II类超晶格红外探测器技术国内外进展

本文内容转载自《激光与红外》2021年第6期，版权归《激光与红外》编辑部所有。本文内容不含参考文献，如有需要请参考原论文。

尚林涛，王静，邢伟荣，刘铭，申晨，周朋，赵建忠

华北光电技术研究所

摘要：简单归纳整理了德国、美国（CQD、JPL、QmagiQ、NRL、Teledyne和Raytheon）、瑞典（IRnova）、以色列SCD和日本等国外主要机构的II类超晶格研究成果以及国内的发展现状。美国VISTA计划的成功实施和技术突破进一步加速推动了II类超晶格红外探测技术从理论走向现实。虽然目前及今后较长时间内HgCdTe 技术仍然是主流，但是II类超晶格技术在整体系统性能和成本上可以挑战HgCdTe，II类超晶格技术将在红外应用领域全方位替代HgCdTe技术的优势已经越来越清晰。与国外相比，国内II类超晶格技术的发展已经具有一些技术基础，但距离产业化推广应用还有一定的差距，可以借鉴国外的先进理论和技术经验并结合具体实际工艺逐步取得突破。

关键词：II类超晶格；Type-II；T2SL；SLS；发展现状

1 引言

Sb基应力层超晶格（SLS）尤其是II类超晶格（T2SL）材料在探测器、激光器、调制器上具有广泛的应用，尤其在红外探测领域具有极大的潜力和优势，普遍认为可以替代目前主流的HgCdTe（MCT）材料。相比MCT材料技术约60年的漫长积累和发展，二类超晶格技术从20世纪70年代末提出至今约40年仍在持续快速发展。

目前，世界主要的研究机构如德国、美国西北大学量子器件中心（CQD）、喷气推进实验室（JPL）、NRL、瑞典（IRnova）、以色列SCD和日本等很多机构报道了T2SL材料、器件和焦平面阵列（FPA）的研究进展，国内也积极开展了全面的研究。本文简单归纳总结了国内外T2SL红外焦平面探测器技术的发展状况。

2 国外超晶格探测器的发展

2.1 德国

德国Fraunhofer IAF从1990年开始开发Sb基SL。2003年开始了高性能二维FPA阵列工艺开发。2004年，与工业伙伴AIM Infrarot-Module Gmb合作开发出了当时世界上第一个高性能国内第一代256×256@ 40 μm MWIR超晶格成像仪，将超晶格周期从190增加到370后QE加倍，获得卓越的93K BLIP成像；降低像元中心距开发了国内第二代384×288@ 24 μm；GaSb衬底从2″拓展到3″，开发了640×512 @ 24 μm；2005年开始开发双光谱（双色）InAs/GaSb SL FPAs，开发出第三代384×288×2@ 40μm和384 × 288 × 2@ 24μm，可同时探测3 ～ 4μm（蓝）和4～5μm（红）两个通道的中波双色超晶格。接下来几年，连续工艺改进（包括双色三In柱电极发展到30μm和24μm的二In柱电极技术）以及降低缺陷，双光谱FPAs制备技术成熟，光电性能连续增加，平均NEDT达到9.1mK（红）和15.9mK（蓝），被EADS选择集成到大型军用运输机A400M的导弹防御（MAW）系统。IAF现在已成为国家级InAs/GaSbII类超晶格探测器制造工厂。拥有技术准备水平8级（TRL8）的单晶圆和5×3″（2″在中间）多晶圆MBE生长系统。建立了一套完整的设计建模、外延生长、前道和后道工艺制造链。拥有相衬干涉仪、自动光学缺陷检测工具（KLA-TencorSurfscan 6220）、白光拓扑仪（SWBXRT）等设备自动检测和追踪衬底和外延材料缺陷，位错密度低至1×10⁵cm^-2；高精度自动步进光刻机、均匀ICP刻蚀工艺可以重复制备高占空比的阵列。半自动晶圆低温探针台CascadeMicrotech PAC200系统、PL、C-V测试系统快速完成器件电/光性能表征。

