量子阱紅外探測器(QWIP)調(diào)研報告

1、1量子阱紅外探測器（量子阱紅外探測器（QWIP）調(diào)研報告）調(diào)研報告信信 息息 戰(zhàn)戰(zhàn) 略略 中中 心（心（2007.07.12）引言引言.21、量子阱紅外探測器的原理、量子阱紅外探測器的原理.31.1 量子阱紅外探測器基本原理簡介.31.2 QWIP 的幾種躍遷模式.41.3 量子阱結(jié)構(gòu)的選擇.61.4 QWIP 的材料選擇.71.5 入射光的耦合.91.6 QWIP 的性能參數(shù).111.7 量子阱周期數(shù)對器件性能的影響9.121.8 QWIP 的抗輻射機(jī)理與方法.13參考文獻(xiàn)：.172、量子阱紅外探測器的制備方法、量子阱紅外探測器的制備方法.192.1 直接混雜法制備紅外探測器焦平面陣列像元.

2、193、量子阱紅外探測器的國內(nèi)外主要應(yīng)用、量子阱紅外探測器的國內(nèi)外主要應(yīng)用.223.1 紅外探測器分類.223.2 紅外探測器發(fā)展歷程.233.3 紅外探測器基本性能參數(shù).233.4 各種焦平面陣列（FPAS）的性能比較.253.5 紅外成像系統(tǒng)的完整結(jié)構(gòu).263.5.1 焦平面結(jié)構(gòu).273.5.2 讀出電路.273.6 QWIP 探測器實例分析.293.7 QWIP 的應(yīng)用領(lǐng)域及前景分析.31參考文獻(xiàn)：.332引言引言半導(dǎo)體量子阱(Qw)、超晶格(SL)材料是當(dāng)今材料科學(xué)研究的前沿課題，被比喻為實驗中的建筑學(xué)， 即以原子為最小砌塊的微觀建筑學(xué)。它所產(chǎn)生的人工晶體， 其性質(zhì)可人為改變控制， 它

3、比通常意義上的晶體材料具有巨大的優(yōu)越性和發(fā)展前景。它的一個極有前途、極為重要的應(yīng)用領(lǐng)域是新型紅外探測器， 即第三代紅外焦平面量子阱探測器。量子阱新材料是發(fā)展新型紅外探測器的先導(dǎo)。紅外焦平面探測器是從單元和線陣基礎(chǔ)上發(fā)展起來的第三代紅外探測器， 它標(biāo)志著熱像技術(shù)已從“光機(jī)掃描”躍進(jìn)到“凝視” 這個高臺階， 從而使熱像系統(tǒng)的靈敏度、可靠性、功能容量及實時性等都獲得無以倫比的矚目進(jìn)步。眾所周知， 探測器是決定紅外系統(tǒng)屬性的主要矛盾，基于紅外焦平面探測器的問世， 它與信號讀出處理電路一體化的成功， 以及長壽命閉環(huán)斯特林致冷器的實用化， 使紅外焦平面探測器在以下重要領(lǐng)域得到重要應(yīng)用或正在考慮其應(yīng)用： 空

4、間制導(dǎo)武器。如用焦平面探測器導(dǎo)引頭攔截衛(wèi)星； 紅外預(yù)警衛(wèi)星及機(jī)載紅外預(yù)警系統(tǒng)； 巡航導(dǎo)彈、地地導(dǎo)彈、空地導(dǎo)彈、防空導(dǎo)彈、海防導(dǎo)彈及反艦導(dǎo)彈的紅外制導(dǎo)系統(tǒng)的基本組成； 地基(包括艦艇平臺)紅外制導(dǎo)站及紅外搜索， 跟蹤系統(tǒng)； 小型導(dǎo)彈制導(dǎo)及夜間瞄準(zhǔn)； 坦克、飛機(jī)、艦艇等運(yùn)載工具的夜間觀測、目標(biāo)瞄準(zhǔn)、自動跟蹤等。紅外焦平面探測器早期實用的是Pbs， 現(xiàn)在的重點(diǎn)是碲鎘汞，Si：Pt及半導(dǎo)體量子阱焦平面探測器。其中半導(dǎo)體量子阱焦平面探測器， 在五年內(nèi)接近走完了碲鎘汞(MCT)探測器30年的歷程， 現(xiàn)在雖然在探測度指標(biāo)上還不如MCT， 但經(jīng)過進(jìn)一步的攀登， 這種完全靠科學(xué)家、計算機(jī)的， 由MBE或MOCN

5、D技術(shù)制造的新一代焦平面器件可能成為現(xiàn)代國防的復(fù)眼。無疑，今后哪個國家能搶占這個高地，這將在各國國防力量的對比方面產(chǎn)生重要的影響。31、量子阱紅外探測器的原理、量子阱紅外探測器的原理1.1 量子阱紅外探測器基本原理簡介量子阱紅外探測器基本原理簡介傳統(tǒng)帶間光吸收指電子吸收光子后，從價帶躍遷到導(dǎo)帶，從而產(chǎn)生一個光生電子空穴對，這些光生載流子在外加偏壓的作用下，被收集形成光電流，這是傳統(tǒng)基于帶間吸收半導(dǎo)體光電探測器的基本原理。這種吸收要求光子的能量大于材料的禁帶寬度，因此對于紅外光來講，需要材料具有很小的禁帶寬度才能發(fā)生這種光吸收。比如要探測 10m 波長的紅外輻射，需要材料的禁帶寬度小于 0.1e

6、V。因此基于傳統(tǒng)帶間吸收的紅外探測器一般采用具有窄帶隙的HgCdTe 材料。對于“寬”帶隙材料構(gòu)成的多量子阱結(jié)構(gòu)，通過量子阱結(jié)構(gòu)與摻雜的設(shè)計，在量子阱內(nèi)形成特定的子能級，這樣在紅外光的作用下，可以發(fā)生量子阱內(nèi)子能級之間或者子能級到連續(xù)態(tài)之間的躍遷（圖 1.1.1）1，這些受激發(fā)的載流子在偏壓作用下被收集形成光電流。這就是量子阱紅外探測器（QWIP）的基本原理。圖 1.1.1 量子阱的能帶結(jié)構(gòu)與帶內(nèi)躍遷1量子阱紅外探測器利用半導(dǎo)體多量子阱（超晶格）材料制成,其機(jī)理是利用量子阱導(dǎo)帶（或價帶）內(nèi)子能帶間或子能帶到擴(kuò)展態(tài)間的電子（或空穴）躍遷。根據(jù)探測波段的不同可分為：以 InP 襯底上生長的 InG

