本文内容转载自《人工晶体学报》2020年第12期，版权归《人工晶体学报》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。
柏伟，赵超，刘铭
华北光电技术研究所
摘要：锑化铟（InSb）晶体材料自发现伊始，基于其独特的物理化学性质和优良的工艺兼容性，成为了半导体材料领域研究的热点。近几十年来，由于其在红外探测领域的应用前景，更是深受国内外研究机构的广泛关注和重视，技术发展迅速。目前，InSb晶体材料作为制备高性能中波红外探测器的首选材料，应用前景和商业需求巨大，基于InSb晶体材料的红外探测器的快速发展更是大大提升了红外系统的性能，促进了红外技术在军民领域的广泛应用。本文主要介绍了InSb晶体材料的性质，梳理了国内外各公司及研究机构关于InSb晶体材料的研究进展，以及其在红外探测领域的应用情况，对其发展前景和趋势进行了展望。
关键词：锑化铟晶体；半导体；红外探测器；发展；应用
0 引言
锑化铟（InSb）作为一种Ⅲ-Ⅴ族二元化合物半导体材料，物理化学性质稳定、工艺兼容性优良，自发现伊始，便成了半导体材料领域研究的热点。InSb具有极窄的禁带宽度、极小的电子有效质量和极高的电子迁移率，尤其值得关注的是，其在3～5 μm光谱范围内属于本征吸收，拥有近百分之百的量子效率，使其成为了制备中波红外探测器的首选材料，应用前景和商业需求巨大。本文就InSb晶体材料的性质、国内外各公司及研究机构的研究进展及其在红外探测领域的应用情况进行综述，并对其发展前景和趋势进行了展望。
1 InSb晶体材料概述
InSb晶体结构为立方晶系闪锌矿结构，熔点798 K。作为一种直接带隙半导体材料，77 K下其禁带宽度为0.228 eV，电子迁移率更是高达106 cm2·V-1·s-1。表1列出了InSb晶体材料的一些基本特性，图1展示了几种常见红外光敏材料的量子效率图。
表1 InSb晶体材料的基本特性
图1 红外光敏材料量子效率图
图2 CZ法晶体生长原理图
2 InSb晶体材料的发展
2.1 国外发展现状
1952年，Welker首次报导了InSb材料。基于其独特的物理化学性质以及在红外探测领域的应用前景，受到了广泛重视，西方发达国家率先投入巨资进行了研发。他们对InSb晶体材料的制备方法进行了大量研究，开发了例如HZM（Horizontal Zone Melting）法、CZ（Czochralski）法、DS（DirectSynthesis）法、THM（Traveling HeaterMethod）法、SHM（Submerged HeatedMethod）法以及VB（Vertical Bridgman）法等众多生长方法，甚至进行了太空微重力环境下的InSb晶体生长实验。借由以上研究，获得了大量的研究成果，使得InSb晶体材料的制备技术获得了极大提高。表2列出了历年来国外主要科研机构InSb 晶体材料制备技术的代表性研究成果。
历经长期的技术积累及验证比较，目前主流的技术途径是采用CZ法进行InSb晶体的生长制备。图2和图3分示了CZ法晶体生长的原理图及示意图。
经过几十年的发展，国外主要发达国家如美国、加拿大和英国等已经很好地掌握了InSb晶体材料的生长和加工技术。目前国际上主要的InSb材料供应商有IQE集团（下属美国Galaxy compound semiconductors公司，英国Wafer technology公司），5N Plus集团（下属加拿大Firebird公司）等，图4～6分别展示了其主要产品。IQE集团和5N Plus集团已经实现了5英寸（12.7 cm）InSb晶片材料的产品化，并且正在进行6英寸（15.24 cm）、8英寸（20.32 cm）等更大尺寸、更高质量InSb晶片材料的商业化研究。
表2 国外历年来InSb晶体材料主要制备技术
图3 CZ法晶体生长示意图
