0引言

以色列Semiconductor Device（SCD）公司是一家處于國際領(lǐng)先地位的高端紅外探測(cè)器供應(yīng)商。SCD在過去的30 年里積累了很多研發(fā)和制造上的經(jīng)驗(yàn)，其產(chǎn)品被世界上許多頂級(jí)的公司所選擇。SCD 生產(chǎn)研發(fā)能力包括了半導(dǎo)體器件工藝、液相外延（LPE）和分子束外延（MBE）薄膜生長(zhǎng)，超大規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)、杜瓦和真空技術(shù)、裝配、輻照建模及測(cè)試。SCD的紅外探測(cè)器產(chǎn)品包括制冷型和非制冷型兩大類。制冷型又包括了碲鎘汞（MCT）、InSb、InAsSb、InAs/GaSb二類超晶格4個(gè)材料體系，其中MCT和InAs/GaSb 二類超晶格用于長(zhǎng)波探測(cè)器，而InSb和InAsSbHOT用于中波探測(cè)器。非制冷型只有VOx微型測(cè)熱輻射計(jì)一類，主要用于長(zhǎng)波探測(cè)器。SCD產(chǎn)品分類如圖1所示。目前為止SCD的熱像儀（包括制冷型與非制冷型）年產(chǎn)量能夠達(dá)到5800套。

圖1 SCD產(chǎn)品分類

SCD的優(yōu)勢(shì)及主流產(chǎn)品主要是III-V族紅外探測(cè)器。20世紀(jì)90年代開始，SCD的研發(fā)重心就放在InSb上，早期主要研究離子注入型平面結(jié)工藝，工藝成熟后開始發(fā)展大面陣、小像元焦平面，目的在于減小整機(jī)的尺寸，功耗，重量與成本。2004年開始啟動(dòng)第三代紅外探測(cè)器的研發(fā)。第三代紅外探測(cè)器的研發(fā)重點(diǎn)在于III-V族材料的MBE外延技術(shù)。研發(fā)前期主要關(guān)注InSb的外延成結(jié)工藝（p型InSb外延到n型InSb襯底）。后來，于2008年提出XBn和XBp勢(shì)壘型器件（其中X是加偏置的電極層，B是勢(shì)壘層，n或是p是吸收層）以抑制器件的暗電流，從而提高器件的工作溫度或靈敏度。提出XBn和XBp勢(shì)壘型器件結(jié)構(gòu)之后，SCD將其應(yīng)用于InAsSb薄膜和InAs/GaSb二類超晶格材料，用以制備中波高溫器件和高性能長(zhǎng)波器件。研發(fā)重心從此轉(zhuǎn)向?qū)nAsSb中波高溫器件（nBn結(jié)構(gòu)）和高性能InAs/GaSb二類超晶格長(zhǎng)波器件（pBp結(jié)構(gòu)）的研制上。SCD在兩種器件的研發(fā)過程中思路清晰（器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，單元器件測(cè)試，焦平面驗(yàn)證，推出產(chǎn)品），值得紅外探測(cè)器研發(fā)人員借鑒。

本文主要介紹SCD關(guān)于InAsSb nBn中波高溫器件和InAs/GaSb二類超晶格pBp長(zhǎng)波器件的研發(fā)歷程。文中將先介紹XBn和XBp型器件的工作原理，然后總結(jié)SCD對(duì)InAsSbnBn中波高溫器件和InAs/GaSb二類超晶格長(zhǎng)波pBp器件的研究。

1 XBn及XBp型器件工作原理

紅外探測(cè)器的工作溫度，主要是由器件的暗電流決定，而暗電流隨溫度指數(shù)增加的。對(duì)于材料質(zhì)量高的碲鎘汞，其暗電流主要由擴(kuò)散電流主導(dǎo)，因此它的暗電流比較接近理論的擴(kuò)散極限。擴(kuò)散電流是在窄禁帶吸收層材料中通過熱激發(fā)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，然后擴(kuò)散到內(nèi)建電場(chǎng)區(qū)（耗盡層），被電場(chǎng)加速到電極層從而被收集產(chǎn)生的，這種暗電流隨溫度的變化滿足Arrhenius公式：