7、aAs/InAlAs QWIP 為代表的短波紅外探測器；以 AlGaAs/GaAs QWIP 為代表的中長波探測器。電學(xué)結(jié)構(gòu)方4面，一般為 N-I-N（n 型）和 P-I-P 型（p 型）。比如，對于載流子為電子的 n型 QWIP，兩端 N 型摻雜層作為接觸層，中間的 I 區(qū)為低摻雜的多量子阱區(qū)域。無光照時，電子被束縛在導(dǎo)帶阱內(nèi)，I 區(qū)的電阻很高，在紅外輻射下，I 區(qū)的束縛電子躍遷到激發(fā)態(tài)，在偏壓作用下被兩端電極收集形成光電流。1.2 QWIP 的幾種躍遷模式的幾種躍遷模式在量子阱結(jié)構(gòu)設(shè)計中，從減小器件暗電流，提高探測器探測率角度出發(fā)，研究人員先后提出了四種躍遷模式23：束縛態(tài)到束縛態(tài)（B-B

8、 QWIP）、束縛態(tài)到連續(xù)態(tài)（B-C QWIP）、束縛態(tài)到準(zhǔn)束縛態(tài)（B-QB QWIP）以及束縛態(tài)到微帶（B-MiniB QWIP）。圖 1.2.1 束縛態(tài)到束縛態(tài)躍遷的能帶結(jié)構(gòu)示意圖2世界上第一臺 QWIP 就屬于 n 型摻雜的 B-B QWIP。量子結(jié)構(gòu)如圖 1.2.1 所示，基態(tài)和第一激發(fā)態(tài)均為束縛態(tài)。當(dāng)探測器吸收紅外輻射，位于基態(tài)的電子受光激發(fā)越遷到第一激發(fā)態(tài)，在偏置電場作用下隧穿出量子阱，形成光電流。由于這里存在電子遂穿過程，所需的偏置電壓較大（3V），并且勢壘厚度也不宜過大，因此這種遂穿模式中基態(tài)電子遂穿引起的暗電流較大。如果適當(dāng)增加勢壘厚度和高度可以減少引起暗電流的基態(tài)電子隧穿數(shù)

9、目，從而提高器件的探測率。通過減小阱寬，使 B-B QWIP 中的第一激發(fā)態(tài)成為連續(xù)態(tài)，即束縛態(tài)到連續(xù)態(tài)躍遷的 QWIP（B-C QWIP），如圖 1.2.2 所示2。B-C QWIP 的主要優(yōu)點(diǎn)是電子直接被激發(fā)到連續(xù)態(tài)上，不需要隧穿過程，可以降低收集光電子所需的偏置電壓從而降低暗電流。另外不需要考慮勢壘厚度對光電子收集效率的影響，可以通過增加勢壘厚度有效地降低由基態(tài)電子隧穿引起的暗電流。Levine 等4早在 1990 年就基于這兩個因素，使 B-C QWIP 的探測率達(dá)到 31010cm Hz1/2/W，5截至波長 10m，工作溫度 68K。圖 1.2.2 束縛態(tài)到連續(xù)態(tài)躍遷的能帶結(jié)構(gòu)示意

10、圖2一般認(rèn)為，較低溫（50K）時，暗電流基本由基態(tài)載流子的連續(xù)共振遂穿決定，在較小偏壓下其值會大幅降低；較高溫（77K）時，暗電流基本由載流子的熱激發(fā)決定。因此為了進(jìn)一步降低暗電流，提高探測率，1995 年加州理工學(xué)院的 Gunapala 等人設(shè)計了基態(tài)為束縛態(tài)，第一激發(fā)態(tài)為準(zhǔn)束縛態(tài)的量子阱結(jié)構(gòu)。通過改變阱寬、勢壘寬度和高度，使第一激發(fā)態(tài)位于量子阱的頂部（圖1.2.3）。如圖 1.2.4 所示，在 B-C QWIP 中，對熱激發(fā)而言勢壘高度比光激發(fā)低，因此熱激發(fā)的噪聲較大；而在 B-DB QWIP 中，熱激發(fā)和光激發(fā)的勢壘是一樣大的，因此相比于 B-C QWIP，大大降低了其暗電流，也就提高了

11、器件的探測率。圖 1.2.3 束縛態(tài)到準(zhǔn)束縛態(tài)躍遷的能帶結(jié)構(gòu)示意圖36圖 1.2.4 B-C QWIP 和 B-DB QWIP 能帶結(jié)構(gòu)示意圖以及暗電流對比2另一中躍遷模式為束縛態(tài)到微帶（B-MiniB QWIP）的躍遷，如圖 1.2.5 所示。各量子阱內(nèi)子能級之間的耦合產(chǎn)生了一定的微帶，載流子從基態(tài)躍遷到這一微帶中發(fā)生輸運(yùn)作用。圖 1.2.5 束縛態(tài)到微帶躍遷的能帶結(jié)構(gòu)示意圖31.3 量子阱結(jié)構(gòu)的選擇量子阱結(jié)構(gòu)的選擇器件設(shè)計時，量子阱結(jié)構(gòu)一般設(shè)計成對稱的矩形結(jié)構(gòu)，這樣的優(yōu)點(diǎn)是：量子阱中能級的計算簡單，便于材料結(jié)構(gòu)和器件結(jié)構(gòu)的設(shè)計。但是對稱的量子阱結(jié)構(gòu)中，能級之間的躍遷選擇性強(qiáng)，也就導(dǎo)致了響應(yīng)