图4 Galaxy compound semiconductors公司直径150 mm的InSb晶片
IQE集团下属的Galaxy compound semiconductors公司坐落于美国华盛顿州斯波坎市，是世界领先的GaSb与InSb晶体材料供应商。Galaxy公司主要使用CZ法进行锑化物晶体的生长制备。IQE集团下属的Wafer Technology公司坐落于英国米尔顿凯恩斯，最早成立于1957年，其在化合物半导体材料制造方面有着悠久的历史，是GaAs单晶生长的开拓者，公司拥有低压/高压CZ单晶炉、水平合成炉和VGF单晶炉等多种晶体生长设备。IQE集团日常生产2～5英寸（5.08～12.70 cm）InSb晶体。
5N Plus集团下属的加拿大Firebird公司成立于1991年，公司坐落于加拿大特雷尔，是锑化物半导体材料的领先制造商，其在高纯元素生产、金属合成提纯、CZ法晶体生长等方面设备完备、技术成熟，公司日常生产2～5英寸InSb晶体。表3列出了国际主要供应商InSb产品的性能参数。
图5 Wafer technology公司的2、3、4英寸（1英寸= 2.54 cm）InSb晶体
图6 Firebird公司的2、4、5英寸（1英寸= 2.54 cm）InSb晶体及各类型InSb晶片
表3 国际主要供应商InSb产品性能参数
近年来，IQE集团在InSb晶体材料研究上主要集中在两个方面，第一个是提升2～5英寸产品的质量和标准化，使其生长质量和工艺控制达到与GaAs和InP等较成熟晶体材料相一致的水平；第二个是提升InSb晶体材料的尺寸，2014年其报导了6英寸（15.24cm）InSb晶体材料的研制工作，针对大尺寸晶体位错控制和Epi-ready晶片制备工艺进行了研究。
5N Plus集团近些年对InSb晶体材料的研究主要集中在大尺寸晶体生长工艺优化控制方面，针对低位错密度和高电学均匀性这两个对于红外器件制备特别敏感的关键参数进行了优化提升。此外，研究团队还创新性地将晶体生长方向由（n11）晶向变为了（111）晶向，很大程度上提高了单根晶体的出片数和出片总面积。
总体来看，更大尺寸、更高质量的InSb晶体材料是未来的发展方向，更是商业需求，但是更大尺寸晶体的生长制备需要协同配套更加庞大且复杂的晶体生长设备，这对专用设备的研发制造也提出了新的挑战，图7为晶体尺寸与配套晶体生长炉尺寸的对比示意图。
图7 CZ晶体炉尺寸与晶体尺寸对比示意图
2.2 国内发展现状
我国开展InSb晶体材料的研究始于1958年，在国外发达国家对我国实行严密技术封锁的情况下，通过国家的大力支持及科技人员的不断探索，到20世纪80年代，国内InSb晶体材料的研究进入了工程实用化阶段，InSb晶体最大直径做到了20 mm。在此后的多年间，昆明物理研究所、华北光电技术研究所进行了InSb晶体材料的技术攻关，极大地推进了我国InSb晶体材料的技术进步，为相关器件的科研生产奠定了良好的材料基础。
昆明物理研究所隶属于中国兵器工业集团公司，是以红外热成像技术研究和开发为主要方向的专业技术研究所。昆明物理研究所InSb晶体材料的研究工作始于20世纪60年代，最初源于北京物理所，1964年北京物理所红外专业部部分迁到现在的昆明物理研究所，继续这一研制工作。昆明物理研究所雷胜琼等2007年报道了其InSb晶体材料的研究，＜211＞方向生长的晶体直径达到了40 mm，位错密度小于50 cm-2，＜111＞方向生长的晶体直径达到60 mm，截至目前，未见更多报道，图8和图9分别展示了其InSb晶体材料的相关研究成果。
图8 昆明物理研究所InSb单晶材料