在同质结基础上采用改良的四分量超晶格经验赝势计算方法（SEPM）优化设计（考虑InSb界面和As在GaSb和InSb中的引入）了异质结LWIR探测器，GR暗电流达～10^-5A/cm²；在中波双色探测器上也采用异质结，5μm附近暗电流密度低至2×10^-9A/cm²。成功展示了欧洲第一个截止波长10.3 μm640×512@ 15μm的LWIR InAs/GaSb T2SL，55K，F/2，NEDT＜30mK，拍摄到Fraunhofer IAF的建筑物图像，进一步改进暗电流可以提升工作温度和使光电性能到300K背景BLIP的成像。

在德国防务部（MoD）资助下持续开展T2SL研发。开发了热电制冷（TEC）或室温工作（200～300K）的单元器件和高性能FPA。在GaAs（211）B衬底上异质外延T2SL并制备成FPA，获得高响应和均匀噪声的210K、10.5μm GaAs基HOTT2SL二极管，平均D* = 3.3×10⁸Jones，并用TEC制冷集成到波兰的VIGO System。表1和图1列出德国近些年来二类超晶格主要发展成果。

表1 德国二类超晶格发展概况表

图1 德国主要的SL器件和成像结果

2.2 美国西北大学CQD

美国西北大学量子器件中心CQD的Manijeh Razeghi团队在超晶格开发方面起步较早也一直居世界领先地位，在超晶格理论设计、器件工艺、组件制备和成像等各个方面有着坚实的理论基础和丰富的实践经验，取得了显著的发展成果。表2列出了CQD近20年来在GaAs基SL、短波、中波、长波、甚长波、双带/三带等SL发展方面取得的成果（FPA为主），图2列出具有代表性的阵列成像。CQD在长波和甚长波方面研究的最早也最多，最早于2003年展示了8μm的256×256，最有代表性的LWIR面阵成果是波长11μm的pπMn结构的1k×1k，经过优化后达到了出色的性能，去除GaSb衬底并涂抗反射涂层后QE 可以达到89 %；最大面阵是1280× 1024@ 12μm、150K截止波长约2.22μm的近短波红外FPA；2014开始展示了基于InAs/InAsSbSL的长波、甚长波和双带探测器；基于功能强大设计灵活的M结构设计展示了在单个FPA像元上通过偏压选择实现双带集成探测的各种类型的双带FPAs，包括SW/MW、MW/LW和LW1/LW2阵列，也设计了基于T2SL的两终端三带集成探测的SWIR/MWIR/LWIR和150K工作的e - SWIR/SWIR/MWIR光电探测器，根据偏压幅度的改变可以连续地选择三个单色通道分别进行探测。

表2 美国西北大学CQD二类超晶格发展概况表

图2 美国西北大学CQD的SL FPA发展主要成果

2.3 美国JPL

美国喷气推进实验室（JPL）自90年代早期以来一直在积极开发III-V族红外探测器用于远程传感和成像应用。其主要发展成果如表3和图3所示。

表3 JPL二类超晶格发展概况表

图3 JPL的SL FPA发展主要成果

在单元器件基础上开发了pin型波长3.7μm的1k×1k MWIR和12μm的256×256 SL。2009年，在FastFPA项目下JPL提出并成功展示了一个新的基于CBIRD结构的T2SL LWIR探测器，与RVS合作制备了9.9μm的器件，80K暗电流低至2.4×10^-5A/cm²，RAeff = 670Ω·cm^-2，RAeff靠近MCT的Rule07，其中无AR或钝化的200×200 μm²和220×220 μm²单元的暗电流密度小于1×10^-5 A/cm²（Vb = 0.18V），并且展示了波长9μm 256×256和8.8μm、10μm的320×256，10μm和11.5μm的1k×1k CBIRD FPA，由于其均匀稳定、低暗电流增和高灵敏度的优点正在被星载超光谱热发射光谱仪（HyTES）采用来替代原来的QWIP探测器。