12、波長相對單一，另外，設(shè)計對稱的量子阱結(jié)構(gòu)中可變的參數(shù)也相對較少。非對稱量子阱結(jié)構(gòu)也被廣泛用于 QWIP 器件中，它給設(shè)計帶來了更多的自由度以及更多的可選躍遷波長。比如對于圖 1.3.1 中的階梯量子阱1，我們可以觀測到 E1到 E2以及 E1到 E3的躍遷，而在對稱量子阱中，E1到 E3的躍遷則是被7躍遷禁止的。圖 1.3.1 階梯量子阱能級以及能級間躍遷11.4 QWIP 的材料選擇的材料選擇目前量子阱紅外探測器的研制絕大部分基于 GaAs 基的 GaAs/AlGaAs 多量子阱或者 GaAs/InGaAs/AlGaAs 多量子阱；其中前者材料的晶格相匹配，有利于生長高質(zhì)量的量子阱材料，后者

13、在材料生長時應(yīng)該考慮到晶格失配帶來的應(yīng)力問題，但是后者在量子阱結(jié)構(gòu)設(shè)計方面的自由度更大，有利于實現(xiàn)不同紅外波段的探測。當(dāng)然，在同一 GaAs 襯底上，也可以同時存在 GaAs/AlGaAs 量子阱和 GaAs/InGaAs/AlGaAs 量子阱，并且通過變化其中 Al、In 的組分以實現(xiàn)多色探測5。GaAs 基材料生長與器件制備工藝已經(jīng)相當(dāng)成熟，這非常有利于制備大面積的 QWIP 焦平面陣列（FPA） 。目前，GaAs 基 FPA 已實現(xiàn)商品化，相對于HgCdTe FPA，在成品率和成本控制上具有很大優(yōu)勢。GaAs 基 QWIP 的優(yōu)點(diǎn)主要有：（1）波長連續(xù)可調(diào)；（2）材料生長和器件制備技術(shù)成

14、熟，可獲得大面積、均勻性好、低成本、高性能的紅外焦平面；（3）光譜響應(yīng)帶寬窄，可控制（約為 1m） ，在不同波段之間的光學(xué)串音小，可以通過不同材料結(jié)構(gòu)設(shè)計獲得不同波段的響應(yīng)，適合制作雙色、多色焦平面探測器。（4）抗輻射，適合于天基紅外探測及其應(yīng)用。8可以說，這些 GaAs 基 QWIP 的優(yōu)點(diǎn)基本上代表了整個 QWIP 的優(yōu)點(diǎn)。目前，對 InP 基 QWIP 的研究也投入了相當(dāng)?shù)墓ぷ?7，相對于 GaAs 基材料，InP 基材料的優(yōu)勢主要有：（1）In0.53Ga0.47As/In0.52Al0.48As 異質(zhì)結(jié)構(gòu)與 InP襯底晶格匹配，且其導(dǎo)帶帶階為，高于 GaAs/AlGaAs 量子阱,因

15、550CEmeV此易于制作短波長 QWIP。 （2）InP 基近紅外（特別是光通信波段）探測器和激光器的發(fā)展相當(dāng)成熟，In0.53Ga0.47As/InP 異質(zhì)結(jié)構(gòu)晶格匹配，被廣泛用于光通信光源和探測器并有著高度發(fā)展的制備工藝。InP 基 QWIP 易于實現(xiàn)近紅外、中紅外、遠(yuǎn)紅外波段的多色探測。 （3）與 GaAs/AlGaAs 相比，InP 基 QWIP 的響應(yīng)度較高，因為電子在 AlGaAs 中的輸運(yùn)容易受到氧相關(guān)缺陷的影響，并且 Al的氧化不利于某些器件制作工藝，而 InP 基 InGaAsP/InP 材料不存在這些問題，因此在 In0.53Ga0.47As/InP 材料中，熱電子的平均

16、自由程要遠(yuǎn)大于 GaAs/AlxGa1-xGs 材料，利于載流子輸運(yùn)，提高響應(yīng)度。當(dāng)然 InP 基材料相對于 GaAs 基材料來說，其不足也很明顯。比如，InP 基材料較為昂貴，制作大面積 FPA 方面成本較高；另外 InP 材料易碎，給器件制備帶來一定困難。InAs/GaInSb 超晶格結(jié)構(gòu)具有型能帶結(jié)構(gòu)，如圖 1.4.1 所示，其中分別形成了電子（E1）和空穴（HH1）的微帶結(jié)構(gòu)，這樣整個超晶格結(jié)構(gòu)的帶隙基本在0250 meV 之間變化，可以實現(xiàn)紅外光探測。當(dāng)然，該材料體系被應(yīng)用于紅外光探測，其機(jī)理與 QWIP 完全不同。9圖 1.4.1 InAs/GaInSb 超晶格的能帶結(jié)構(gòu)示意圖8I

17、nAs/GaInSb 超晶格結(jié)構(gòu)對正入射光有很強(qiáng)的吸收，因此可以得到很高的響應(yīng)度，目前基本已經(jīng)達(dá)到 HgCdTe 材料的水平；另外，光伏的工作模式、較高的工作溫度也是其優(yōu)勢。這種材料在第三代紅外光探測系統(tǒng)中具有很強(qiáng)的競爭力。但是這一材料體系，發(fā)展的較晚，在材料生長、器件制備工藝、襯底的選擇方面都存在一定的問題8。1.5 入射光的耦合入射光的耦合根據(jù)量子躍遷選擇定則，對于 n 型量子阱紅外探測器，只有電矢量垂直于量子阱生長面的入射光才能被子帶中的電子吸收由基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，所以需要進(jìn)行光耦合才能使輻射被探測器吸收。一種方法是讓入射光線與量子阱成 45角，即邊耦合方式（圖 1.5.1），就是在器件

