320×256 InAs/GaSb超晶格中/短波双色探测器组件研制

InAs/GaSb超晶格材料制备的新型红外器件在最近十几年得到了迅速发展。文中开展了InAs/GaSb二类超晶格中/短波双色焦平面探测器组件研制,设计了中/短波双色叠层背靠背二极管芯片结构,用分子束外延技术生长出结构完整、表面平整、低缺陷密度的PNP结构超晶格材料,制备出性能优良的320×256双色焦平面探测器组件,对探测器组件进行了测试分析。结果显示,在77 K下中波二极管RA值达到26.0 kΩ·cm2,短波的RA值为562 kΩ·cm2。光谱响应特性表明短波响应波段为1.7~3 μm,中波为3~5 μm,满足设计要求。双色峰值探测率达到中波3.12×1011 cm·Hz1/2W-1,短波1.34×1011 cm·Hz1/2W-1。响应非均匀性中波为9.9%,短波为9.7%。中波有效像元率为98.46%,短波为98.06%。     

320×256元InAs/GaSb II类超晶格中波红外双色焦平面探测器

报道了320×256元InAs/GaSb II类超晶格红外双色焦平面阵列探测器的初步结果.探测器采用PN-NP叠层双色外延结构,信号提取采用顺序读出方式.运用分子束外延技术在GaSb衬底上生长超晶格材料,双波段红外吸收区的超晶格周期结构分别为7 ML InAs/7 ML GaSb和10 ML InAs/10 ML GaSb.焦平面阵列像元中心距为30μm.在77 K时测试,器件双色波段的50%响应截止波长分别为4.2μm和5.5μm,其中N-on-P器件平均峰值探测率达到6.0×10~(10) cmHz~(1/2)W~(-1),盲元率为8.6%;P-on-N器件平均峰值探测率达到2.3×10~9 cmHz~(1/2)W~(-1),盲元率为9.8%.红外焦平面偏压调节成像测试得到较为清晰的双波段成像.     

InAs/GaSb二类超晶格中长波双色红外焦平面器件研究

采用分子束外延工艺方法生长的InAs/GaSb二类超晶格材料因其独特的能带断带结构,极大地降低了俄歇复合暗电流,且其较大的电子有效质量使得隧穿电流进一步降低,因此超晶格材料成为国内外红外领域研究关注的重点.本文介绍的超晶格中长波双色探测器采用npn背靠背结构,阵列规模为320×256,像元中心距为30 μtm.其中测得80K温度下,-O.1V偏压工作时中波50％截止波长为4.5 μm,O.17V偏压工作时长波50％截止波长为10.5 μm,对应的峰值量子效率为45％、33％,相应的暗电流密度为5.94×10-7 A/cm2@-0.1 V、1.72×10-4 A/cm2@0.17V,NETD为16.6mK、15.6mK.     

128×128元InAs/GaSb Ⅱ类超晶格红外焦平面探测器

报道了128×128元InAs/GaSb Ⅱ类超晶格红外焦平面阵列探测器的研究成果.实验采用分子束外延技术在GaSb衬底上生长超晶格材料.红外吸收区结构为13 ML(InAs)/9 ML(GaSb),器件采用PIN结构,焦平面阵列光敏元大小为40 μm×40μm.通过台面形成、侧边钝化和金属电极生长,以及与读出电路互连等工艺,得到了128×128面阵长波焦平面探测器.在77 K时测试,器件的100％截止波长为8μm,峰值探测率6.0×109 cmHz1/2 W-1.经红外焦平面成像测试,探测器可得到较为清晰的成像.     

128x128元InAs/GaSb II类超晶格红外焦平面探测器

报道了128×128元InAs/GaSb Ⅱ类超晶格红外焦平面阵列探测器的研究成果.实验采用分子束外延技术在GaSb衬底上生长超晶格材料.红外吸收区结构为13 ML(InAs)/9 ML(GaSb),器件采用PIN结构,焦平面阵列光敏元大小为40μm×40μm.通过台面形成、侧边钝化和金属电极生长,以及与读出电路互连等工艺,得到了128×128面阵长波焦平面探测器.在77 K时测试,器件的100%截止波长为8μm,峰值探测率6.0×109cmHz1/2W-1.经红外焦平面成像测试,探测器可得到较为清晰的成像.     