在室温4.5μm MWIR InAsSb nBn探测器基础上开发了用于ESTO InVEST项目下（6U）CubeSat红外大气探测（CIRAS）工程的关键技术：150K约5.4μm的HOT MWIR InAs/InAsSb BIRD T2SL。制备了640×512@24 μm，互连到SBF193 ROIC并发给NASA进行实验，可操作性99.7%，NEDT没有明显的宽尾分布，显示了卓越的均匀性。MWIRHOT-BIRD结构在2011年初被引入到VISTA项目中，加速了MWIR探测器的研发进程。InAs/InAsSbSL可达到InSb同样截止波长但可工作于更高温度以降低SWaP，可用于航空等低背景应用，但相比MCT仍具有高的G-R暗电流（由于更短的SRH寿命），基于BIRD结构研制了12.5μm、640×512的LWIR，-50 mV、60K下暗电流密度为2.6×10^-5A/cm²，在ESTOSLI - T项目下，LWIR T2SL BIRDFPA也正在开发以满足未来热红外（TIR）陆地成像的需求。

使用ICP干刻工艺获得近乎垂直、各向异性和光滑的台面边墙LWIR CBIRD结构，ICP工艺增加了表面电阻，表面态密度降低3.8倍多，表面泄露降低7.4倍，暗电流改进2.5倍，占空比改进3.6倍，QE提高2.3倍。研究了nBn探测器的高温开启行为并分析了低温下SL的暗电流；研究了T2SL材料的质量和光学性能；表征了LWIR SL的势垒效应，研究了LWIR SL的噪声（包括1/f噪声和增益）、辐射、非辐射、SRH和俄歇复合过程对少子寿命的影响；研究了空穴有效质量和子带分裂以及nBn红外探测器中载流子输运；研究了LWIR CBIRD结构的抗辐射性能，指出暗电流的改变是由于质子对靠近器件台面边墙的位错损伤造成陷阱辅助隧穿而产生表面泄露。

为适用于未来地球科学成像和小卫星任务，光谱成像和探测应用的LWIRFPAs必须增加工作温度以降低制冷需求。在T2SL BIRD探测器基础上采用共振像元技术（利用纳米光子陷阱技术增强吸收来增加QE和降低暗电流）和高动态3D-ROIC（提高有效阱容量和延长积分时间）来提高信噪比和增加工作温度，可以整体增加60K以上的工作温度。

2.4 美国QmagiQ

美国QmagiQ 2010年报道了截止波长～8.5μm的320×256@ 30 μm InAs /GaSb SL（图4），77K暗电流密度～10^-5A/cm²，QE＞5 %（2μm吸收层），像元可操作性～96%，NEDT≈25 mK，F/4.0；2012年展示了18μm像元中心距截止波长9.5μm的百万像元1k×1 k FPA，QE＞50%，NEDT= 30mK，77K暗电流～2×10^-4A/cm²，像元可操作性达96%；展示了68K工作、11μm的320×256；正在向12μm高产量商业化SLS FPA迈进。

图4 Qmagiq的T2SL发展状况

2.5 美国NRL

NRL和Teledyne Imaging Sensors（TIS）合作于2010年报道基于HSL和GGW结构的超晶格制备了截止波长分别为8.7μm和11.1μm的256×256@40μm FPA（图5（a），（b）），互连到TCM200F n/p直接注入型ROIC，FPA可操作性99.5 %（QE）和99.2%（IV），工作温度分别为78K和50K。

图5 NRL的截止波长8.7μm和11.1μm的256×256@ 40μm FPA及SEMI工艺

采用SEMI工艺（图5（c）），小于0.5μm的浅刻蚀，窄带隙吸收层埋藏起来不受影响，显著抑制了边墙泄露电流；相比深刻蚀，有效动力学阻抗增大到两倍，边墙表面电阻率提升四倍；可以产生100%的占空比并且邻近像元不会产生明显的串扰，展示了SEMI的优势。为分析和抑制缺陷的形成，NRL采用了XSTM，HXRD，EBIC，FIB，TEM和EDS等先进工具对缺陷进行分析。