18、的一邊刻蝕出傾角為 45的斜面，這種耦合方式只適用于線陣列和單個器件而且這種耦合方式也不夠均勻。圖 1.5.1 邊耦合結(jié)構(gòu)示意圖2二維周期光柵耦合(CGW)是目前應(yīng)用最廣泛的耦合方式（圖 1.5.2），光柵在探測器表面的 2 個垂直方向上周期性重復(fù)。紅外光束在量子阱區(qū)經(jīng)歷 1 次衍射，2 次反射。雖然 CGW 耦合模式比邊耦合模式好，但是光柵耦合依靠集合的衍射效應(yīng)，光敏元臺面越大耦合的量子效率和探測率越高，但為了提高器件的分辨率必須減小臺面尺寸，而這樣做會影響 CGW 耦合的性能參數(shù)。并且 CGW耦合對探測波長有選擇性，這是由光柵耦合固有特性決定的。這些因素都制約了光柵耦合技術(shù)在寬帶探測和復(fù)色

19、探測方面的應(yīng)用。10圖 1.5.2 二維周期光柵耦合示意圖2隨機(jī)反射耦合(CRR)是針對不同的探測波長設(shè)計所需要的隨機(jī)反射單元（圖1.5.3），通過光刻技術(shù)在頂層 GaAs 接觸面上隨機(jī)刻蝕出反射單元，形成粗糙的反射面，垂直于襯底入射光束遇到反射面將發(fā)生大角度反射，這些角度大部分符合全反射條件，光束被捕獲在量子區(qū)域，只有晶體反射錐角內(nèi)小部分輻射逃逸，從而增加了可吸收路徑次數(shù)，提高了量子效率和探測率。無論對于大面積焦平面陣列還是單個器件，隨機(jī)反射耦合都是一種比較優(yōu)秀的耦合方式。但是由于光刻工藝的制約，在光敏元臺面面積較小的情況下，在臺面上刻蝕反射單元比較困難，所以 CRR 耦合不太適合小面積的光

20、敏元。圖 1.5.3 隨機(jī)反射耦合示意圖2波紋耦合是由普林斯頓大學(xué)的科學(xué)家提出的（圖 1.5.4），它是通過化學(xué)的方法，在量子阱區(qū)域刻蝕出 V 型槽，刻蝕深度達(dá)到底層 GaAs 接觸層，器件表面就由一些三角線組成。如圖示光路，光在 AlGaAs 和空氣界面發(fā)生全反射，入射光束在量子阱區(qū)的路徑幾乎平行于量子阱生長面，有利于量子阱對輻射的吸收，提高器件量子效率。波紋耦合的光耦合效率與 V 型槽的數(shù)目關(guān)系不大，因此波紋耦合更適于光敏元小的探測器。在波紋耦合中全反射與探測器的波長沒有關(guān)系，所以探測的波長范圍可以從 3m17m，對于寬帶探測和復(fù)色探測來說，波紋耦合是理想的光耦合模式。11圖 1.5.4

21、波紋耦合結(jié)構(gòu)示意圖21.6 QWIP 的性能參數(shù)的性能參數(shù)圖 1.6.1 QWIP 中量子阱結(jié)構(gòu)示意圖8QWIP 的性能一般由以下幾個參數(shù)表征：QWIP 光電流：光電流：，q 為電子電量，F(xiàn) 為入射光子流（1/s） ，為量piqF g子效率，g 為光電流增益：（為載流子漂移速度，為上能級壽命，dLTOTvgLdvL為超晶格的總長度） 。TOTL暗電流：暗電流：較低溫（1Mrad(HgCdTe)的輻照下仍能工作。這意味著混成結(jié)構(gòu)的探測器的抗輻射能力不再由其敏感元列陣決定，而主要由CMOS讀出電路決定。敏感元列陣和讀出電路通過銦柱焊接在一起，敏感元列陣必須工作在低溫下，所以讀出電路也在低溫下工作。

22、由于氧化層的電荷捕獲作用在低溫下得到加強(qiáng)，CMOS在低溫下的總劑量效應(yīng)變得比室溫時更嚴(yán)重。敏感元列陣與未經(jīng)過抗輻射加固的讀出電路組成的器件在數(shù)十Krad(SiO2)的輻射下就會失效。低溫下抗輻射劑量達(dá)Mrad(SiO2)的讀出電路也可以生產(chǎn)，但這樣器件的成本會很高，有生產(chǎn)能力的生產(chǎn)線也很少目前一些商用CMOS電路也有一定的抗輻射能力，這樣在一些商用生產(chǎn)線上生產(chǎn)該探測器就成為可能。這樣生產(chǎn)出來的器件就可以適應(yīng)空間輻射環(huán)境。（2）量子阱紅外探測器量子阱紅外探測器，采用了“寬”帶隙的多量子阱結(jié)構(gòu)，其材料本身的抗輻照性能要大大好于HgCdTe材料。但是在射線等電離輻射的轟擊下，量子阱紅外探測器的量子阱

23、價帶中的電子會吸收這些高能射線后躍遷到導(dǎo)帶中，產(chǎn)生出電子-空穴對，即產(chǎn)生了輻照的電離效應(yīng)。然而，量子阱紅外探測器是利用導(dǎo)帶中電子吸收紅外輻射光子，發(fā)生子帶躍遷而產(chǎn)生光電流信號。高能射線引起的電子和空穴電流，成為量子阱紅外探測器中的主要噪聲來源。有研究表明12，InGaAs QWIP經(jīng)不同劑量的射線輻照后，器件的響應(yīng)光譜和信號沒有發(fā)生明顯的變化，而器件的暗電流和噪聲則隨著輻照劑量的增大而增大，零偏阻抗逐漸減小，表明器件經(jīng)射線輻照后探測率變小，性能下降（圖1.8.1所以）。圖1.8.1 QWIP經(jīng)輻照后光電流和暗電流的變化16量子阱紅外探測器抗輻照的方法和措施，主要有器件結(jié)構(gòu)的特殊設(shè)計和采取涂覆鈍

