銻基高工作溫度紅外探測器研究進展

鄧功榮，趙 鵬，袁 俊，信思樹，龔曉霞，黎秉哲，馬 啟，楊文運，普朝光

?

銻基高工作溫度紅外探測器研究進展

鄧功榮，趙 鵬，袁 俊，信思樹，龔曉霞，黎秉哲，馬 啟，楊文運，普朝光

（昆明物理研究所，云南 昆明 650223）

銻基紅外光敏材料具有優越的光電轉換效率，材料結構穩定、可生產性強，并具備低暗電流和高工作溫度（HOT）的優勢，符合未來紅外探測系統小尺寸、輕重量、低功耗（SWaP）的要求。目前，工程化研制高工作溫度紅外探測器的銻基材料主要有3類：InSb、銻基II類超晶格和InAsSb，國外已報道了640×512、1024×1024和2040×1156規格的焦平面陣列，工作溫度提高到150K以上。本文從材料特性和器件結構、像元尺寸及工藝技術來闡述國內外銻基高工作溫度紅外探測器的研究狀況。

高工作溫度（HOT）；SWaP；InAsSb；InSb；II類超晶格

0 引言

目前，碲鎘汞（HgCdTe）、銻化銦（InSb）、量子阱（QWIP）、超晶格（SLs）等高性能中波、長波紅外探測器，均采用低溫制冷的方式降低熱激發載流子對器件的影響，進而抑制探測器的噪聲。然而，制冷系統的引入導致紅外系統的功耗提高、體積增大、重量增加。此外，紅外探測器常采用J-T節流制冷器和斯特林制冷機制冷，J-T節流制冷需要用高壓氣體，系統攜帶不方便；斯特林制冷機結構復雜，使用壽命較短，價格昂貴。實際應用中的紅外探測器壽命往往受到制冷系統的限制，難以進一步提高。紅外探測器的系統尺寸、系統重量、系統功耗（Size, Weight, and Power，簡稱SWaP）成為衡量紅外探測系統的一項重要性能指標[1-2]。

Ashley和Elliott[3]率先提出了高工作溫度（HOT）探測器的設想和原理。HOT器件是指在高工作溫度的情況下，探測器仍然表現出較好的性能[2]。利用具有特定設計結構的探測器芯片，可以在不降低器件光電性能的情況下，提高探測器的工作溫度。

Kinch[3]論證了減小探測器像元尺寸有利于獲得高工作溫度下的背景限性能。他認為，減小像元尺寸不僅可以減小紅外成像系統的體積、重量和功耗，而且具有潛在的改進系統在極端工作條件下的性能，如高工作溫度。這一潛在能力當然也強烈依賴所選的探測器材料結構和工藝技術所固有的暗電流的大小。

1 銻基材料及器件結構

1.1 銻基紅外材料特性

目前，工程化研制HOT紅外探測器的銻基材料主要有3類：InSb、銻基II類超晶格和InAsSb。

InSb材料的基本特性[4]：穩定性較好、不會隨著工作時間和存儲時間發生改變；另外，材料的缺陷少，尺寸在50mm2以下的缺陷密度小于10個/cm2，能夠滿足制備大規格焦平面探測器的技術和經濟要求。在1～5mm光譜范圍內，InSb材料具有非常高的量子效率（≥80%），使得InSb探測器在中波紅外波段具有極高的靈敏度。

InAs/Ga（In）Sb II類超晶格材料的基本特性[5]：能帶結構與電子空穴物理分離機理，實現對俄歇復合的有效抑制，從理論上說，這種材料可能具有超越碲鎘汞材料極限的性能。InAs/Ga（In）Sb II類超晶格作為紅外探測材料具有優越的光電性能，微帶帶隙可調，其量子效率高，暗電流小。另外，最近的研究表明[6]：InAs/InAsSb II類超晶格具有更長的載流子壽命，理論上器件的暗電流會更小。