Idiff＝Trexp(－Ediff/kBT)

式中：Idiff是擴(kuò)散電流；Ediff是擴(kuò)散激活能，約為吸收層材料零溫下的帶隙；kB是玻爾茲曼常數(shù)；r～3。而對(duì)于III-V族材料，InSb、InAsSb 或者二類超晶格來說，它的暗電流主要是由器件耗盡區(qū)中所謂的產(chǎn)生復(fù)合（G-R）中心（也叫Shockley-Read-Hall陷阱）引起。當(dāng)在器件上外加反向偏壓時(shí)，耗盡區(qū)內(nèi)的G-R中心將被激活，提供接近帶隙中心位置的能級(jí)，使得將電子激發(fā)出價(jià)帶（產(chǎn)生空穴）或者激發(fā)進(jìn)入導(dǎo)帶（產(chǎn)生電子）的熱激活能降低一半。耗盡區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的電子空穴對(duì)將立即被其中的電場(chǎng)分開，從而被收集，形成暗電流，我們將這種暗電流簡(jiǎn)稱為G-R電流（實(shí)際上，這里描述的SRH復(fù)合電流，而產(chǎn)生復(fù)合電流包括了SRH復(fù)合電流，輻射復(fù)合電流，俄歇復(fù)合電流等等，但SCD報(bào)道中都以G-R電流來簡(jiǎn)稱，所以文中我們也采用G-R電流作為簡(jiǎn)稱）。IG-R電流同樣滿足 Arrhenius 公式：IG-R＝Trexp(－EGR/kBT)，只不過其激活能 EGR僅為吸收層帶隙的一半，r～1.5。

一般情況下，工作在液氮溫度下的中波器件，擴(kuò)散電流要比G-R電流小幾個(gè)量級(jí)，而室溫下，擴(kuò)散電流卻要大幾個(gè)量級(jí)。將G-R電流和擴(kuò)散電流相等時(shí)的溫度定義為溫度T0。對(duì)于中波紅外探測(cè)器來說，T0大約在130～150 K。在暗電流隨溫度的變化圖中（圖2），在溫度大于T0時(shí)，logI與溫度倒數(shù)呈線性關(guān)系，其斜率乘以玻爾茲曼常數(shù)就是擴(kuò)散激活能（約等于材料在低溫下的帶隙），而溫度小于T0時(shí)，logI與溫度倒數(shù)也呈線性關(guān)系，其斜率是高溫下斜率的一半，乘以玻爾茲曼常數(shù)以后就是 G-R 電流激活能（約為材料低溫帶隙的一半）。一般器件的工作溫度都在T0以下，因此想要提高工作溫度或者降低暗電流就必須抑制G-R電流，使得器件工作在擴(kuò)散限。

圖2 普通二極管器件（實(shí)線）與XBn器件（虛線）的暗電流與溫度的關(guān)系

為了抑制G-R電流，有兩種方法可行，一種是提高吸收層材料的晶體質(zhì)量，減少SRH復(fù)合中心；另外一種是制作勢(shì)壘型探測(cè)器，將器件的耗盡區(qū)排除在吸收層外，進(jìn)入勢(shì)壘層中，從而抑制G-R電流。SCD選擇了后者，于2008年提出了XBn和XBp型勢(shì)壘型器件，思路是通過控制摻雜使得產(chǎn)生G-R電流的耗盡區(qū)排除在窄禁帶的吸收層之外，進(jìn)入寬帶隙的勢(shì)壘層。只要寬帶隙勢(shì)壘材料的帶隙足夠大，勢(shì)壘層耗盡區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的G-R電流將小于吸收層的擴(kuò)散電流，使得材料進(jìn)入擴(kuò)散限，從而達(dá)到抑制G-R電流的作用。具體有兩種方法可以使得耗盡區(qū)進(jìn)入勢(shì)壘材料，一種是勢(shì)壘層與吸收層同型摻雜，如圖3所示；另一種是勢(shì)壘層與吸收層反型摻雜，但吸收層需要高濃度摻雜。一般采用前一種方法，因?yàn)槲諏訐诫s過高會(huì)使得吸收層截止波長(zhǎng)藍(lán)移，并且少子壽命變短。G-R電流得到抑制以后，可以在相同暗電流的情況下，提高探測(cè)器的工作溫度；或者在相同工作溫度下，提高探測(cè)器靈敏度，如圖2。SCD提出XBn和XBp型器件結(jié)構(gòu)后，將其應(yīng)用于InAsSb薄膜和InAs/GaSb超晶格材料體系中，以研制InAsSb nBn中波高溫器件和InAs/GaSb超晶格pBp長(zhǎng)波器件。