24、化吸收層兩個方面。如圖1.8.1所示13，在量子阱紅外探測器的頂部增加一個p-n結(jié)，其中p型接觸層可以收集高能射線引起的空穴，n型接觸層可以收集高能射線引起的電子。通過測量空穴電流大小，并從測得的電子電流中扣除和空穴電流一樣大小的電子電流，從而消除了高能射線引起的噪聲信號，可得到量子阱紅外探測器吸收紅外輻射產(chǎn)生的光電流信號。圖 1.8.1 器件能帶以及載流子輸運(yùn)示意圖13對于從襯底入光的量子阱紅外探測器，可以在襯底上生長 CdTe (0.5 micron), Si3N4(1 micron) 和類金剛石材料(0.2 micron)（圖 1.8.2）。這些抗反射層可以吸收高能射線，避免了高能射線在

25、量子阱紅外探測器中產(chǎn)生電子-空穴噪聲信號，阻擋了高能粒子和射線對量子阱紅外探測器的轟擊，而且對紅外輻射光子幾乎是完全透明的14（圖 1.8.3）。圖 1.8.2 幾種鈍化吸收材料的性質(zhì)17圖 1.8.3 鈍化結(jié)構(gòu)示意圖參考文獻(xiàn)：參考文獻(xiàn)：1 B. F. Levine, “Quantum-well infrared photodetectors”, J. Appl. Phys. 74(8): R1, (2003).2 連潔，王青圃，程興奎，魏愛儉， “量子阱紅外探測器的研究與應(yīng)用” ，光電子 激光，13（10）：1092， （2002） 。3 熊大元， “量子阱紅外探測器及相關(guān)量子器件的研究進(jìn)展

26、” ，紅外，27（12）：10， （2006） 。4 B. F. Levine, C. G. Bethea, G. Hasnain, et al., “High sensitivity low dark current 10m GaAs quantum well infrared photodetectors”, Appl. Phys. Lett., 56(9-10): 851, (1990).5 S.D. Gunapala, S.V. Bandara, J.K. Liu, et al., “Towards dualband megapixel QWIP focal plane arrays”

27、, Infrared Physics & Technology, 50(2-3): 217, (2007). 6 S.V. Bandara, S.D. Gunapala, D.Z. Ting, et al., “Monolithically integrated near-infrared and mid-infrared detector array for spectral imaging”, Infrared Physics & Technology, 50(2-3): 211, (2007).7 L. Sun, D.H. Zhang, K.H. Yuan,et al.,

28、 “InGaAsP/InP long wavelength quantum well infrared photodetectors”, Thin Solid Films, 515(10): 4450, (2007).8 Janet L. Pan, Clifton G. Fonstad Jr., “Theory, fabrication and characterization of quantum well infrared photodetectors”, Materials Science and Engineering, 28: 65, 18(2000).9 劉松妍， “新型 GaAs

29、/AlGaAs 量子阱中遠(yuǎn)紅外探測器的研究與改進(jìn)” ，北京工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文，2002。10 G. Hasnain, B. F. Levins, S. Gunapala, and Naresh Chand, “Large photoconductive gain in quantum well infrared photodetectors”, Appl. Phys. Lett., 57(6): 608, (1990).11 廖毅， “空間輻照環(huán)境及紅外光子探測器的輻照效應(yīng)” ，紅外，27（5）：1， （2006） 。12 黃楊程，黃光明，劉大福，龔海梅， “InGaAs 紅外探測器的輻照研

30、究” ，功能材料與器件學(xué)報，11（1）：68， （2005） 。13 C. S. WU, C. P. WEN, P. REINER, C. W. TU and H. Q. HOU, “Radiation hard blocked tunneling band GaAs/AlGaAs superlattice long wavelength infrared detectors”. Solid-State Electronics, 39(9): 1253, (1996).14 Ashok K. Sood and Yash R. Puri, et al, “Development of High

31、Performance Radiation Hardened Antireflection Coatings for LWIR and Multicolor IR Focal Plane Arrays”, Proc. of SPIE, 6206: 620615, (2006).192、量子阱紅外探測器的制備方法、量子阱紅外探測器的制備方法2.1 直接混雜法制備紅外探測器焦平面陣列像元直接混雜法制備紅外探測器焦平面陣列像元現(xiàn)今大多數(shù)紅外焦平面陣列（FPAs）采用混雜方法來制備，為了使得器件具有更高的穩(wěn)定性和低成本， 整合了 Si 基 ROIC 的 FPA 像元將會是今后紅外探測器陣列的發(fā)展趨勢。

32、紅外線焦平面陣列的制備工藝主要分為三類，包括直接混雜法、雙邊整合法和選擇性外延整合法。在報告中重點(diǎn)介紹了用直接混雜法制備整合 Si 基 ROIC 紅外探測器焦平面陣列像元的工藝過程，并簡單解釋了每一個工藝步驟的基本原理和必要性。單個 FPA 像元如圖 1 所示，在圖中包括了各個部件在像元中的分布位置以及互接情況。銦鏈接塊填充材料Si 基底金屬連接片超晶格薄層鈍化層半絕緣基底UMB(Under Bump Metallury)圖 1 單個 FPA 像元放大圖整個像元制備過程包括 10 個步驟，下面詳細(xì)介紹每個步驟的內(nèi)容，工藝以及某些細(xì)節(jié)問題：1. QWIP 薄膜與 FPA 像元基底生長。QWIP

33、薄膜的生長和 FPA 像元基底的生長可以用 MOCVD 或者 MBE 工藝同時進(jìn)行，QWIP 薄膜的生長質(zhì)量非常重要，其對整個器件的性能具有決定性的作用。2.FPA 像元制備。在這一步中使用紫外光刻蝕法將 QWIP 薄膜刻蝕成陣列單元像素點(diǎn)。對于大尺寸的 FPA，像素點(diǎn)之間的間距一般在 25 到 40um。203.探測器像元表面鈍化像素點(diǎn)生成后用 PECVD 工藝在像素點(diǎn)和基底外表面上沉積一層鈍化膜，其材料一般選用 Si3N4和 SiO2。鈍化膜的作用從內(nèi)在來看是為了去除表面的缺陷，改善表面特性，外在來看是為了保護(hù)器件不受外界的影響，但最終的目的都是防止器件因電老化而失效。4.鈍化膜刻蝕為了使

