，所以Si:P BIB的截止波长约为35mm，超过了Si:As的28mm，将Si:P探测器的波长扩展到75mm以上可能相对更容易。Liao等[39]测试了一种离子注入型Si:P BIB探测器的光电流谱，如图3(g)所示，Si:P BIB探测器的响应在波长为30mm处下降得很低，但该探测器在大约32mm处再次达到峰值响应。其截止波长约为35mm，但是其光电流在36.2mm处又出现了一个较小的尖峰，这些尖峰的出现和P原子的轨道杂化的转变有一定的关系，表明Si:P BIB结构具有拓宽光谱响应的巨大潜力。

相较于Si:As BIB探测器来说，Si:Ga BIB探测器探测波长范围较小（仅为5～17mm）且量子效率较低。1999年，Hogue等[40]测量了Si:Ga BIB探测器的量子效率，如图3(h)蓝色曲线所示，其峰值量子效率约为35%，远低于相同结构的Si:As BIB探测器（红色曲线）。然而，Si:As BIB探测器要想维持良好的性能，其工作温度需要维持在10K以下，而Si:Ga BIB探测器可以在更高的温度下工作，运行条件没有Si:As BIB探测器那么苛刻。图3(i)比较了Si:Ga BIB探测器与长波长碲镉汞（LWMCT）探测器的暗电流性能，30K的温度下运行的Si:Ga BIB探测器的暗电流远低于40K温度下运行的LWMCT探测器。

4 硅基BIB红外探测器的国内外研究现状不足

硅基红外探测器在天文上的应用是从ESPC探测器开始的，ESPC探测器开发始于20世纪80年代初的Hughes Aircraft Carlsbad研究中心，最初的开发重点是使用Si:In和Si:Ga作为探测器材料的非本征光导体[41]。随着红外天文观测对探测器性能要求的不断提高，传统的非本征硅红外探测器在应用过程遇到的技术瓶颈也日益凸显，迫切需要突破，主要表现在以下两方面：一是非本征红外探测器的非线性行为。在低红外背景下，ESPC探测器的响应取决于一些复杂的和不可预测的因素，如温度、信号通量、信号频率和核辐射等，光电导信号表现出的非线性为后期的光度校准也带来了很大的困难[41]。二是器件厚度限制。为了提高ESPC的耐辐射性，需要减小其器件厚度从而减小其暴露在宇宙辐射中的体积[35]。然而，已有研究表明，在不牺牲性能的情况下，用于ESPC的传统光电导体的厚度不能比100mm薄很多。原因是在较薄的探测器中要维持较高的量子效率就必须增加掺杂浓度，但是较高的掺杂浓度会增加器件暗电流，从而降低光电导增益[11]。BIB探测器通过巧妙利用与杂质带相关的跳跃电导的缺失效应，有效突破了非本征硅探测器的一些限制。BIB探测器具有更小的光电串扰和更高响应均匀性，更小的横截面积以降低空间辐射效应，在高偏差时没有非线性和异常瞬态响应。此外，由于阻挡层的存在，阻断了杂质带内暗电流的传导，BIB探测器实现了在允许高掺杂浓度的同时，保持较低的暗电流。随着BIB探测器的发展，非本征光电导的方式被迅速取代。

4.1 国外硅基BIB红外探测器研究

硅基BIB红外探测器由美国的Rockwell公司开发，并由DRS和雷神公司进行发展。1977年，美国的Petroff和Stapelbroek在Rockwell科学中心首次提出了阻挡杂质带的概念，并指出由器件的吸收层和阻挡层来分别实现光学的有效吸收和保持电学的高阻[2]。1979年，为了降低核辐射对非本征硅红外焦平面阵列的影响，该团队发明了世界上第一个硅基BIB红外探测器[11]。经过40多年的发展，BIB探测器已实现了从低光学通量到高光学通量、从小规格阵列到大规格阵列和大像元尺寸到小像元尺寸的发展，其主要发展历程如图4所示。