华北光电技术研究所隶属于中国电子科技集团公司。成立于1956年的华北光电技术研究所是中国第一家电子元器件和材料研究所，是电子工业系统最早成立的几家研究单位之一。华北光电技术研究所开展InSb晶体材料研究源于1966年，经过半个世纪的发展，积累了丰富的科研生产经验。2018年，华北光电技术研究所柏伟等报导了其4英寸（10.16 cm）高质量InSb晶体材料的研究，解决了大尺寸InSb晶体生长的直径控制技术、位错密度控制技术和电学参数控制技术等，得到了大尺寸InSb单晶并加工出高质量4英寸InSb抛光晶片，位错密度小于100cm-2、电学参数均匀，抛光晶片的表面粗糙度（Ra）小于1 nm，晶片总厚度变化（TTV）及翘曲度（Warp）均小于10 μm，形成了大尺寸InSb材料自主可控的创新能力。图10和图11分别展示了其InSb晶体材料的相关研究成果。
图9 昆明物理研究所制备的各用途InSb晶片
图10 华北光电技术研究所1、1.5、2、3、4英寸（1英寸= 2.54 cm）InSb单晶材料
图11 华北光电技术研究所4英寸（10.16 cm）InSb抛光晶片
3 InSb晶体材料的应用
InSb晶体材料主要应用于红外探测领域，此外其在磁敏器件方面也有所涉及，本文主要对红外探测领域的应用情况进行介绍。虽已历经半个世纪的发展，InSb晶体材料由于其极窄的禁带宽度、极小的电子有效质量、极高的电子迁移率以及3～5 μm波段近百分之百的量子效率，至今仍是制备高性能中波红外探测器的首选材料，InSb红外探测器也成为了中波波段应用最为广泛的一种探测器。
3.1 InSb红外探测器发展
经过几十年的发展，基于InSb晶体材料的红外探测器完成了从单元、少元、多元线列到面阵凝视方向的快速发展。目前，国外公开报导的InSb红外焦平面探测器的阵列规模实现了从320 × 256元、640 × 512元到1K × 1K、2K× 2K及4K × 4K拼接型的全面覆盖。InSb红外探测器暗电流小，响应线性度好，响应率和灵敏度极高，性价比优势十分突出。以美国为首的主要发达国家非常成功地开发出了InSb红外探测器制备技术，使其进入了大规模应用阶段，有利促进了红外技术在天文观测、精确制导、预警探测、搜索跟踪、安全监视、辅助驾驶、工业检测等军民领域的广泛应用，取得了很好的效果。
国外发达国家InSb红外焦平面探测器研制生产的代表公司主要包括美国的Raytheon公司（Santa Barbara Research Center）、Lockheed Martin公司（Santa Barbara Focal plane）、CMCEC公司（CMC Electronics Cincinnati）、FLIR公司，以色列的SCD公司以及英国的Qineti Q公司等，表4列出了世界主要厂家的典型产品及相关性能参数。
表4 世界主要厂家的典型InSb红外焦平面探测器及相关性能参数
3.2 InSb红外探测器应用
3.2.1天文观测
1996年，美国Santa Barbara Research Center（SBRC）为“阿拉丁”（ALADDIN）计划成功研制了阵列规模为1K × 1K的InSb红外焦平面探测器，其像元尺寸为27 μm，暗电流小于0.1 e/sec，如图12所示。SBRC于1998年被Raytheon公司收购后很快实现了InSb焦平面探测器的大规模量产。2004年，Raytheon公司为美国宇航局JamesWebb空间望远镜（JWST）提供了2K × 2K的InSb红外焦平面探测器，如图13所示。2009年，Raytheon公司发布了阵列规格更为巨大的4K × 4K及4K × 24K拼接的焦平面阵列，这是目前见诸报导的最大规格的InSb红外焦平面阵列，如图14所示，图15展示了大规格的InSb红外焦平面探测器收集到的太空红外图像。
图12 Raytheon公司研制的用于ALADDIN计划的1K × 1K InSb红外焦平面阵列
图13 Raytheon公司研制的用于天文观测的两款2K× 2K InSb红外焦平面阵列