InAs1?xSb材料的基本特性[7-8]：屬于直接帶隙半導體材料，光電轉換效率高，并且可以通過改變Sb組分（）來調整帶隙，進而獲得中波、長波紅外的光譜信息。InAsSb與HgCdTe（MCT）相比具有以下優勢：①俄歇壽命長，俄歇電流小；②電子有效質量大、隧穿電流小；③晶體結合能大，材料結構穩定；④外延生長采用擁有工業化生產水平的GaSb和GaAs作為襯底材料，可生產能力強。與II類超晶格相比，材料生長容易控制，容易獲得大面積、均勻的外延材料。

1.2 器件結構設計

1）光電二極管

光電二極管的暗電流主要來自3方面的貢獻[9]，即dark＝SRH＋diff＋surf，SRH是耗盡區的產生-復合電流，diff是中性區的擴散電流，surf是表面漏電流，它們產生的噪聲是限制探測器工作溫度的主要因素。不考慮表面漏電的情況下，PIN（包括PN結）紅外探測器暗電流主要有三部分組成，P區、N區的擴散電流和耗盡區的G-R電流、隧穿電流，如圖1所示。在低溫（200K以下）時，SRH是常規PN結紅外探測器暗電流的主要來源，其暗電流密度如下：

式中：q是單位電荷；ni是半導體的本征載流子濃度；Wdep是耗盡區的寬度；tSRH是非本征區少數載流子的Shockley-Read-Hall復合壽命。探測器在提高工作溫度后其探測率會顯著下降，甚至響應率都會降低。

2）非平衡結構器件

光子型紅外探測材料在高溫下因本征載流子濃度過高，導致反向擴散電流過大而無法工作。為擴大器件的應用范圍，英國Ashley和Elliott提出了抑制材料載流子濃度的方法[11]，設法讓材料中的載流子處于“耗盡”狀態，并由此衍生了一些非平衡結構（圖2）。

圖2 n＋-on-n－和p＋-p-n-n＋非平衡結構示意圖

3）勢壘型器件

2006年，Maimon和Wicks[12]首次在InAs材料上實現nBn結構，即“n型吸收層-B勢壘層-n型接觸層”，圖3是其結構示意圖。以nBn結構為基礎衍生出XBn（XBnn、XBpp）、pBp等多種勢壘型結構。

nBn是一種單極性器件，該器件利用異質結材料能帶差主要落在導帶的特點，用寬禁帶隔離層構成的勢壘Δc來阻止多數載流子的導電。器件需工作在一定的反向偏置電壓下，通過提高內建電場有利于吸收層中的少數載流子穿越勢壘Δv，形成電流響應信號。

勢壘型器件由于沒有耗盡區，勢壘層的禁帶寬度較大，其產生-復合電流一般可以忽略，因而不存在耗盡區的產生-復合電流和帶間隧穿電流。另外，nBn結構具有自鈍化作用，表面漏電能得到抑制，所以單極勢壘異質結器件暗電流主要是吸收區的熱激發產生的電流。

計算結果（圖4）表明：①高溫下，暗電流由擴散電流主導，隨著溫度降低，過渡到產生-復合電流主導；②低溫下，越過擴散限溫度0，PIN器件的產生-復合電流明顯高于nBn器件。理論上，單極勢壘結構通過抑制SRH產生-復合減小暗電流，因此在SRH壽命較短的III-V族材料中比較有用，并能有效地提高探測器的工作溫度。

圖3 nBn結構能帶及暗電流示意圖

圖4 PIN和nBn器件暗電流-溫度曲線

1.3 像元尺寸及工藝技術

Kinch[3]理論計算了不同工作溫度下室溫冷屏效率與像元尺寸的關系，計算結果表明，減小像元面積有利于提高器件工作溫度，進而降低系統體積、重量、功耗和成本。但小尺寸像元焦平面陣列的制造也存在著一些困難，芯片圖形化、互連、讀出電路電荷容量密度等工藝技術難度較大。