1984年，Petroff和Stapelbroek报道了世界上第一个Si:As背照射BIB/SWIFET混合焦平面阵列[42]。随着这项技术的成熟，Rockwell公司[43-46]相继制备出10×50、20×64、8×192、12×192和128×128等多种像素规格的BIB/SWIFET混合焦平面阵列，图5(a)展示了128×128 Si:As长波红外焦平面阵列组件。2005年，DRS公司和JPL[47-49]共同研发了首个1024×1024 Si:As BIB探测器，图5(b)～(d)分别为该探测器的焦平面芯片、百万像素阵列多路复用器及晶圆图像。其焦平面的封装如图5(e)所示，用于5～28mm的地基和天基天文观测。

雷神公司[46,50-51]自20世纪80年代中期开始开发Si:As IBC探测器阵列，256×256的IBC红外传感器芯片主要应用于斯皮策太空望远镜上的红外阵列相机（IRAC），其航天封装如图5(f)所示。而1024×1024的IBC红外传感器芯片（如图5(g)所示），则主要应用于詹姆斯韦伯太空望远镜的中红外设备上。图5(h)展示了RVS公司生产的1024×1024的SB-291红外传感器芯片的读出电路。上述这些阵列在6～26mm的波长范围内量子效率约为50%，可用的光谱响应范围为2～28mm，为天基和地基的天文工作提供了一个进入宇宙的重要窗口[13]。目前，雷神公司的Si:As IBC阵列正在朝着更低开发成本、更大的像素规格的方向发展[52]。

20世纪90年代初，Rockwell公司开发了世界上首个Si:Sb BIB探测器阵列，器件在7 K工作温度下达到了32A/W（30mm）的峰值响应率[15]。经过30年左右的时间，Si:Sb BIB红外探测器也从起初的128×128阵列规格发展至1024×1024的阵列规格，图5(i)是由双侧可粘扣的HF1024 Si:As和Si:Sb焦平面可以拼接组成2048×2048的焦平面阵列[53-56]。对于响应截止波长为40mm的红外探测器来说，Si:Sb BIB探测器阵列可以说是目前最成熟的技术。高掺杂的红外活性层虽然会在一定程度上增加40mm内的响应，但是以增加暗电流为代价的，这是研究人员需要解决的问题。

当前，天文用硅基BIB红外探测器的发展还存在以下挑战：

①国外硅基BIB红外探测器的最大焦平面阵列仍局限在1k×1k。发展更大规格的硅基BIB焦平面需要良好的材料均匀性和大面积横向均匀性，而且对工艺的要求更高；

②用于天文探测的硅基BIB红外探测器的工作温度极低，当制冷剂液氦耗尽时，探测器性能会急剧降低，导致探测器的有效工作时间也缩短；

③虽然已有研究表明退火处理可以在一定程度降低辐射对BIB探测器暗电流的影响，但是热处理一方面会使得杂质热电离，导致载流子浓度降低，影响探测器的性能。另一方面，频繁的热退火也会降低器件的寿命；

④硅基BIB红外探测器的截止波长在40mm以内，而大于40mm波段是远红外探测的重要窗口，拓宽硅基BIB探测器的光谱响应范围，对于红外天文探测具有重大意义。尽管Ge基和GaAs基BIB探测器能探测的波长比Si基BIB探测器更长，但是其器件生产成本更高、器件制作难度也更大。目前采取的扩展响应波长的方法主要为增加吸收层的掺杂浓度，然而，过高的掺杂也会导致杂质带与导带简并，造成器件的击穿，所以拓展其光谱响应范围难度较大，仍需进一步探索。