34、像元吸收光子后激發(fā)的非平衡載流子經(jīng)過 QWIP 薄膜調(diào)幅后能流出并產(chǎn)生電信號，因此需要將 QWIP 上的鈍化膜刻蝕出開口。5.觸頭金屬片連接過程觸頭金屬片不做成圓片形而做成帽檐形狀是因為器件工作的時候在鈍化膜開口直角與 QWIP 薄膜接觸處有微弱的干擾電場，這個電場會被器件極大地擴(kuò)大從而使器件工作時失效，帽檐狀的觸頭金屬片可以有效地消除這種干擾電場。6.銦柱生長在生長銦柱之前需要在器件上沉積被稱為 UBM (Under Bump Metallurgy)的部件，它可以用來加固銦柱與觸頭金屬片的連接。 然后在 UMB 上用蒸鍍或者電鍍的方式生長銦柱，銦柱首先起的是探測器像元和 ROIC 之間的電氣

35、，機(jī)械互聯(lián)作用，另外它還可以增加 FPA 像元的高度，像元高度的適當(dāng)提高可以減少ROIC 與 FPA 之間不平行所帶來的器件性能弱化。 選擇銦這種材料的原因有二，其一，銦在極低的溫度（如液氦溫度下）下能保持很好的延展性，機(jī)械性能好，因此可以對其進(jìn)行“冷焊” 。其二，室溫下，49 號元素銦有低熔點(diǎn)（156.6 C） ，并且十分軟（室溫下的屈服強(qiáng)度僅為 1.4MPa 布氏硬度為 0.9，甚至在室溫下，銦已經(jīng)處于其絕對溫度下熔點(diǎn)的 0.698Tm） ，因此處于該材料的熱加工溫度范圍。所有這些特性使得銦作為低熔點(diǎn)焊料適合于要進(jìn)行低溫互聯(lián)的電子器件，尤其是紅外器件的互聯(lián)。7.Si 基 ROIC 與 FP

36、A 像元之間的焊接21首先在 Si 基底上貼好與對應(yīng)于 FPA 像元分布的 ROIC，然后用倒裝焊接的工藝將已得到的 FPA 像元倒過來焊接于其上。Si 基 ROIC 于 FPA 像元之間的高度主要由焊接時的壓力大小和銦柱本身的高度決定，由于 Si 基 ROIC 于 FPA像元之間的不平行會降低紅外焦平面器件的性能，因此倒裝焊接工藝一般在倒裝焊接校準(zhǔn)臺上進(jìn)行以保證平行度。8. FPA 像元與 ROIC 之間的空隙填充FPA 像元與 ROIC 之間的空隙填充物質(zhì)一般為環(huán)氧基樹脂，環(huán)氧樹脂的填充首先可以提高紅外焦平面陣列器件的機(jī)械強(qiáng)度以抵抗外界劇烈機(jī)械運(yùn)動影響的能力（劇烈振動和沖擊作用） ，另外還

37、可以減小 FPA 像元與 ROIC 之間熱膨脹失配以及保護(hù)器件各元件不受外界水分的侵蝕和離子污染。9.FPA 基底減薄減薄 FPA 基底的作用一方面是為了進(jìn)一步減小 FPA 像元與 ROIC 之間的熱膨脹失配，另外一方面主要的作用是消除像元與像元之間的光波干擾，提高器件的紅外光學(xué)耦合特性。10. FPA 混雜器件封裝減薄后 FPAs 器件的制作工序基本完成，但是還需要將制作好的 FPAs 器件集成到無鉛的陶瓷載體芯片 LCCC(Lead-free ceramic chip carrier)上。首先要用膜片鍵合工藝將 FPA 混雜器件鏈接到 LCCC 上，然后用金屬線鍵合工藝將 FPA混雜器件的

38、輸入輸出端連接到 LCCC 上的針腳以形成一個完整的回路。在器件整個制備過程中，第一步中 QWIP 薄層生長質(zhì)量對器件的各項性能有決定性的作用，第六步的銦柱生長是最復(fù)雜，問題最多的一個環(huán)節(jié)，但是對于微電子器件制造來說， 所謂堤潰蟻穴，每一個環(huán)節(jié)都非常關(guān)鍵，都影響到大局。223、量子阱紅外探測器的國內(nèi)外主要應(yīng)用、量子阱紅外探測器的國內(nèi)外主要應(yīng)用3.1 紅外探測器分類紅外探測器分類紅外探測器是一種輻射能轉(zhuǎn)換器，主要用于將接收到的紅外輻射能轉(zhuǎn)換為便于測量或觀察的電能、熱能等其他形式的能量。根據(jù)能量轉(zhuǎn)換方式，紅外探測器可分為熱探測器和光子探測器兩大類1。熱探測器的工作機(jī)理是基于入射輻射的熱效應(yīng)引起探測

39、器某一電特性的變化，而光子探測器是基于入射光子流與探測材料相互作用產(chǎn)生的光電效應(yīng)，具體表現(xiàn)為探測器響應(yīng)元自由載流子（即電子和/或空穴）數(shù)目的變化。由于這種變化是由入射光子數(shù)的變化引起的，光子探測器的響應(yīng)正比于吸收的光子數(shù)。而熱探測器的響應(yīng)正比與所吸收的能量。按照具體換能方式的不同，紅外探測器還可以進(jìn)行更為細(xì)致的分類（如圖3.1 所示） 。熱探測器的換能過程包括：熱阻效應(yīng)、熱伏效應(yīng)、熱氣動效應(yīng)和熱釋電效應(yīng)。光子探測器的換能過程包括：光生伏特效應(yīng)、光電導(dǎo)效應(yīng)、光電磁效應(yīng)和光發(fā)射效應(yīng)。而量子阱紅外探測器屬于光子探測器的一種。圖 3.1 紅外探測器的分類233.2 紅外探測器發(fā)展歷程紅外探測器發(fā)展歷程