圖3 XBn 器件抑制G-R電流的原理：（a）勢(shì)壘層與吸收層反型摻雜，G-R 電流沒有得到抑制；（b）勢(shì)壘層與吸收層同型摻雜，G-R 電流被抑制

2 InAsSb nBn中波高溫器件

SCD提出XBn和XBp器件結(jié)構(gòu)后，最早將其應(yīng)用于InAsSb中波高溫器件，器件結(jié)構(gòu)為nBn型勢(shì)壘結(jié)構(gòu)。2010-2012年分別報(bào)道了InAsSb nBn中波高溫探測(cè)器的單元器件性能和焦平面性能。并于2013-2014年推出了兩款I(lǐng)nAsSb nBn中波高溫探測(cè)器產(chǎn)品。

2.1單元器件研究

2010 年，SCD 生長(zhǎng)了 3 個(gè) nBn 結(jié)構(gòu)，命名為 A1、A2、B1，用于單元器件暗電流和光響應(yīng)譜測(cè)試。A1、A2 勢(shì)壘層為 n 型摻雜，B1 勢(shì)壘層為 p 型摻雜。A1、A2、B1 器件的吸收層的摻雜分別為，A1：4×1016 cm-3，A2：4×1015 cm-3，B1：1.5×1017 cm-3。

1）暗電流

對(duì)于暗電流，SCD 的研究主要關(guān)注兩個(gè)方面：第一，暗電流與溫度的關(guān)系，以得到暗電流的主導(dǎo)機(jī)制，從而確認(rèn) G-R 電流是否得到抑制；第二，暗電流與尺寸的關(guān)系，以區(qū)分體電流和邊界電流對(duì)暗電流的貢獻(xiàn)。

SCD 研究人員制作了100～300 μm尺寸的單元器件用于暗電流測(cè)試。圖 4 是 A1 樣品制作的器件（尺寸200μm × 200 μm）在－0.2 V和－1 V偏壓下，暗電流與溫度的關(guān)系[4]。從圖中得出：低偏壓下，直到 125 K 都是線性，激活能與吸收層的帶隙接近，可以認(rèn)為整個(gè)溫度區(qū)域都是擴(kuò)散電流限制，證實(shí) G-R 電流得到很好的抑制。而高偏壓下，當(dāng)溫度低于 T0～200 K時(shí)，電流溫度依賴關(guān)系開始偏離擴(kuò)散電流，表明 G-R 電流開始起作用。對(duì)于 nBn 器件，當(dāng)外加偏壓增加到某一個(gè)臨界值時(shí)，吸收層的價(jià)帶將完全變成平帶，空穴積累層將消失，進(jìn)一步增加外加電壓，吸收層將開始耗盡，使得 G-R 電流的抑制作用消失。A2、B1樣品的結(jié)果與 A1 結(jié)果相似。3 個(gè)樣品在低偏壓下的暗電流都是擴(kuò)散限，說明 nBn 結(jié)構(gòu)對(duì) G-R 的抑制在吸收層摻雜濃度跨度為兩個(gè)量級(jí)范圍內(nèi)都有效。B1、A1、 A2 在 150 K 下的電流密度分別為 6.0×10-8 A/cm2、1.3×10-7 A/cm2、3.2×10-7A/cm2。