4.2 国内硅基BIB红外探测器研究

虽然欧、美、日等发达国家早已将BIB探测器投入到天文应用中，但是我国BIB探测器的开发工作尚处于起步阶段，距离应用仍有很大一段路要走。中科院上海技术物理研究所和中国电子科技集团公司第五十研究所等机构对硅基BIB探测器进行了大量研究，并取得显著进步。2013年，廖开升等[57]通过选择性离子注入掺杂硅衬底，制备了用于远红外和太赫兹辐射检测的平面型Si:P BIB探测器。其器件结构如图6(a)所示，利用光刻胶作为掩膜，往硅衬底中的特定位置分别注入不同浓度的P离子作为吸收层和接触层。离子注入后，使用快速热退火（rapid thermal annealing，RTA）技术（950℃，100 s）激活掺杂原子并修复离子注入导致的晶格损伤。接着采用等离子增强化学气相沉积（plasma enhanced chemical vapor deposition，PECVD）沉积一层SiN作为钝化层。最后，采用电子束蒸发镀上一层铝电极并与接触层相接。在450℃的温度下进行熔炉退火30min后器件制作完成。在5K的测量温度下，暗电流密度低于10－4A/cm2。小偏置电压（1V）下，观察到线性黑体响应，峰值响应率为0.8A/W。光电流谱在27.3mm处出现响应峰，并延伸到40mm。这是国内报道的第一个Si:P BIB探测器，为制造远红外和太赫兹辐射检测的Si:P BIB探测器提供了一种简便的方法。

此后，上海技术物理研究所对Si:P BIB探测器的结构不断进行优化。戴宁课题组[58]采用离子注入和外延生长相结合的方法，制备了垂直型（也称台面型）Si:P BIB探测器，其器件结构如图6(b)所示。首先，采用离子注入的方法往硅衬底中掺杂P作为底接触层，然后采用化学气相沉积的方法在底接触层上生长吸收层和阻挡层。吸收层和阻挡层的厚度分别为18mm和7mm，吸收层中的P浓度达到3.5×1017cm－3。在沉积钝化层并打开窗口后，通过湿法蚀刻形成12mm深的V形槽。最后，在V形槽上沉积了一层铝，作为底部和顶部的电极。该探测器在不同温度下的光谱响应测量结果如图6(c)所示，在图6(c)中所示的不同温度下，该探测器的响应都在35mm的波长处截止，且在24mm和32mm出现响应峰。2019年，浙江大学[59]设计和制造了具有铝周期空穴结构（periodic hole structure，PHS）的硅基BIB太赫兹探测器，其器件结构如图6(d)所示。将具有不同的周期性孔结构的探测器与参考装置进行了光谱响应的对比，结果如图6(e)所示，证明了该结构具有调制光谱响应的作用。2022年，戴宁课题组[60]在Si:P BIB器件结构的基础上，采用分子束外延（molecular beam epitaxy，MBE）和离子注入相结合的方法制备了Si:Ga BIB红外探测器，图6(f)为该器件不同功能层的结构示意图，详细展示了各层的厚度和电阻率。图6(g)是该探测器在不同温度下的光谱响应测试结果，在2.5～20mm的波长范围内都具有比较均匀的响应。中国电子科技集团公司第五十研究所在Si:P BIB探测器领域也取得了不俗成果。2021年，王晓东课题组[61]报道了一种基于金属光栅/硅基BIB杂化结构的新型太赫兹探测器，其器件原理如图6(h)所示，在Si:P BIB探测器的阻挡层之上增加了一层具有特定周期的金属光栅。实验表明，有金属光栅的器件的光吸收率比无金属光栅的器件高178%，有金属光栅的器件的光谱响应比没有金属光栅的器件高出223%（如图6(i)所示）。

当然，我国硅基BIB红外探测器的发展还存在如下困难：

①对BIB器件的物理模型及关键机理的认识有所欠缺：虽然国外对BIB探测器相关成果有所报道，然而大多以综述为主，关于器件物理模型和实际工艺路线的公开报道极为罕见。在深低温条件下的BIB器件物理模型尚未得到全面的了解，需要开展更多的工作来验证BIB器件的低温能带和输运特性[62]。

