锑化物中/中波双色红外探测器的技术路线及应用发展

面对第三代红外探测器对多波段探测的需求，中/中波双色同时获取两个波段的目标信息，对复杂的背景进行抑制，可以有效排除干扰源的影响，提高了探测的准确性，增强了在人工及复杂背景干扰下的目标识别能力，因此中/中波双色探测器设计和制备最近快速发展起来。

据麦姆斯咨询报道，近期，一支由陆装驻洛阳地区航空军代室、中国空空导弹研究院的研究人员组成的团队在《红外技术》期刊上发表了以“锑化物中/中波双色红外探测器研究进展”为主题的综述文章。本文阐述了锑化物中/中波双色红外探测器的主要技术路线和目前研究进展，并展望了其未来的发展趋势。 目前正在研究或制备的双色红外探测器有锑化铟平面双色探测器、碲镉汞双波段探测器、CdS/InSb光伏型紫外/红外双色探测器以及许多新型的双色或多色探测器。其中，锑化铟（InSb）是一种Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料，具有闪锌矿结构，拥有最小带隙、最小载流子有效质量、最大电子饱和漂移速度和最大迁移率等，具有优异的光电性能，锑化铟红外探测器工作在中波波段，通过分光可实现两个中波波段的探测。另外，以InAs/GaSb为代表的锑化物II类超晶格材料，具有周期性重复结构，可进行灵活的能带结构设计，实现禁带宽度在2~30μm波段内可调，并且可以进行大尺寸、高均匀性的材料外延生长，非常适用于多波段和甚长波段，因此，锑化物超晶格材料在第三代红外焦平面探测器材料的选择中占据优先位置，采用锑化物超晶格材料制备双色红外探测器的研究已经成为各国研究的热点。

主要技术路线

平面双色探测器

采用平面结构的双色探测器，是吸收不同红外波段的光敏元在同一平面上错开排列或拼接而成。优点是不同波段的器件可在同一工艺中制成，没有增加工艺难度。

叠层双色探测器

采用叠层结构的双色探测器，是将吸收一种红外波段的光敏元布置在吸收另一种红外波段的光敏元之上，波长较短的红外材料成为了波长较长材料的滤光片。

InAs/GaSb II类超晶格红外中/中波双色焦平面阵列探测器一般采用N-P-N或P-N-P叠层双色器件结构。结构一般都包括5个部分，分别为底部接触层、“红带”吸收层，中间接触层、“蓝带”吸收层、顶部接触层。顺序型结构器件可通过调节器件工作电压实现器件在两个截止波段的切换，从而实现双波段的顺序成像探测，如图1（a）。同时型结构器件在中间接触层上也增加电极，即三电极输出，通过设置3个电极上的偏压实现两个二极管的同时工作，从而实现双波段的同时成像探测，如图1（b）。

图1 N-P-N器件结构图：（a）顺序型和（b）同时型 中/中双色锑化物探测器的进展

并列式结构

2012年，以色列SCD公司采用两个并列的480×384的InSb芯片制作探测器，用于机载导弹预警系统。它是依靠每个芯片上面的滤光片来进行双色分光，形成两个光学通道，每个都有特定的芯片和读出电路，集成在一个杜瓦中。并且通过抗反射膜层设计使频带之间的光谱串扰最小，通常低于0.1%，其成像效果如图2。

图2 并列式中/中波双色红外探测器成像：（a）“蓝带” 和（b）“红带”

平面式结构

2003年美国CMC Electronics Cincinnati公司提出了一种平面式双色InSb焦平面探测器设计方案，即将滤光片制备到芯片表面实现双色成像。2017年瑞典IRnova公司报道了采用该方案的InAs/GaSb超晶格中/中波双色探测器，也是在焦平面阵列上增加滤光片。制备阵列器件时将阵列上沉积的像元滤光薄膜刻蚀成棋盘图案，如图3所示。

图3 InAs/GaSb中波双色红外探测器滤光片方案

该结构的优点是探测器具有极高的光谱分辨率而无串扰，还可以实现高占空比和高灵敏度。采用该种结构还可以设计更多种类的滤光片实现三色及多色探测，即实现彩色成像，也可以设计窄带通滤光片实现对某种气体辐射信号的探测。该结构的缺点是每一个波段的占空比将减小，会损失相应波段探测的空间分辨率。目前采用该结构的中/中双色焦平面探测器技术难度不大，工艺相对成熟，已经处于应用。