圖4 A1 樣品器件的（200 μm × 200 μm）暗電流與溫度關(guān)系

為了研究體電流與邊界電流分別對(duì)暗電流的貢獻(xiàn)，SCD 研究人員測(cè)量了不同尺寸單元器件的暗電流。圖 5是 A1（偏壓為－0.2 V）和 A2（偏壓－0.1 V）兩個(gè)樣品制作的單元器件在 150 K 下，電流與臺(tái)面尺寸的比值（I/L）與臺(tái)面尺寸（L）的關(guān)系。B1的結(jié)果與 A1 的結(jié)果類似。一般情況下，暗電流隨著尺寸的變化滿足 I=L＋L2，L 和L2兩項(xiàng)分別對(duì)應(yīng)了邊界和體電流密度。從圖可以得到 A1 樣品的邊界電流貢獻(xiàn)可以忽略；而 A2 樣品的邊界電流卻有相當(dāng)?shù)呢暙I(xiàn)。SCD 研究人員認(rèn)為這樣的結(jié)果可以解釋為少子壽命及遷移率隨著吸收層的摻雜濃度降低而增加，少子的擴(kuò)散長(zhǎng)度也隨之增加，因此，臺(tái)面結(jié)構(gòu)以外區(qū)域的載流子也將通過橫向擴(kuò)散，對(duì)暗電流起到貢獻(xiàn)（SCD并沒有將其歸結(jié)于側(cè)壁漏電流，因?yàn)榕_(tái)面結(jié)構(gòu)的制作僅刻蝕到勢(shì)壘層，可以認(rèn)為不存在側(cè)壁漏電流）。

圖 5 暗電流與器件臺(tái)面尺寸的關(guān)系：(a) 樣品 A1 在－0.2 V 偏壓下 (b) 樣品 A2 在－0.1 V 偏壓下

2）光響應(yīng)

除暗電流外，SCD 研究人員還研究了器件的光響應(yīng)。對(duì)光響應(yīng)的研究包括了兩方面工作：第一，測(cè)量光響應(yīng)譜，從而得到探測(cè)器對(duì)不同波長(zhǎng)光的響應(yīng)率，以及探測(cè)器的截至波長(zhǎng)；第二，光響應(yīng)隨偏壓的變化，以獲得合適的工作電壓。

圖6 是 150 K 下 3 個(gè)樣品的光響應(yīng)譜，從圖中可以得到，隨著摻雜濃度增加，樣品的截止波長(zhǎng)隨著摻雜濃度增加而減短。B1、A1、A2 的截止波長(zhǎng)分別3.65 μm、3.82 μm、3.96μm。為了使探測(cè)器盡可能覆蓋中波窗口，應(yīng)盡量選擇低的摻雜濃度。利用吸收系數(shù)的公式，通過標(biāo)準(zhǔn)的轉(zhuǎn)移矩陣技術(shù)，SCD研究人員模擬了樣品 B1 的光響應(yīng)譜。由模擬結(jié)果得到，nBn器件的內(nèi)量子效率很高，基本接近 100%。

圖6 150 K 和－0.6 V 偏壓下，A1、A2 及 B1 樣品（200 μm × 200 μm尺寸器件）的光響應(yīng)譜

為了確定器件的工作電壓，SCD 研究人員測(cè)量了 3 個(gè)樣品在 150 K 下光響應(yīng)與偏壓的關(guān)系，如圖 7。由圖 7 可以得到，從－0.1 V 到－0.6 V，光響應(yīng)的偏差不到 5%。因此，－0.1 V 可以作為器件的工作電壓。

