综述：硅基BIB红外探测器研究进展

阻挡杂质带（BIB）探测器亦称杂质带电导（IBC）型探测器，可探测波长覆盖5～300μm，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。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HgCdTe（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。

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

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。

据麦姆斯咨询报道，近期，昆明物理研究所、云南大学和云南省先进光电材料与器件重点实验室的联合科研团队在《红外技术》期刊上发表了以“硅基BIB红外探测器研究进展”为主题的综述文章。该文章通讯作者为唐利斌正高级工程师，主要从事光电材料与器件的研究工作。

该文章首先阐述了硅基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BIB红外探测器的工作原理

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。

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。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。

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；（b）硅基BIB红外探测器的工作原理图；（c）Si:AsBIB红外探测器结构示意图；（d）Si:Sb BIB红外探测器的器件结构图；（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；（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

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。雷神公司生产的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。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。20世纪90年代初，Rockwell公司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（CVD）法获得了具有高纯度和高晶体质量的Si:Sb外延层，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。

硅基BIB红外探测器的性能

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。

Si:As BIB探测器在中长波红外（MLWIR）光谱区域（3～28μm）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。由于Sb在硅中的掺杂深度比As更浅，Si:SbBIB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（15～40μm）。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35μm，超过了Si:As的28μm，将Si:P探测器的波长扩展到75μm以上可能相对更容易。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5～17μm）且量子效率较低。

硅基BIB红外探测器的国内外研究现状不足

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。

图3 天文用硅基BIB红外探测器的发展历程

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40μm以内，而大于40μm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。

图4 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；（b）DRS公司的HF1024焦平面阵列，封装在84针无铅芯片载体上；（c）百万像素中红外阵列裸多路复用器；（d）无掺杂单晶衬底晶圆；（e）Si:AsBIB焦平面阵列的封装；（f）256×256 Si:AsIBC阵列及其航天封装；（g）1024×1024 Si:AsIBC阵列的红外传感器芯片；（h）1024×1024Si:As IBC阵列的读出电路；（i）由双侧可粘扣的HF1024Si:As和Si:Sb焦平面阵列组成的2048×2048焦平面阵列，像元间距为18μm

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。 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。

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。

图5 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；（b）垂直型Si:P BIB探测器模型；（c）Si:P BIB探测器在2V偏压和不同温度下的响应光谱；（d）等离子体调谐太赫兹探测器横截面示意图；（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；（f）Si:Ga BIB探测器在不同功能区上的层状材料结构示意图；（g）Si:Ga BIB探测器不同温度下的响应谱；（h）金属光栅/硅基BIB太赫兹探测器的工作原理图；（i）有金属光栅的器件（参数：p=7μm，d=5μm，DR=2/7）与无金属光栅的器件的实验光谱响应对比

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。

图6 硅基BIB红外探测器的天文应用：（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RCW86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

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。

这项研究获得国家重点研发计划（2019YFB2203404）和云南省创新团队项目（2018HC020）的支持。

审核编辑 ：李倩