2.6 美国Teledyne

Teledyne与NRL合作也于2010年报道了78K截止波长9.4μm的256×256@ 40μm的FPA（图6），QE～40%，暗电流2～3×10^-5A/cm²（135 mV），比最好的MCT小20个因子；并制备了78K截止波长9.3μm的1k×1k，暗电流～2×10^-5A/cm²，QE～30%；2018年报道了直径0.25mm和1 mm大单元HOT MWIR InAs/InAsSbT2SL，截止波长～5.5μm，峰值响应率2.47A/W，峰值QE=72%（4.24 μm），工作温度295K，峰值D* =1. 9×10⁹ Jones。

图6 Teledyne的截止波长9.4μm的256×256@ 40μm FPA和HOT MWIR InAs/InAsSb单元器件

此外，Raytheon与JPL合作，于2006年首次报道了高质量截止波长10.5μm、78K工作的256×256@30μm LWIR FPA（图7）。

图7 Raytheon的78K工作10.5μm截止波长的256×256@ 30μm LWIR FPA

2.7 瑞典IRnova

瑞典IRnova从2014年开始制造InAs/GaSb MWIR T2SL。采用新颖的宽带隙势垒DH结构设计（如图8），极大地降低了G-R暗电流，在2.4～12μm（16 μm是其未来发展计划）取得快速发展。制备了第一代MWIR 320×256@ 30μm，成像质量稳定，空间NETD为4mK，温度NETD为12mK，f/2光学，8ms积分时间。第二代640×512@15μm的MWIR正进入工业化阶段，温度和空间NETD分别为25mK和10mK，f/4，22ms积分时间，可操作性99.85 %。第二代的NETD和操作性可比于320×256，QE＞55%，120K下暗电流密度＜3×10^-6A/cm²。采用FLIR indigo的ISC0403设计了新颖的杜瓦装置IDDCAs（和QWIP相同），相机展示了稳定的成像质量、可操作性、响应均匀性、稳定性和NETD，NETD近似为20mK，积分时间2～3ms，60Hz。

图8 瑞典（IRnova）SL FPA发展成果

通过一整套模拟设计并结合标准III-V工艺设计制备了HOT 640×512@15 μm，分别为5.3μm REDHOT（130K）和4.2μm的DEEPBLUE（150 K）。5.3μm RED HOT的QE=80%，F#4，110K，展示了卓越的成像性能，温度NETD为21mK，空间NETD为7mK，10ms积分时间，可操作性＞99.8%，进一步改进设计可工作于130K。HOT SWaP IDDCA使用小的制冷器，小杜瓦，F/4光学，尺寸为48mm×44mm×98mm，230g，展示了卓越的性能，110K的制冷时间为3min，功耗3.2W。进一步优化，REDHOT设计将达到130K，下一步将开展DEEP BLUE设计以进一步增加工作温度和降低制冷限制。

采用相似的DH结构开发了地球空间应用的2.4μm（77K）低成本高质量SWIR探测器；研发了MW双色T2SL红外探测器；开发了截止波长12.2μm的LWIR SL（3.2μm吸收区），80K下暗电流仅2倍高于MCT Rule07，QE超过30%，更厚吸收区QE可达60%；正在开发高QE和低暗电流大尺寸16μm超晶格探测器以取代MCT用于天气预报和大气预警等空间应用，从12μm开始，单元探测器暗电流仅比80K的Rule07高2～3倍。下一步将制备14.5μm到16.5μm的FPA。另外，作为EU项目（MINERVA）的一部分，与XeniCs（提供ROICs）一起合作已开始开发高分辨率截止波长5.3μm（120K）和12μm（100K）的1280 × 1024 MWIR和LWIR FPAs用于医疗癌症诊断。