2 HOT紅外探測器研究進展

2.1 InSb HOT紅外探測器

1）Epi-InSb探測器

以色列SCD公司[13]采用先進的分子束外延（MBE）生長技術制備InSb薄膜材料，減小了SRH復合中心，提高了載流子壽命，外延材料器件暗電流比常規器件減小了15倍，所研制的640×510 epi-InSb焦平面微型Pelican-D探測器[14]（圖5），95K和110K工作溫度下性能與77K的相當（圖6）。

圖5 微型Pelican-D 探測器圖片

圖6 640×510 15mm epi-InSb焦平面95K和110K工作溫度下的熱成像圖（F/4.1）

2）InSb/InAlSb異質結和勢壘型InSb探測器

InSb PN結光伏器件由于受G-R電流的制約，與HgCdTe相比在同樣的截止波長和工作溫度下暗電流較大。為克服這一缺點，Klipstein提出了在InSb的P區插入一個勢壘層，以阻擋多數載流子的擴散，從而降低器件暗電流。Ashley和Dean[2]提出了p＋-π-n＋非平衡結構的InSb探測器，其中，π代表低摻雜p型材料。當工作溫度低于200K，光敏二極管的性能取決于π區域中發生的SRH效應。

英國QNETIC在此基礎上發展了InAlSb焦平面陣列[15]，圖7是材料和結構演化思路圖，圖8是256×256焦平面陣列在不同溫度下獲得的熱成像圖。

圖7 從InSb到InAlSb材料和結構演化思路

圖8 非平衡結構InSb 320×256焦平面80K、100K和130K下熱像圖

法國Sofradir、Montpellier（蒙彼利埃）大學以及DGA借鑒了以上研究成果，提出了基于InSb的nBn結構[16]，即InSb/InAlSb/InSb，其中InSb是吸收層，InAlSb是勢壘層。實驗表明它的截止波長為5.4mm，有望在150K溫度條件下工作。

2.2 InAsSb HOT紅外探測器

1）光導型InAsSb探測器

國內中科院上海技術物理所、吉林大學、同濟大學等單位先后開展了光導型InAsSb紅外探測器的研究。同濟大學高玉竹[17]采用熔體外延技術生長的銦砷銻材料，制備了光導型InAsSb探測器。室溫下探測器黑體探測率為1.4×108cm·Hz1/2W－1。

2）勢壘型InAsSb探測器

美國DRS公司于2014年報道了基于nBn結構的1024×1024 InAsSb焦平面陣列[18]，GaAs做為襯底，采用復合結構的勢壘，像元尺寸18mm，工作溫度150K，探測率1.2×1011cm·Hz1/2/W，響應截止波長4.9mm，圖9是焦平面陣列的熱像圖。美國噴氣推進實驗室也報道了室溫nBn結構的InAsSb中波紅外探測器[19]，截止波長4.5mm附近，室溫下的探測率為1.0×109cm·Hz1/2W－1，工作溫度250K時的探測率為5.0×109cm·Hz1/2W－1。

以色列SCD是較早開展InAsSb紅外探測器研究的機構，研制的XBn InAsSb 640×512/15mm的陣列[20]，吸收層厚度為3mm，該焦平面陣列在150K工作溫度下的熱像圖非常清晰（圖10），近處幾個小黑斑是牛群，山頂上電線桿有2km遠。在F/3.2鏡頭、22ms積分時間下，測得NETD為20mK，量子效率為70%，有效像元率為99.5%，背景限探測率（BLIP）工作溫度高達165K。另外，研究人員還對探測器進行了變工作溫度的熱成像（圖11）和制冷功耗測試[12]，當溫度升高到190K時性能才出現明顯的衰減；95K工作溫度，制冷機功率降低20%；150K工作溫度，制冷機功率降低60%。

圖9 1k×1k InAsSb焦平面陣列150K溫度下熱像圖（f/2.3）

圖10 640×512 15mm InAsSb n型焦平面陣列150K溫度下的熱像圖

圖11 工作溫度103K～225K下焦平面陣列熱像圖

美國HRL實驗室于2017年報道了在GaAs襯底上生長nBn結構的InAsSb器件[21]，并研制出2k×1k（2040×1156）焦平面陣列，目前該陣列為國際最大規格，像元間距5mm，通過銦柱倒裝互連到Cyan系統公司的CS3 ROIC集成電路系統上。探測器的響應截止波長為5.1mm，150K工作溫度下，可操作性大于99.9%，沒帶抗反射膜的器件量子效率大于60%。