②探索最佳的BIB器件制作工艺也遇到了困难：离子注入具有工艺路线简单、注入剂量精确可控等优点，然而由于受限于离子注入能量，注入深度太浅，制备的横向结构注入型阻挡杂质带红外探测器件性能表现一般。此外，高能量大剂量的离子注入会损伤晶格衬底，引入大量的缺陷，尽管后期可通过快速退火工艺修复损伤晶格，但不易做到完全恢复。硅外延生长技术制备阻挡杂质带结构薄膜具有生长材料质量量好，在外延生长的同时保持对掺杂杂质种类、掺杂浓度及外延层厚度的灵活控制，可显著提升吸收层体积等优点，从而可以大幅提高器件性能。然而，外延法需要生长两层硅外延薄膜，重掺杂的吸收层和高纯本征层，其工艺相对复杂，且由于在生长过程中吸收层的掺杂杂质容易外扩散至本征阻挡层，使得外延法生长的阻挡层纯度不够高，电阻率偏低。

表2 国外公司生产的硅基BIB红外探测器的性能参数

图3 硅基BIB红外探测器的性能：(a) 用于Si:As IBC探测器辐射测试的低温杜瓦装置[38]；(b) 测试及计算得到的Si:As IBC探测器的响应量子效率曲线[38]；(c) Si:As IBC探测器的I-V测试曲线[38]；(d) 金属管壳封装的Si:Sb BIB探测器[14]；(e) Si:Sb BIB探测器的光谱量子效率曲线[14]；(f) Si:Sb BIB探测器的暗电流与温度的关系[14]；(g) Si:P BIB器件的PC光谱与远红外背景光谱，以及响应峰的指定[39]；(h) Si:Ga BIB探测器的光谱量子效率[40]；(i) Si:Ga BIB探测器与长波碲镉汞探测器的暗电流对比[40]

图4 天文用硅基BIB红外探测器的发展历程

图5 国外硅基BIB红外探测器的研究进展：(a) 空间红外望远镜设备(SIRTF)上的128×128长波长红外焦平面组件[29]；(b) DRS公司的HF1024焦平面阵列，封装在84针无铅芯片载体上[40]；(c) 百万像素中红外阵列裸多路复用器[54]；(d) 无掺杂单晶衬底晶圆[54]；(e) Si:As BIB焦平面阵列的封装[55]；(f) 256×256 Si:As IBC阵列及其航天封装[57]；(g) 1024×1024 Si:As IBC阵列的红外传感器芯片[53]；(h) 1024×1024 Si:As IBC阵列的读出电路[58]；(i) 由双侧可粘扣的HF1024 Si:As和Si:Sb焦平面阵列组成的2048×2048焦平面阵列，像元间距为18 μm[40]

图6 国内硅基BIB红外探测器的研究进展：(a) 平面型Si:P BIB探测器结构示意图[65]；(b) 垂直型Si:P BIB探测器模型[58]；(c) Si:P BIB探测器在2V偏压和不同温度下的响应光谱[58]；(d) 等离子体调谐太赫兹探测器横截面示意图[59]；(e) 不同周期性孔结构（PHSs）的Si:P BIB探测器的归一化光电流谱[59]；(f) Si:Ga BIB探测器在不同功能区上的层状材料结构示意图[60]；(g) Si:Ga BIB探测器不同温度下的响应谱[60]；(h) 金属光栅/硅基BIB太赫兹探测器的工作原理图[61]；(i) 有金属光栅的器件（参数：p=7mm，d=5mm，DR=2/7）与无金属光栅的器件的实验光谱响应对比[61]

③限制我国BIB探测器发展的关键技术主要有：半导体材料外延技术、深低温致冷技术、低温焦平面读出电路技术和低温制冷技术、高灵敏度红外探测器技术、低温冷光学技术等未获得突破，现有仪器和关键元部件的性能指标达不到天文探测的要求。

5 硅基BIB红外探测器在天文探测中的应用

硅基BIB探测器自开发以来一直被选用于太空科学任务的红外波段探测，其中Si:As和Si:Sb BIB焦平面阵列的峰值量子效率分别超过50%和30%，已被成功应用于在诸多仪器上进行天基和地基的天文观测[63]。