由于 A2 樣品（吸收層低摻雜）內(nèi)量子效率高，擴(kuò)散長(zhǎng)度大，SCD 研究人員認(rèn)為利用低吸收摻雜濃度的樣品制作的 nBn 探測(cè)器，將在 3～4 μm波段范圍得到大于 70%的外量子效率。探測(cè)器在 150 K 和 f/3 光圈條件下的光電流將達(dá)到～4×10－6A/cm2，比其暗電流（～3×10－7 A/cm2）大接近一個(gè)量級(jí)。即使工作溫度提高到160 K，樣品A2 的暗電流升高到～9×10－7 A/cm2，依舊只有光電流的 1/4，說明直到 160 K，探測(cè)器都將工作在背景限條件。

2.2焦平面研究

為了研究焦平面性質(zhì)，SCD 制作了兩種規(guī)格的焦平面：Blue Fairy（BF）和Pelican。Blue Fairy 焦平面陣列規(guī)模 320×256，像元中心距 30 μm；Pelican 焦平面陣列規(guī)模 640×512，像元中心距 15 μm。

圖7 A1、A2 及 B1 樣品在 150 K 下光響應(yīng)與偏壓的關(guān)系

1）量子效率

2011 年，SCD 報(bào)道了 BF 焦平面量子效率譜的測(cè)量與計(jì)算的結(jié)果，如圖 8中單程曲線（實(shí)線為測(cè)量結(jié)果，虛線為計(jì)算結(jié)果）。單程曲線是器件的單程量子效率結(jié)果，頂電極反射率只有 20%。為了改進(jìn)器件工藝，SCD 優(yōu)化了抗反膜的厚度，并將單程設(shè)計(jì)改為雙程（通過將頂電極的反射率提高到 95%實(shí)現(xiàn)）。圖中的雙程曲線展示了器件工藝優(yōu)化后的效果（計(jì)算結(jié)果）。即使在吸收層厚度只有 2.6 μm 的情況下，3～4 μm波段之間的量子效率依然可以超過 60%。

圖8 BF 焦平面量子效率譜的測(cè)量（實(shí)線）與計(jì)算（虛線）結(jié)果

2）暗電流統(tǒng)計(jì)分布

2012 年，SCD 測(cè)量了 Pelican 焦平面在150 K 下的暗電流，其統(tǒng)計(jì)分布如圖 9所示。暗電流平均值為200 fA，F(xiàn)WHM 為均值的 15%。一般在平均量子效率70%的情況下，器件光電流約為 12 pA，是暗電流的60 倍。在 150 K 下，焦平面達(dá)到了很好的背景限。這種情況下，背景限工作溫度可進(jìn)一步提升到175 K。

3）NETD 和有效像元率

同年，SCD 報(bào)道了Pelican-D 焦平面（數(shù)字化讀出電路）的NETD 和有效像元率與溫度的關(guān)系，如圖10 所示。結(jié)果顯示當(dāng)溫度高于170 K，NETD 與有效像元率才開始改變，同樣證實(shí)器件的背景限工作溫度可以達(dá)到175 K。

圖9 Pelican 焦平面在 150 K 下的暗電流統(tǒng)計(jì)分布

圖 10 Pelican-D 焦平面的 NETD、有效像元率與溫度的關(guān)系（在 50℃黑體面前放置 F/3.2 光闌情況下測(cè)量）

2.3兩款焦平面探測(cè)器產(chǎn)品——Kinglet和Hercules

1）Kinglet

Kinglet 是SCD 第一款nBn 中波高溫產(chǎn)品，于2013年推出，焦平面陣列規(guī)模為 640×512，像元中心距 15 μm，讀出電路為 SCD 自己的“Hot Pelican-D”，制冷機(jī)為 Ricor’s K562S 循環(huán)斯特林制冷機(jī)。Kinglet探測(cè)器組件如圖 11 所示，具體性能指標(biāo)列于表 1。

2）HOT Hercules

HOT Hercules 是SCD 第二款nBn 中波高溫產(chǎn)品，2014年推出，焦平面陣列規(guī)模 1280×1024，像元中心距 15 μm，讀出電路為 SCD 自己的數(shù)字化讀出電路“Hercules”，制冷機(jī)為 Ricor’s K508N 循環(huán)斯特林制冷機(jī)。Hercules 探測(cè)器具體性能指標(biāo)列于表2，組件如圖12 所示。