InAs/GaSb II类超晶格长波红外焦平面探测器研究

InAs/GaSb II类超晶格材料是第三代红外焦平面探测器的优选材料。报道了一种面阵规模为320×256、像元中心距为30 μm的InAs/GaSb II类超晶格长波红外焦平面器件。在77 K时,该器件的平均峰值探测率为7.6×10¹⁰ cm·Hz^1/2·W^-1,盲元率为1.46%,响应非均匀性为7.55%,噪声等效温差(Noise Equivalent Temperature Difference, NETD)为25.5 mK。经计算可知,这种器件的峰值量子效率为26.2%,50%截止波长为9.1 μm。最后对该器件进行了成像演示。结果表明,该研究为后续的相关器件研制奠定了基础。     

InAs/GaSbⅡ类超晶格长波红外焦平面探测器

武汉高芯科技有限公司从2014年开始制备基于InAs/GaSbⅡ类超晶格的长波红外探测器.在本文中,报道了像元规模为640×512,像元间距为15μm的长波红外焦平面探测器.在77 K时,器件的50％截止波长为10.5μm,峰值量子效率为38.6％,当F数为2、积分时间为0.4 ms时,测得器件的噪声等效温差为26.2mK,且有效像元率达99.71％.本文通过分子束外延(molecular beam epitaxy,MBE)技术与成熟的Ⅲ-Ⅴ族芯片技术,成功地验证了在大于10μm的长波波段,用超晶格代替HgCdTe实现国产化并大规模量产的可行性.     

InAs/GaSb II类超晶格中波红外探测器

InAs/GaSb II类超晶格探测器是近年来国际上发展迅速的红外探测器,其优越性表现在高量子效率和高工作温度,以及良好的均匀性和较低的暗电流密度,因而受到广泛关注。报道了InAs/GaSb超晶格中波材料的分子束外延生长和器件性能。通过优化分子束外延生长工艺,包括生长温度和快门顺序等,获得了具原子级表面平整的中波InAs/GaSb超晶格材料,X射线衍射零级峰的双晶半峰宽为28.8,晶格失配a/a=1.510-4。研制的p?鄄i?鄄n单元探测器在77 K温度下电流响应率达到0.48 A/W,黑体探测率为4.541010 cmHz1/2W,峰值探测率达到1.751011 cmHz1/2W。     

InAs/GaSb II类超晶格双色红外焦平面器件的干法刻蚀与湿法腐蚀制备对比研究

分别采用干法刻蚀工艺路线和湿法腐蚀工艺路线制备了面阵规模为320×256、像元中心距为30 μm的InAs/GaSb Ⅱ类超晶格长/长波双色红外焦平面器件,并对其台面形貌、接触孔形貌、伏安特性以及互连读出电路并封入杜瓦后的中测性能进行了对比研究。总结了采用干法工艺和湿法工艺制备双色InAs/GaSb Ⅱ类超晶格焦平面器件的特点。该研究对InAs/GaSb Ⅱ类超晶格焦平面器件的研制具有参考意义。     

InAs/GaSb超晶格/GaSb体材料中短波双色红外探测器

采用GaSb体材料和InAs/GaSb超晶格分别作为短波与中波吸收材料,外延生长制备了NIPPIN型短中双色红外探测器。HRXRD及AFM测试表明,InAs/GaSb超晶格零级峰和GaSb峰半峰宽FWHM分别为17.57 arcsec和19.15 arcsec,10μm×10μm范围表面均方根粗糙度为1.82?。77 K下,SiO_2钝化器件最大阻抗与面积乘积值RA为5.58×10~5Ω?cm~2,暗电流密度为5.27×10~(-7)A?cm~(-2),侧壁电阻率为6.83×10~6Ω?cm。经阳极硫化后,器件最大RA值为1.86×10~6Ω?cm~2,暗电流密度为4.12×10~(-7)A?cm~(-2),侧壁电阻率为4.49×10~7Ω?cm。相同偏压下,硫化工艺使器件暗电流降低1-2个数量级,侧壁电阻率提高了1个数量级。对硫化器件进行了光谱响应测试,器件具有依赖偏压极性的低串扰双色探测性能,其短波通道与中波通道的50%截止波长分别为1.55μm和4.62μm,在1.44μm、2.7μm和4μm处,响应度分别为0.415 A/W、0.435 A/W和0.337 A/W。     