40、40 年代后期到 50 年代，為提高紅外探測器的靈敏度和效應(yīng)速度，光子探測器得到迅速發(fā)展。PbS 是第一種實用的紅外探測器，可響應(yīng)至 3 微米，PbS 在二次大戰(zhàn)中期間在德國發(fā)展起來的，并在戰(zhàn)爭中得到多種應(yīng)用。從第一種實用的紅外探測器出現(xiàn)以來，已經(jīng)有半個多世紀(jì)了，而紅外成像系統(tǒng)也已經(jīng)發(fā)展到第三代，第一代是由探測器線列實現(xiàn)掃描成像，60 年代后期，由于硅 CCD 的發(fā)明，使得帶焦平面信號讀出的第二代探測器陣列的設(shè)想成為現(xiàn)實。第二代的典型特征是系統(tǒng)由焦平面陣列和 ROIC 實現(xiàn)。QWIP 是在第二代末期出現(xiàn)的技術(shù)，目前已經(jīng)發(fā)展到第三代。圖 3.2 紅外探測器的發(fā)展歷程相比于前兩代，第三代紅外成像系

41、統(tǒng)將具有更高的分辨率、更快的幀速和更好的熱穩(wěn)定性，能夠?qū)崿F(xiàn)多色輸出，并具有更多的片上功能2。此外，Reagoet 在 1999 年發(fā)表的文章3中認(rèn)為，第三代設(shè)備還應(yīng)該在非制冷成像能力上要有所突破。3.3 紅外探測器基本性能參數(shù)紅外探測器基本性能參數(shù)雖然各種紅外探測器的作用機(jī)理不同，但其基本特性都可以用以下這些參數(shù)來描述：24探測率探測率：，單位： ，其物理意義*optNA fA fDSNRRPi1/21cm HzW是 1 瓦輻射功率入射到光敏面積 1cm2的探測器上，并用帶寬為 1 赫電路測量所得的信噪比。是歸一化的探測率，稱為比探測率，讀作 D 星。用來比較*D*D兩個探測器的優(yōu)劣，可避免探

42、測器面積或測量帶寬不同對測量結(jié)果的影響。它反映的是探測器的探測能力，數(shù)值越大的探測器探測性能越好。*D響應(yīng)率：響應(yīng)率：，單位為，響應(yīng)率等于單位輻射功率入射到ssidIIRHAPWA/探測器上產(chǎn)生的信號輸出，因為測量響應(yīng)率時是不管噪聲大小的，可不注明只與噪聲有關(guān)的電路帶寬。響應(yīng)率與探測器的響應(yīng)速度有關(guān)，光子探測器的頻率響應(yīng)特性如同一個低通濾波器。在低頻段響應(yīng)較為平坦，超過轉(zhuǎn)角頻率后響應(yīng)明顯下降。一般均在低頻下測量響應(yīng)率，以消除調(diào)制頻率的影響。表面上看，只要探測率足夠高，探測器輸出有足夠的信噪比，信號較弱是可以用電路放大的方法彌補(bǔ)的。實際上響應(yīng)率過低，就必須提高前置放大器的放大倍率，高倍率的前置放

43、大器會引入更多噪聲，如選用探測率較低但響應(yīng)率高的探測器，系統(tǒng)的探測性能可能更好一些。因此，對系統(tǒng)設(shè)計者來說，探測器的響應(yīng)率和探測率是同樣值得關(guān)注的。等效噪聲溫差（等效噪聲溫差（NETDNETD）：）：，他反應(yīng)探測器能DAfAANEPNNEoodo2/1)(分辨的輻射源的最小溫度變化。工作溫度：工作溫度：探測器能正常工作的溫度范圍。幀速：幀速：每秒鐘成像的幀數(shù)，反應(yīng)的是紅外成像系統(tǒng)的整體響應(yīng)速度。糾正前的非均勻性（糾正前的非均勻性（precorrectionprecorrection nonuniformitynonuniformity）：）：反應(yīng)的是在經(jīng)過糾正以前所成像的非均勻性，值越小越好。

44、糾正后的非均勻性（糾正后的非均勻性（postcorrectionpostcorrection nonuniformitynonuniformity）：）：反應(yīng)的是在經(jīng)過糾正后所成像的非均勻性，值越小越好。3.4 各種焦平面陣列（各種焦平面陣列（FPAs）的性能比較）的性能比較圖 3.3 列出的是目前比較成熟的各種焦平面陣列的性能比較4，最后一行25是 qwipfpa，從各項性能指標(biāo)上來看，qwip 并沒有明顯的優(yōu)勢，甚至在有些性能指數(shù)上還落后于其它幾種焦平面陣列。不過 qwip 的幾個明顯優(yōu)點(diǎn)使它更適于用來制作第三代紅外成像系統(tǒng)。圖 3.3 各種 FPAs 性能比較首先，QWIP 材料生長和器

45、件制備成熟，可獲得大面積、均勻性好成本低、高性能的器件。目前 GaAs 襯地已能做到 6 英寸以上的規(guī)模，因而 QWIP 焦平面陣列可以做到很大規(guī)模，而 HgCdTe 紅外探測器由于其襯底目前只能做到 1 英寸左右，所以 HgCdTe 焦平面陣列目前只能做到 1024*1024 的規(guī)模5。圖 3.4 QWIP 和HgCdTe其次，QWIP 的波長連續(xù)可調(diào)，通過調(diào)節(jié)量子阱寬度和勢壘高度可方便的獲得 320um 的響應(yīng)，而且由于光譜響應(yīng)帶寬窄，可控制在（1um） ，特別適宜制備雙色、多色焦平面探測器。26圖 3.5 QWIP 的光譜響應(yīng)此外，QWIP 的熱穩(wěn)定性好并且抗輻射性強(qiáng)，這一切使得 QWI