PIN 型叠层结构 2006年德国Fraunhofer institution首先报道了中/中波双色超晶格焦平面探测器，该器件包括两个背靠背的InAs/GaSb超晶格光电二极管，器件在“蓝带”（3～4μm）的噪声等效温差（NETD）为29.5mK，在“红带”（4～5μm）为16.5mK。2011年该研究所对器件结构和生长工艺进行了优化，其结构如图4所示。经过优化后，像元间距缩小到30μm，“红带”和“蓝带”的NETD性能分别提高到17.9mK和9.9mK。

图4 双色InAs/GaSb超晶格器件结构图

2015年中科院上海技术物理研究所报道了InAs/GaSb II类超晶格中/中双色焦平面阵列探测器的初步结果。探测器采用P-N-P叠层双色外延结构，如图5所示。中/中波段红外吸收区的超晶格周期结构分别为InAs（7ML）/GaSb（7ML）和InAs（10ML）/GaSb（10ML）。同年该研究所还报道了N-P-N结构的640×512探测器的研究结果，通过红外焦平面偏压调节成像测试，该器件得到了清晰的双波段热成像。

图5 双色器件结构及互连示意图

该结构的优点除了锑化物超晶格具有的量子效率高、电子有效质量大、吸收率高外，还具有结构紧凑，双波段的像元对准精确，提高了探测器整体性能，也简化了系统其它部件的设计。

niBin型叠层结构

2017年中国科学院半导体研究所报道了niBin结构的双色超晶格探测器，器件的能带图如图6所示，包括5个部分，分别为底部接触层、“红带”吸收层，势垒层、“蓝带”吸收层、顶部接触层。“蓝带”由500个周期的InAs（4ML）/GaSb （7ML）超晶格构成，“红带”由400个周期的InAs（7ML）/GaSb（7ML）超晶格构成。

图6 niBin结构的双色超晶格材料能带图

该结构的优点是通过插入势垒层来降低器件的暗电流和提高器件的工作温度，最终提高探测器的探测率。但增加了器件结构设计和材料外延生长难度，目前还处于单元中/中波双色器件试验验证阶段。

锑化物中/中波双色技术展望

从器件结构上看，锑化物中/中波双色红外探测器结构经历了增加滤光片的方式到叠层结构，叠层结构的中中波的分离由光敏芯片完成，其焦平面阵列结构紧凑，且可得到精确的像元配准，提高了系统的性能，同时也大大简化了系统其他元件的设计，能够满足灵敏度高、响应速度快、结构紧凑的军事应用需求。从材料设计上看，主要采用InAs/GaSb II类超晶格材料，从PIN结构逐步向在超晶格中插入薄的AlSb或合金层作为新的调整手段。目前典型的二元InAs/GaSb对称结构仍是最成熟的主流技术。近年来InAs/InAsSb超晶格逐渐受到重视，其波长范围逐渐从长波扩展到中波。优点是高温暗电流小，无II类界面生长控制问题，缺点是吸收率不占优势，有Ⅴ族比例控制问题，因此在双色器件中还没有表现出明显优势。从工艺加工上看，经历了湿法腐蚀台面到干法刻蚀台面，但对主要影响器件性能的钝化方法都没有介绍。但发展趋势仍然是不断优化设计和提升工艺水平来减小暗电流和提高器件性能，工艺稳定性和一致性也需要进一步验证。 综上所述，目前中/中波双色锑化物探测器需要在探测器结构设计、锑化物超晶格材料生长、阵列器件制备等方面进行进一步研究。针对中/中波双色探测需求，综合匹配滤光片、超晶格材料特性、读出电路等。进行超晶格材料生长，设计和验证不同层厚和势垒结构的器件。开展锑化物超晶格双色焦平面阵列制备，突破刻蚀技术、钝化技术和互连技术等。

结语

本文概述了中/中波双色锑化物红外探测技术的主要技术路线和技术特点，并简要回顾了中/中波双色锑化物红外探测技术的发展历史。从中可以看出，与传统InSb双色探测器相比，中/中波双色超晶格红外器件用于红外成像探测具有鲜明的特点和优势。中/中波双色超晶格红外探测技术在国内获得越来越高的重视，不断接近国际先进水平。但是距实用阶段还有相当多的工作要做，目前需要进一步突破中/中双色焦平面芯片结构设计及材料生长、大规模小像元焦平面芯片制备、中波双色时分读出电路设计等关键技术，研制出更大阵列规模的中波双色叠层式超晶格焦平面探测器，提高探测器性能，早日实现中/中波双色大规模锑化物红外焦平面探测器的工程化应用。

审核编辑：郭婷