InAs/InAsSb超晶格红外中/中波双色焦平面探测器研制

超晶格材料已经成为了第三代红外焦平面探测器的优选材料。双波段红外探测器能够通过对比两个波段内的光谱信息差异,对复杂的背景进行抑制,提高探测效果,在需求中尤为重要。本文开展了InAs/InAsSb超晶格中/中双色焦平面探测器设计及制备技术研究,从器件设计、材料外延、芯片加工等方面展开研究,制备了中心距30 μm的320×256 InAs/InAsSb二类超晶格中/中波双色焦平面探测器。器件短中波峰值探测率达到7.2×10¹¹ cm·Hz^1/2W^-1,中波峰值探测率为6.7×10¹¹ cm·Hz^1/2W^-1,短中波有效像元率为99.51%,中波为99.13%,获得了高质量的成像效果,实现中中双色探测。     

Growth and fabrication of a mid-wavelength infrared focal plane array based on type-II InAs/GaSb superlattices

We present the fabrication of a mid-wavelength infrared focal plane array(FPA)based on type-II InAs/GaSb strain layer superlattices(SLs).The detectors contain a 400-period 8 ML InAs/8 ML GaSb SL active layer,which is grown by solid source molecular beam epitaxy on GaSb(100)N type substrates.Lattice mismatch between the superlattices and GaSb substrate achieves 148.9 ppm.The full width at half maximum of the first order satellite peak from X-ray diffraction was 28 arcsec.Single element detectors and FPA with a 128 128 pixels were fabricated using citric acid based solution wet chemical etching.Chemical and physical passivation effectively reduces the surface leakage and this process was characterized by I–V measurement.The devices showed a 50%cut-off wavelength of 4.73 m at 77 K.The photodiode exhibited an R0A of 103cm2.The FPA was characterized with an integration time of 0.5 ms and F/2.0 optics at 77 K and the average blackbody detectivity of the detectors is 2.01 109cm Hz1=2/W.     

长/长波双色二类超晶格红外探测器研究

报道了长/长波双色二类超晶格红外焦平面探测器组件的研制。通过能带结构设计和分子束外延技术,获得了表面质量良好的长/长波双色超晶格外延材料。突破了长波超晶格低暗电流钝化、低损伤干法刻蚀等关键技术,制备出像元中心距30 μm的320×256长/长波双色InAs/GaSb超晶格焦平面探测器芯片。将芯片与双色读出电路互连,采用杜瓦封装,与制冷机耦合形成探测器组件。组件双波段50%后截止波长分别为7.7 μm（波段1）和10.0 μm（波段2）。波段1平均峰值探测率达到8.21×10¹⁰ cmW^-1Hz^1/2,NETD实现28.8 mK;波段2平均峰值探测率达到6.15×10¹⁰ cmW^-1Hz^1/2,NETD为37.8 mK,获得了清晰的成像效果,实现长/长波双色探测。     

InAs/GaSb二类超晶格材料湿法腐蚀工艺研究

研究了不同腐蚀溶液体系下铟砷镓锑(InAs/GaSb)二类超晶格材料的湿法腐蚀工艺。根据腐蚀效果选择了由柠檬酸(C6H8O7)、磷酸(H3PO4)、过氧化氢(H2O2)构成的混合腐蚀液。这种腐蚀液对InAs/GaSb材料腐蚀速率稳定,腐蚀后表面光滑,且下切效应小。同时,研究了该成分腐蚀液不同腐蚀液温度、浓度和各成分配比等条件对InAs/GaSb材料腐蚀速率,形貌和钻蚀情况的影响。根据实验结果配制了体积比为1∶1∶1∶40的柠檬酸(50%):磷酸(85%):过氧化氢(31%):水的腐蚀溶液,室温(20 ℃)下腐蚀速率约为9.48 nm/s。     