2.8 以色列SCD

以色列SCD研制了称为“Pelican-D LW”高性能640×512@ 15μm XBn /XBp型势垒T2SL FPA探测器（图9）并建立了T2SL生产线。采用高QE、接近MCT rule 07的低扩散电流“XBp”结构，QE=50%，波长9.5μm，77K，具有高的可操作性和BLIP的性能及良好的稳定性。定制的n-on-p极性D-ROIC遵循成熟的MWIRPelican D-ROIC和IDCA配置，新的640×512@15μm数字ROIC具有卓越的读出噪声、RNU、功耗、帧速和良好的均匀性。77K平均暗电流为4.4×10^-5A/cm²，比光电流小15倍，比标准n-on-p LWIR二极管（0.1V偏压）暗电流小20倍，10倍于Rule07。RNU小于0.02%，可以维持几小时稳定成像（无需校正），RNU仅改变小于0.01%，65%占空比，6Me-电荷存储，帧速F/2.7，360Hz，有效帧速为30Hz。90K的BLIP工作温度，QE几乎恒定于50%，靠近MCT 10%；NEDT＜15mK，可操作性99.56%，少子寿命约10ns。

图9 以色列SCD的T2SL发展情况

此外，SCD基于模拟设计制备了具有无Ga生长优势的InAs/InSb/AlSb SWIR光电探测器平台二极管，240K BLIP工作，波长靠近2.5μm（2.2 ～ 2.5μm），D*可比于其他T2SL eSWIR的结果，在InAs和AlSb之间使用InSb界面以改进应力平衡并拓展截止波长到3.3μm，另外也报道了用MOCVD生长晶格匹配于InP的InGaAs/GaAsSbT2SL eSWIR二极管。

2.9 日本

图10显示了日本的T2SL发展规划。2009年开始研发T2SL，为了实现截止波长15μm的FPA（用于JAXA高灵敏VLWIR成像傅里叶光谱仪），从6μm InAs/GaSb T2SL开始并获得了较高的性能。使用Te掺GaSb衬底（6μm以下具有高透过性）、pBiBn结构制备了高性能截止波长6μm的320×256@ 30μm T2SL FPA。77K暗电流4×10^-7A/cm²，-20mV，QE=0.35，D* =4.1×10¹²cm·Hz^1/2/W，互连到商业ROIC，77K、F/2.3光学的NEDT为31mK，可操作性为99%。

图10 日本T2SL发展状况

然后使用InAs /GaInSb进一步提高QE和降低暗电流来设计VLWIR T2SL。首先制造了波长15μm的320×256@ 30μm（QVGA格式）的InAs/GaInSb T2SL FPA，接着开发了大面阵640×512@15μm（VGA格式）的T2SL FPA。结构差别在于ROIC的输入极性（QVGA面阵T2SLFPAs为n-on-p型FLIR ISC0903，VGA面阵为p-on-n型FLIR ISC0403）。评估对比发现T2SL SWIR相机在OH夜光照射下具有比InGaAs相机更大SRN比。

3 国内超晶格进展概况

表4大致列出了近几年国内II类超晶格FPA的进展情况。主要聚焦于中波、长波和中/长波双色，工作温度在60～80K，半导体所开发160K工作的320×256，在FPA面阵规格上是上海技物所开发了截止波长10μm的1k×1k；武汉高德、上海技物所和半导体所也均开发出了不同规格阵列的中/长波双色；中国电科十一所也进行了中波、长波和中/长波双色T2SL材料的生长器件工艺研发和组件制备工作。与国外相比，国内的T2SL FPA发展部分性能参数接近国际水平，但从SL发展的成熟度和多样性尤其是距离商业化规模发展还有很大的发展空间。

表4 国内二类超晶格发展概况表

4 超晶格技术发展的VISTA计划

为增强美国的军事实力、满足军方对更先进、低成本高性能红外传感器的需求，由美国国防部资助、夜视和电子传感器总局（NVESD）领导制定了一个为期5年（2011—2016年）的“重要红外传感器技术加速”（Vital Infrared SensorTechnology Acceleration，VISTA）计划。