2.3 InAs/Ga(In)Sb HOT紅外探測器

美國洛克希德?馬丁公司下屬的圣?芭芭拉焦平面公司率先開發出了高工作溫度nBn II類超晶格中波紅外探測器[21]，工作溫度為－143℃（130K）～－118℃（155K）（取決于暗電流要求），其性能與工作在－193℃（80K）的InSb紅外探測器、工作在－178℃（95K）HgCdTe紅外探測器和工作在－158℃（115K）的采用外延技術的HgCdTe紅外探測器的性能相當。

美國西北大學量子器件中心采用M結構研制出320×256 InAs/GaSb中波紅外焦平面陣列[23]，150K溫度下，量子效率大于50%，光譜探測率為1.05×1012cmHz1/2/W，獲得了不同工作溫度下的人體熱像圖（圖12），150K溫度下NETD為150mK。

圖12 HOT器件在不同溫度下的熱像圖

昆明物理研究所胡銳和鄧功榮[24]研究了nBn型InAs/GaSbⅡ類超晶格紅外探測器電學特性，150K溫度下暗電流比77K溫度下大一個量級，但峰值探測率僅下降到1/5。研究結果表明，采用nBn結構的Ⅱ類超晶格探測器有望實現較高的工作溫度。

3 展望

《2017年世界軍用紅外成像探測器及系統市場分析報告》[21]預測未來5年（至2021年），高工作溫度（HOT）nBn/XBn紅外焦平面探測器將應用在新興軍事系統中。美國也將其納入主要的新計劃，包括F-35聯合攻擊戰斗機。

高工作溫度銻基紅外探測器將會使制冷機的壽命至少延長1倍以上，系統的可靠性得到提高，成本將大幅降低，在空間探測、衛星遙感、導彈制導、導彈告警、預警跟蹤、毒氣探測等軍事領域方面將有重要的應用。目前，對于HOT探測器來說，制造費用還比較昂貴，但隨著技術的不斷成熟，費用將有望得到進一步降低。

[1] J. Piotrowski, A. Rogalski.[M]. Bellingham: SPIE Press, 2007: 233-235.

[2] P. Martyniuk, A. Rogalski. HOT infrared photodetectors[J].. 2013, 21(2): 239-257.

[3] Kinch M A. The Future of Infrared; III–Vs or HgCdTe?[J]., 2015, 44(9): 1-8.

[4] Mark J.Furlong, Gordon Dallas, Greg Meshew. Growth and characterization of 6” InSb substrates for use in large area infrared imaging applications[C]//, 2014, 9070: 907016.

[5] 史衍麗. 銻基II類超晶格紅外探測器—第三代紅外探測器的最佳選擇[J]. 紅外技術, 2011, 33(11): 621-624.

SHI Yanli. Type-ⅡInAs/GaInSb Superlattices Infrared Detectors-one of the Best Choices as the Third Generation Infrared Detectors [J]., 2011, 33(11): 621-624.

[6] Steenbergen, E. H., Connelly. Significantly improved minority carrier lifetime observed in a long-wavelength infrared III-V type-II superlattice comprised of InAs/InAsSb[J]., 2011, 99: 251110.

[7] Woolley J. C., Warner J. Optical energy-gap variation in InAs-InSb alloys[J].1964, 42: 1879-1885.

[8] H. H. Wieder, A. R. Clawson. Photo-electronic properties of InAs0.07Sb0.93films[J]., 1973, 15: 217-221.

[9] A. Rogalski.:2nd[M]. CRC Press, 2010.

[10] T Ashley, C T Elliott, A M White. Non-equilibrium devices for infrared detection[J]., 1985, 21(10): 451-452.

[11] Maimon, S., Wicks, G.W. nBn detector, an infrared detector with reduced dark current and higher operating temperature[J]., 2006, 89: 151109.