InAs/GaSb II类超晶格红外焦平面台面的 ICP 刻蚀研究

本文报道了采用Cl2/N2电感耦合等离子（ICP）组合体刻蚀工艺在InAs/GaSb II类超晶格红外焦平面台面加工过程中的研究结果,实验采用分子束外延技术在GaSb衬底上生长的PIN型超晶格材料。结果表明,气体流量比例直接对刻蚀速率和刻蚀形貌产生影响,氯气含量越高,刻蚀速率越大,当氮气含量增加,刻蚀速率降低并趋于一定值。当氯气和氮气的流量比例和等离子腔体内压力等参数一定时,随着温度升高,刻蚀速率和选择比在有限范围内同时线性增大,台面的倾角趋于直角,台面轮廓层状纹理逐渐消失,但沟道内变得粗糙不平,并出现坑点。在实验研究范围内,电感耦合等离子源的ICP功率和RF功率对刻蚀结果产生的影响较小。     

长波InAs/GaSb II类超晶格红外探测器

报道了50％截止波长为12.5μm的InAs/GaSb Ⅱ类超晶格长波红外探测器材料及单元器件.实验采用分子束外延技术在GaSb衬底上生长超晶格材料.吸收区结构为15ML(InAs)/7ML(GaSb),器件采用PBIN的多层异质结构以抑制长波器件暗电流.在77K温度下测试了单元器件的电流-电压(I-v)特性,响应光谱和黑体响应.在该温度下,光敏元大小为100μm×100μm的单元探测器RmaxA为2.5Ωcm2,器件的电流响应率为1.29A/W,黑体响应率为2.1×109cmHz12/W,11μm处量子效率为14.3％.采用四种暗电流机制对器件反向偏压下的暗电流密度曲线进行了拟合分析,结果表明起主导作用的暗电流机制为产生复合电流.     

基于多层薄膜的长波红外InAs/GaSb II类超晶格焦平面光响应调控研究

本文基于长波InAs/GaSb Ⅱ类超晶格红外焦平面阵列(Focal Plane Array,FPA)设计和生长了由ZnS和Ge组成的多层薄膜结构。与没有多层薄膜的FPA相比,多层薄膜使其响应峰位置从8.7μm和10.3μm分别移动到9.8μm和11.7μm,50%响应截止波长从11.6μm移动至12.3μm,并且在波长为12μm处的响应强度增加了69%。总之,优化的多层薄膜可以调控FPA的响应波长,这为实现更高灵敏度和更高成像能力的长波红外探测提供了更好的平台。     

256×256 focal plane array midwavelength infrared camera based on InAs/GaSb short-period superlattices

An infrared camera based on a 256×256 focal plane array (FPA) for the second atmospheric window (3–5 μm) has been realized for the first time with InAs/GaSb short period superlattices (SLs). The SL detector structure with a broken gap type-II band alignment was grown by molecular beam epitaxy on GaSb substrates. Effective bandgap and strain in the superlattice were adjusted by varying the thickness of the InAs and GaSb layers and the controlled formation of InSb-like bonds at the interfaces. The FPAs were processed in a full wafer process using optical lithography, chemical-assisted ion beam etching, and conventional metallization technology. The FPAs were flip-chip bonded using indium solder bumps with a read-out integrated circuit and mounted into an integrated detector cooler assembly. The FPAs with a cut-off wavelength of 5.4 μm exhibit quantum efficiencies of 30% and detectivity values exceeding 10¹³ Jones at T=77 K. A noise equivalent temperature difference (NETD) of 11.1 mK was measured for an integration time of 5 ms using f/2 optics. The NETD scales inversely proportional to the square root of the integration time between 5 ms and 1 ms, revealing background limited performance. Excellent thermal images with low NETD values and a very good modulation transfer function demonstrate the high potential of this material system for the fabrication of future thermal imaging systems.