5.1 Si:As BIB红外探测器

20世纪末期，Si:As BIB探测器解决了对低噪声、耐辐射的中红外探测的需求，用于从太空进行防御监视，Si:As BIB焦平面阵列也被波音公司用于国家导弹防御地基拦截器（ground-based interceptor，GBI），并在综合飞行测试实验（integrated flight test 1A）中测试成功[63]。1983年发射的红外天文卫星（infrared astronomical satellite，IRAS）就已使用了离散的Si:As和Si:Sb BIB探测器，进行5～40mm波段的探测[64]。

进入21世纪，以NASA等为代表的机构将Si:As BIB探测器广泛应用于红外天文探测。NASA于2003年发射了斯皮策太空望远镜（如图7(a)所示），斯皮策太空望远镜装配了128×128和256×256 Si:As BIB焦平面阵列用于特定波段的成像，图7(b)是斯皮策太空望远镜观察到的“红蝴蝶”星系，该望远镜已于2020年1月31日正式退役[65]。2009年12月14日，广域红外巡天探测器（Wide-field infrared survey explorer，WISE）于加利福尼亚州中部的范登堡空军基地上空发射升空，该探测器上装备了1024×1024 Si:As BIB红外焦平面阵列[66]。截止2011年初，WISE已经以红外光对整个太空进行了两次扫描，拍摄了十亿个物体中的3/4的照片，包括遥远的星系，恒星和小行星，图7(c)是WISE捕捉的最古老的超新星RCW86。2011年，NASA发射了AQUARIUS/SAC-D航天器，如图7(d)所示，NASA使用AQUARIUS首次在太空测量海洋表面盐度。2014年，NASA的平流层天台（Stratospheric observatory for infrared astronomy，）（如图7(e)所示），作为一个机载天文台，它的移动性使研究人员能够从世界上几乎任何地方进行观测，图7(f)是SOFIA捕捉的恒星合并的快照，该天文台已于2022年9月30日前退役。2021年，NASA发射了詹姆斯·韦伯太空望远镜（The James Webb space telescope，JWST），如图7(g)所示，JWST同样装备了1024×1024 Si:As BIB红外焦平面阵列用于特定红外波段的成像[67]。2022年，7月12日，NASA公布了由韦伯望远镜的近红外照相机捕捉的首个全彩色图像和光谱数据，该图像展示了46亿年前出现的星系团SMACS0723的细节（如图7(h)所示），是迄今为止人类拍摄到的宇宙最深处的清晰度最高的红外图像。

5.2 Si:Sb BIB红外探测器

Si:Sb混合焦平面阵列的首个应用是在银河系核心（38.5mm）和猎户座星云（37mm）成像[68]。1993年，美国康奈尔大学在美国宇航局的赞助下，开发了一个广域中红外摄像机KWIC，用于柯伊伯空中传播天文台（Kuiper Airborne Observatory，KAO）。KWIC通过使用由Rockwell公司开发的128×128像素的Si:Sb BIB阵列，在18～44mm的波段上实现了最高的空间分辨率（5～10′′）[61]。

20世纪初，Si:Sb BIB探测器阵列在NASA主导的航天项目中得到发展，Si:Sb 128×128像素阵列是为斯皮策空间望远镜（the Spitzer Space Telescope）而开发的，256×256像素阵列可以应用于SOFIA，而1024×1024阵列则是为应用于WISE和地基望远镜而开发的[69]。2003年，美国康奈尔大学设计了暗物体红外照相机，并应用于SOFIA。使用了DRS公司生产的256×256 Si:Sb BIB探测器阵列进行25～40mm远红外波段的成像[30]。

5.3 其它硅基BIB红外探测器

1989年，宇宙背景探测者（Cosmic Background Explorer，COBE）发射升空，首次装备了两个基于BIB结构的Si:Ga探测器，用于12～25mm波段信号的探测[70]，图7(i)为COBE卫星在太空中运行时的示意图。