[12] Itay Shtrichman, Daniel Aronov, Michael ben Ezra, et a1. High operating temperature epi-InSb and XBn-InAsSb photodetectors[C]//, 2012, 8353: 83532Y.

[13] Philip Klipstein, Zipora Calahorra, Ami Zemel. 3rd generation infrared detector program at SCD InAlSb focal plane arrays[C]//, 2004, 5612: 580462.

[14] T. Markovitz, I. Pivnik, Z. Calahorra Digital 640×512/15μm InSb detector for high frame rate, high sensitivity and low power applications[C]//, 2014, 8012: 80122Y.

[15] A. Evirgen, J. Abautret, J.P. Perez1. InSb photodetectors with PIN and nBn designs[C]//, 2014, 8993: 899313.

[16] Tim Ashley, Theresa M. Burke, Martin T. Emeny. Epitaxial InSb for elevated temperature operation of large IR focal plane arrays[C]//, 2003, 5074: 95-104.

[17] Y. Z. Gao, X. Y. Gong, G. H. Wu, et al. Uncooled InAsSb Photoconductors with Long Wavelength[J]., 2011, 50(6): 060206-1-060206-3.

[18] A.I. D’Souza, E. Robinson, A.C. Ionescu ,et a1. InAsSb Detector & FPA Data and Analysis[C]//, 2014, 9100: 91000B.

[19] Alexander Soibel, Cory J. Hill, Sam A. Keo. Room temperature performance of mid-wavelength infrared InAsSb nBn detectors[J].,2014, 105: 023512.

[20] Philip Klipstein, Olga Klin, Steve Grossman ,et a1.High Operating Temperature XBn-InAsSb Bariode Detectors[C]//, 2012, 8268: 82680U.

[21] 唐永滋. 2016年世界紅外軍用市場出現反彈[J]. 紅外信息, 2017(3): 19-20.

TANG Yongzi. The world’s infrared military market rebounded in 2016[J]., 2017(3): 19-20.

[22] Manijeh Razeghi, Siamak Abdollahi Pour, Edward Huang. High Operating Temperature MWIR photon detectors based on Type II InAs/GaSb superlattice[C]//, 2011, 8012: 80122U.

[23] 胡銳, 鄧功榮, 張衛鋒, 等. nBn型InAs/GaSbⅡ類超晶格紅外探測器光電特性研究[J]. 紅外技術, 2014, 36(11): 863-867.

HU Rui, DENG Gongrong, ZHANG Weifeng, et a1. Electrical Characterization of InAs/GaSbⅡSuperlattice Infrared Detectors Based on nBn Design[J]., 2014, 36(11): 863-867.

Status of Sb-based HOT Infrared Detectors

DENG Gongrong，ZHAO Peng，YUAN Jun，XIN Sishu，GONG Xiaoxia，LI Bingzhe，MA Qi，YANG Wenyun，PU Chaoguang

(,650223,)

Antimony-based infrared photosensitive materials possess the advantages of superior photoelectric conversion efficiency, high structural stability, high yield, low dark current, and high operating temperature (HOT).These characteristics make them especially suitable for future infrared detection systems that should fulfill the requirements of small size, lightweight, and low power consumption. Currently, three main categories of antimony-based materials are used in HOT infrared detectors viz., InSb, antimony-based type II super lattice, and InAsSb. It has been reported that focal plane array sizes of 640×512, 1024×1024, and 2040×1156 have led to an increase in the operating temperature to greater than 150K. This article gives an overview of the status of research (national as well as international)on HOT infrared detectors, with special focus on the material properties, device structures, pixel size, and fabrication techniques.

high operation temperature（HOT），SWaP，InAsSb，InSb，Type-II superlattice

TN216

A

1001-8891(2017)09-0780-05

2017-05-26；

2017-09-12.

鄧功榮（1982-），男，云南牟定人，博士研究生，主要研究方向為銻基紅外探測器。E-mail：kw211dgr@163.com。

云南省應用技術基礎研究基金項目（201701PF00015）。