图14 Raytheon公司研制的4K × 4K和4K × 24K拼接InSb红外焦平面阵列
图15 大规格的InSb红外焦平面探测器收集到的太空红外图像
3.2.2 精确制导
InSb红外探测器性能稳定可靠，响应率和灵敏度极高，其在精确制导领域应用广泛、优势十分突出，覆盖了包括便携式防空导弹、反坦克导弹、空-空导弹以及巡航导弹等在内的多种红外制导导弹。
1969年，便携式防空导弹首次参加实战，其后多年间，得到了大量的装备及使用。中东战争、越南战争、阿富汗战争中，便携式防空导弹击落了大量的飞机和直升机，以极其低廉的成本打击高价值目标，在战场上大放异彩。图16展示了美国著名的“毒刺”导弹，其最新型产品采用的便是128 × 128元InSb红外焦平面导引制导。截至目前，虽然经过了半个世纪，便携式防空导弹的需求仍旧是长盛不衰。
反坦克导弹方面，美国“坦克破坏者”AAWS-M中程反坦克导弹采用了62 × 58元InSb红外焦平面探测器。图17为以色列“长钉”反坦克导弹，其采用了128 × 128元InSb红外焦平面探测器。
空-空导弹方面，采用4 × 128元InSb红外焦平面探测器的德国“IRIS-T”导弹列装在了“狂风”战机上。采用128 × 128元InSb红外焦平面探测器的法国“MICA”导弹列装在了“阵风”、“幻影2000”等各种机型的战机上。采用256× 256元InSb红外焦平面探测器的以色列“怪蛇”-5导弹更是广泛列装在了“幻影”“幼狮”以及“F-15”攻击鹰和“F-16”战隼等各种机型的战机上。图18展示了历经多次实战并取得优异战果的美国“响尾蛇”AIM-9X导弹，其采用了128 × 128元InSb红外焦平面探测器，现已大量出口并列装在了众多“北约”成员国家。
图16 “毒刺”便携式防空导弹
图17 “长钉”反坦克导弹
图18 “响尾蛇”AIM-9X导弹
图19 KEPD-350巡航导弹
巡航导弹方面，一般要求红外焦平面探测器有着较高的帧频速度以及超高的响应率和灵敏度。图19展示了公开报导的KEPD-350巡航导弹，其具有几百公里的巡航打击能力，由瑞典和德国合资公司Tranrus GmbH研发，其红外寻的器配置的是256 × 256元InSb红外焦平面探测器，配合J-T制冷器，可以实现在各个高度的高速飞行。
3.2.3 弹道导弹防御
弹道导弹防御系统主要包括三个部分，分别是来袭导弹的探测监视系统、导弹识别跟踪系统和反导导弹防御拦截系统。美国在轨监视的预警卫星中应用了6000元InSb线列红外探测器，实现了对全球导弹发射的监视、探测、预警、跟踪等。
美国反导导弹防御拦截系统中，重点部署了海基导弹防御系统和陆基高空防御系统，可有效拦截射程在600～3500 km的中程弹道导弹。众所周知的萨德系统（THAAD），作为陆基高空防御系统的重要组成部分，其末端高空防御拦截导弹由Lockheed公司制造，导引头配置了512 × 512元的InSb红外焦平面探测器，可以对来袭导弹进行有效探测、识别、跟踪、拦截。此外，美国还装备了低空导弹防御拦截系统，以应对突破高空防御进入大气层的来袭导弹，主要包括“标准Ⅱ-ⅣA”导弹以及和以色列共同研制的“箭-2”导弹，它们的导引头均采用了256 × 256元InSb红外焦平面探测器。图20展示了Lockheed公司研制的640× 512元、20 μm像元间距的InSb红外焦平面阵列。图21和图22分别为萨德系统（THAAD）的末端高空防御拦截导弹和箭2反导导弹。
图20 Lockheed公司研制的640 × 512元、20 μm像元间距的InSb红外焦平面阵列
图21 高空区域防御系统（THAAD）
图22 箭2反导导弹
3.2.4 搜索与跟踪