在商业化程度已很高的微电子行业中，集成电路的N型掺杂多采用Si:P，硅材料中此类掺杂技术已非常成熟，所以Si:P很快也被运用到BIB器件上，并获得截止波长为34mm的优良性能[29]。此外，Si:B在BIB探测器中也有应用，1999年，美国半导体物理所的Asadauskas等[11]报道了Si:B BIB探测器的结构。2008年Rauter等[71]报道了Si:B BIB的太赫兹探测器。然而，国内外均未报道过Si:P和Si:B BIB探测器在天文学中的应用。

图7 硅基BIB红外探测器的天文应用[72]：(a) 斯皮策太空望远镜；(b) 斯皮策太空望远镜观测到的“红蝴蝶”星系；(c) WISE捕捉的最古老的超新星RCW 86的图像；(d) 水瓶座/SAC-D航天探测器；(e) 平流层天文台；(f)平流层天文台捕捉的恒星合并的快照；(g) 詹姆斯·韦伯空间望远镜（JWST）；(h) JWST的近红外照相机捕捉的第一张全彩图像；(i) COBE在太空中运行的示意图

6 总结与展望

在各种红外探测器中，BIB探测器由于其低暗电流、高量子效率和优异的耐辐射性，已经成为中远红外天文观测的最优选择。而硅基BIB探测器的独特优势在于低成本的材料、成熟的半导体制造工艺、与CMOS工艺的兼容性及其在远红外波段的探测能力。硅基BIB红外探测器未来是向着更大的焦平面阵列、更小的像元尺寸、更强的抗辐射能力和更高探测效率去发展的。近些年来随着我国航空航天事业的迅速发展，对于高性能光子探测器的需求也越来越迫切。由于BIB探测器应用的领域比较特殊，为打破发达国家长期以来对我国长波红外探测器关键核心技术的封锁，满足天文物理、生命科学、航空航天和国防等领域对长波红外探测器的迫切需求，必须加大对深低温制冷技术和硅外延生长技术的突破力度，同时探索设备成本更低、工艺路线更简单的制备技术，以降低硅基BIB探测器的研发门槛，这样更有利于提高该领域的研究深度。此外，为了获得高性能的硅基BIB探测器，目前主流的制备技术仍以外延生长法为主，但是外延生长存在自掺杂和外扩散现象，都会影响杂质在衬底和外延层之间的过渡。所以，为了实现高纯度的阻挡层和高质量的吸收层，必须解决材料生长方面的挑战，包括抑制界面相互扩散和控制少数掺杂污染等。

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Research Progress of Silicon-based BIB Infrared Detector

MA Xingzhao1,2,3，TANG Libin1,3，ZHANG Yuping1,3，ZUO Wenbin1,3，WANG Shanli1，JI Rongbin1

(1.,650223,;2.,,650500,;3.,650223,)

The rise of blocked impurity band (BIB) infrared detectors based on germanium and silicon has promoted the rapid development of infrared astronomy, among which silicon-based BIB infrared detectors with specific wavelengths play an irreplaceable role in the aerospace field.Research on silicon-based BIB infrared detectors has been conducted abroad for more than 40 years, and many of its applications in the astronomical field have been realized by NASA and its related research institutes. However, domestic research on silicon-based BIB infrared detectors is still in its infancy. In this paper, the working principle of silicon BIB infrared detectors is described first; then, the structure and fabrication process of the device are briefly summarized, the performance of different types of silicon BIB detectors is compared and analyzed, and its application in astronomical detection is described. Finally, the future development of silicon BIB infrared detectors is discussed.

silicon-based BIB, infrared detector, astronomical detection

TN215

A

1001-8891(2023)01-0001-14

2022-11-24；

2023-01-06.

马兴招（1995-），男，硕士研究生，研究方向是硅基异质结光电探测材料与器件。

唐利斌（1978-），男，正高级工程师，博士生导师，主要从事光电材料与器件的研究。E-mail: scitang@163.com。

国家重点研发计划（2019YFB2203404）；云南省创新团队项目（2018HC020）。