46、P 成為第三代紅外成像系統(tǒng)最有力的候選者。3.5 紅外成像系統(tǒng)的完整結(jié)構(gòu)紅外成像系統(tǒng)的完整結(jié)構(gòu)一個完整的紅外成像系統(tǒng)除了焦平面陣列還包括以下幾個部分：光學(xué)鏡頭、讀出電路、信號處理系統(tǒng)、制冷器以及顯示屏。具體的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 3.6 所示6。圖 3.6 紅外成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖紅外光通過光學(xué)系統(tǒng)照射在探測器陣列上產(chǎn)生電信號，之后由讀出電路讀出，并通過信號處理系統(tǒng)對信號處理后通過多路輸出系統(tǒng)輸?shù)斤@示系統(tǒng)進(jìn)行成像。接下來我們對系統(tǒng)中的幾個關(guān)鍵部分做一下簡要介紹。273.5.1 焦平面結(jié)構(gòu)焦平面結(jié)構(gòu)目前，高性能的二代、三代制冷性紅外探測器組件普遍采用混成式結(jié)構(gòu)。其中探測芯片就是由上述的各種材料制成，讀出電路芯

47、片為硅集成電路。圖3.7 是以 HgCdTe 為例的混成式焦平面結(jié)構(gòu)示意圖，從圖中我們可以看到，探測器通過銦柱和讀出電路直接連接。這種結(jié)構(gòu)有較好的可生產(chǎn)性，高密度的凝視成像陣列探測器通常都用直接混成的焦平面結(jié)構(gòu)7。圖 3.6 HgCdTe 的混成式焦平面結(jié)構(gòu)示意圖3.5.2 讀出電路讀出電路讀出集成電路（ROIC）是把焦平面的各種功能集成在單一的半導(dǎo)體芯片中的高集成度電路。其基本功能是進(jìn)行紅外探測器信號的轉(zhuǎn)換、放大以及多路傳輸。ROIC 通常用一般的硅集成工藝制造，最常用的是 CMOS（互補(bǔ)金屬氧化物硅）工藝，可使目前傳感器達(dá)到較高的分辨率和靈敏度。圖 3.8 是是讀出電路的一般結(jié)構(gòu)，在探測器

48、陣列產(chǎn)生信號以后，讀出電路通過時鐘控制，用行列地址作為定位，依序?qū)⒚總€探測單元產(chǎn)生的信號輸出。大多數(shù) ROIC 的前置放大器都是在一定的積分時間內(nèi)對探測器的光生電流進(jìn)行電荷積累，形成信號。而積分的方式有很多種，而這里列出的兩種讀出模式是目前工業(yè)生產(chǎn)中最常使用的。28電容反饋跨阻放大器讀出模式（Capacitive Transimpedance Amplifier Readout）是在高增益放大器的反相端引入電容反饋，使探測器電荷在反饋電容上積分。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是探測器偏置穩(wěn)定，進(jìn)而可得到線性更好的信號傳遞函數(shù)。它的增益由 Cint決定，因此可調(diào)。缺點(diǎn)是所占面積較大，功耗較大。另外一種是直接注入

49、模式（Direct Injection Readout） ，這種模式是讓光生電荷在 MOSFET 的漏極電容上積分，優(yōu)點(diǎn)是偏置穩(wěn)定，增益可調(diào)，不過可調(diào)范圍較小。缺點(diǎn)是不適合用于低光子通量的情況，因為探測器電流較低時，輸入阻抗增加，導(dǎo)致偏置不穩(wěn)。圖 3.7 讀出電路一般結(jié)構(gòu)圖 3.8 電容反饋跨阻放大器讀出模式 直接注入模式積分采樣之后，我們必須通過多路傳輸器（MUX）將來自數(shù)十至成百上千的探測元信號依次傳輸?shù)阶x出電路的單個輸出端。最常用的多路傳輸器形式有：1CCD ,它利用一系列連續(xù)的轉(zhuǎn)移勢阱，將電荷傳輸?shù)礁≈脰呕驍U(kuò)散區(qū)。2MOSFET 開關(guān)，利用一套順序接通的開關(guān)，將探測元信號連接至總線。路

50、開關(guān)的尋址方式可以直接尋址，也可掃描尋址。a)直接尋址的多路傳輸器29需要多條地址線，可以隨機(jī)尋訪焦平面中的任意一元。b)掃描尋址只需要引入復(fù)位、采樣保持和時鐘等信號，由芯片內(nèi)部地址計數(shù)，順序接通各個單元。下面我們通過一個具體實例來說明讀出電路的工作模式，圖 3.9 是法國sofradir 公司出產(chǎn)的 ML073 紅外探測器的讀出電路結(jié)構(gòu)圖。雖然這是比較早期的產(chǎn)品，但是很具有代表性，它采用 CMOS 多路開關(guān)讀出方式，輸出的數(shù)據(jù)共240 行。每行有 320 個像元數(shù)據(jù)。每一列的像元共用一個積分放大器，不同列的像元信號同時積分，但是同一列像元信號并不同時積分，逐行積分，逐行讀出，任何一個像元的最

51、大積分時間都小于行周期。圖 3.9 ML073 紅外探測器的讀出電路結(jié)構(gòu)圖3.6 QWIP 探測器實例分析探測器實例分析我們以 MDA 和 JPL/NASA 聯(lián)合開發(fā)的一款 1K x 1K 中紅外相機(jī)作為分析實例。這款產(chǎn)品是為了跟蹤導(dǎo)彈發(fā)射而設(shè)計的，通過采用 multi-coupled-quantum- well 的結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)，并在四英寸的 GaAs 晶片上生長而成8，9。如圖 3.10 所示：30圖 3.10 器件結(jié)構(gòu)、光譜響應(yīng)及 GaAs 晶片設(shè)計的焦平面陣列性能如圖 3.11 所示：圖 3.11 FPA 性能參數(shù)生產(chǎn)出的實際樣品如圖 3.12 所示：31圖 3.11 實際樣品圖它的讀出電路采用 Indigo 公司生產(chǎn)的 ISC0404，該芯片的主要性能參數(shù)如下表所示：陣列大小10241024幀速30Hz（4output）工作溫度80K功耗130mV（16-output）探測器偏置范圍0 to 0.5VROIC 噪聲=282e-RMS*探測器偏置的分辨率5mV Pixel rate12.5MHz3.7 QWIP 的應(yīng)用領(lǐng)域及前景分析的應(yīng)用領(lǐng)域及前景分析QWIP 是一種光子探測器，探測的波長范圍在 325um，響應(yīng)速度快，特別是它本身容