红外搜索与跟踪系统一般由扫描望远镜、红外探测器、实时信号处理电路、计算机控制及显示系统等构成。目前，红外搜索与跟踪系统已经广泛应用于军民领域，美国更是将红外搜索与跟踪系统大量装备在各个军种。为配合战机、军舰等不同的作战环境，红外搜索与跟踪系统配置的红外焦平面探测器一般都需要克服恶劣的条件，满足高振动、高低温度冲击、高潮湿盐雾等使用环境，这对红外探测器的可靠性提出了很高的要求。InSb红外探测器稳定性好，在F数较大、工况环境恶劣的红外系统中仍能保持优良的灵敏度及可靠性，这使其得到了大量的装备和使用。
美国海军舰载红外搜索与跟踪系统配备了640 × 480元InSb红外焦平面探测器，主要用于搜索和跟踪空中目标，为舰载防御武器系统提供实时目标信息，以应对敌方诸如巡航导弹等的攻击。“旋风”级巡逻舰上，装备了FLIＲ公司AN/KAX-1型“海上前视红外”搜索与跟踪系统，其配备的也是InSb红外焦平面探测器。
美国空军“捕食者”和“探索者”无人机装备的红外搜索与跟踪系统中，配备了320 × 240元InSb红外焦平面探测器。装备有“夜间猎手”-AN/AAS-51A的海上巡逻机更是配备了640 × 480元InSb红外焦平面探测器，如图23所示。加拿大红外搜索与跟踪系统MX-20中也配置了640 × 480元InSb红外焦平面探测器，是海军陆战队AH-12直升机红外搜索与跟踪系统的关键组成单元，如图24所示。
图23 AN/AAS-51A红外搜索与跟踪系统
图24 MX-20红外搜索与跟踪系统
3.2.5 红外成像
红外成像系统是红外应用中最为广泛的系统，其应用环境涵盖了安全监视、辅助驾驶、工业检测等各个领域。图25展示了美国CMCEC公司批量生产的2K× 2K、1K × 1K红外焦平面阵列及配套红外成像相机系统。图26显示的是1K × 1K红外焦平面探测器的成像图像，图27显示的是从2K × 2K红外焦平面探测器中获得的各个级别缩放的红外成像图像。2014 年，以色列SCD公司推出了Blackbird型10 μm 1920 ×1536元数字化InSb红外焦平面探测器，像元合格率大于99.8%，暗电流小于1.3 pA，采用了数字式读出电路，探测器组件抗干扰能力得到大幅提升，噪声明显降低，成像效果优异，图28展示的是Blackbird探测器组件及其高空间分辨率红外成像图像。
图25 CMCEC公司生产的2K × 2K、1K × 1K红外焦平面阵列（a）和红外成像相机系统（b）
图26 CMCEC 1K × 1K红外焦平面探测器成像图像
图27 从CMCEC公司2K × 2K红外焦平面探测器中获得的各个级别缩放的成像图像
3.2.6 集成探测
近年来，基于InSb晶体材料制备的红外探测器还被应用在了双多色集成的探测器中，使得在一个探测器中集成了多种探测器来探测多个波长的信号，图29示出了一款集成了包括InSb、HgCdTe及Si在内的多色探测器。此外，也有以MBE为手段，在InSb衬底上外延InSb、InAlSb、InAsSb等薄膜，来提高红外探测器的整体性能，甚至是与微波或毫米波雷达一起组成微波/红外和毫米波/红外制导探测系统等。
图28 Blackbird探测器组件及其在F/3、2 km远的成像图
图29 多色探测器
4 结语和展望
InSb晶体材料历经多年发展，美国等发达国家已经很好的掌握了其生长和加工技术，实现了5英寸（12.7 cm）InSb晶片的产品化，并且正在进行6英寸、8英寸等更大尺寸、更高质量InSb晶片材料的商业化研究，这为提高红外探测器的产量及性能，降低探测器的价格，更好地推动高性能InSb红外焦平面探测器的发展及应用奠定了良好基础。国内InSb晶体材料的研究在一些较小尺寸的晶体方面已经较为成熟，2、3英寸的InSb晶体材料有些参数甚至还优于国外最高水平。但总体来看，国内InSb晶体材料在晶体尺寸、生长过程自动化以及工艺标准化等方面与国外尚有一定差距，需要进行更大的技术投入。未来，随着InSb晶体材料在红外探测器以及其他领域的应用与发展，更大尺寸、更高质量的InSb晶体材料发展前景和商业需求巨大。