VISTA计划采用国家组织研究团队的方法，把来自美国联邦资助的研发中心和政府首脑以及美国红外界有能力的工程师聚集在一起，共同研究锑基II类超晶格技术。这种模式非常成功，也吸引了其他相关项目加入到VISTA计划中。美国国防部最大的红外技术实验室汇集了管理该项目所需的专家，并组织三军、导弹防御局和美国国防部高级研究计划局（DARPA）等来指导计划的发展。美国的喷气推进实验室（JPL）作为美国国防部信任的合作伙伴之一，负责II类超晶格材料结构的设计并领导整个研究计划。JPL组织休斯研究实验室（HRL）、雷声公司（Raytheon）、L3通讯公司、洛克希德·马丁公司、泰利迪公司（Teledyne）、BAE系统公司、菲力尔系统公司（FLIR Systems）、DRS公司等8大企业组成行业联盟来进行这项研究工作。

VISTA计划没有采用传统的垂直（或纵向）集成模型，而是开发了水平（或横向）集成模型，避免这些公司中的任何一家垄断了其中一个重要步骤而导致整个产业链条失控的情况发生。在VISTA计划的整个研究过程中，各参与单位采用相同的材料结构、相同的材料生长技术和相同的读出电路，做自己的研究工作，每个季度进行一次问题查摆和审查。采用这种研究模式在较短时间内开发出很多产品。由于有良好的III－V族半导体工业基础，VISTA计划从衬底到材料生长、再到焦平面制造节约了大量成本，压缩了发展时间线，美国国防部对VISTA 计划的投资还不到1亿美元。

经过5年时间，VISTA计划顺利取得巨大成功。实现了大面阵、小像元尺寸MW、LW和MW/LW III-V族Sb基T2SL以及D-ROIC的发展。建立了两家大型GaSb衬底产业基地———IQE公司和IET公司，很好地支持以GaSb为基础的红外探测器产业的发展。IQE公司在研制5in以上（最大8in）大尺寸GaSb衬底生长技术，标准尺寸为4in；5in小规模生产；IET公司生产2～5in外延型GaSb衬底，6in正在开发。VISTA计划结束后展出了包括大尺寸GaSb衬底等20多款Sb基T2SL产品，还展出了制成的相机产品，重约10磅，寿命为10年。展现出低成本、高产量、高均匀性、高像元合格率、高稳定性以及高性能、小尺寸、轻重量和低功耗（SWaP）等很多优势。VISTA计划及发展情况如图11，主要研究成果列于表5。

图11 美国VISTA计划发展状况及主要成果展示

表5 美国VISTA计划取得的成就

VISTA计划之后，部分公司继续在联盟中保持合作关系，JPL又组织成立了新的行业联盟，其中包括IQE公司、IET公司、L3公司、FLIR公司、洛克希德·马丁公司（LMC）公司、诺斯罗普·格鲁曼公司（NGC）、雷声公司等，进行另一个5年（2017-2021年）的研发工作。VISTA后续计划目标是改进技术并开发新的产品，如中波/中波、短波/中波红外焦平面阵列等。

5 结论

本文简单归纳整理了德国、美国（CQD、JPL、QmaiQ、NRL、Teledyne和Raytheon）、瑞典（IRnova）、以色列SCD和日本等国外主要机构的II类超晶格研究成果以及国内的发展现状；美国VISTA计划的成功实施和技术突破进一步加速推动了II类超晶格红外探测技术走向现实。虽然目前和今年较长时间内MCT FPA技术仍然是市场主流，但是T2SL技术在整体系统性能和成本上可以挑战MCT，T2SL技术将在红外应用领域全方位替代MCT技术的优势已经越来越清晰。与国外相比，国内T2SL技术的发展已经具有一些技术基础，但距离产业化推广应用还有一定的差距，可以借鉴国外的先进理论和技术经验并结合具体实际工艺逐步取得突破。