圖11 Kinglet 探測(cè)器組件

表1 Kinglet 探測(cè)器的典型性能指標(biāo)

表2 Hercules 探測(cè)器的典型性能指標(biāo)

圖12 Hercules 探測(cè)器組件

3InAs/GaSb二類超晶格pBp長(zhǎng)波器件

SCD 的InAs/GaSb 二類超晶格長(zhǎng)波器件同樣采用 XBn 和 XBp 器件結(jié)構(gòu)，與 InAsSb 中波高溫器件不同的是，超晶格采用 pBp 器件結(jié)構(gòu)，其能帶排列示意圖如圖 13所示。pBp 器件結(jié)構(gòu)吸收層和電極層是 13 ML InAs/7 ML GaSb 超晶格，勢(shì)壘層是 15 ML InAs/4 ML AlSb 超晶格。

SCD 在 2014 年報(bào)道了在 InAs/GaSb 二類超晶格長(zhǎng)波焦平面探測(cè)器的研究進(jìn)展。SCD 關(guān)于 InAs/GaSb 二類超晶格長(zhǎng)波焦平面探測(cè)器的研究包括3 方面：計(jì)算模擬軟件的開發(fā)與應(yīng)用；單元器件性質(zhì)研究；Pelican-D LW 焦平面產(chǎn)品。

圖13 pBp 器件的能帶排列示意圖

3.1計(jì)算模擬軟件的開發(fā)與應(yīng)用

2010 年開始，SCD 發(fā)展了一個(gè)模擬程序包，可以用來計(jì)算超晶格的能帶和 pBp 器件的響應(yīng)光譜。具體流程如下：通過軟件計(jì)算超晶格能帶結(jié)構(gòu)以及態(tài)密度，從而得到 XBp 器件的能帶排列和吸收層的吸收光譜，進(jìn)一步通過光學(xué)轉(zhuǎn)移矩陣技術(shù)計(jì)算出 XBp 器件的響應(yīng)光譜，如圖 14 所示。

圖 14 超晶格器件的模擬計(jì)算流程

他們能帶結(jié)構(gòu)的計(jì)算是用于晶格匹配材料的基于kp 模型的改進(jìn)版本，改進(jìn)模型中需要輸入的參數(shù)比早期的模型要少。這個(gè)模型是由 SCD 的 P. C. Kipstein 發(fā)展的，模型比較新穎的地方包括：

1）對(duì)于無公共原子的超晶格，比如 InAs/GaSb、InAs/AlSb，其界面矩陣式對(duì)角化的，包括了 3 個(gè)主要的參數(shù)：DS、DX、DZ。

2）而對(duì)于有公共原子的超晶格，比如 GaSb/AlSb、InAs/InAsSb，界面矩陣是非對(duì)角化的，包括了兩個(gè)主要的參數(shù)：α和β。

3）減少了獨(dú)立 Luttinger 參數(shù)的數(shù)量。對(duì)于超晶格的 6 個(gè) Luttinger（每種材料 3 個(gè)）參數(shù)中的 4 個(gè)可以由另外 2 個(gè)來表示。由這個(gè)結(jié)果可以得到，基于 InAs/GaSb 和 InAs/AlSb 的 XBpp 器件，只需要 2 個(gè) Luttinger 參數(shù)（InAs 的γ1和γ2），而不是 9 個(gè)。

進(jìn)一步計(jì)算光譜響應(yīng)過程中需要輸入的參數(shù)有每個(gè)超晶格層帶隙、周期厚度、折射率、少子擴(kuò)散長(zhǎng)度、表面復(fù)合速率，以及抗反膜的光學(xué)厚度。

圖15 是模型計(jì)算得到的超晶格材料帶隙與 10 K 溫度下測(cè)量得到的熒光峰位的比較。對(duì)于帶隙能量100 meV 到 300 meV 之間的超晶格，測(cè)量和計(jì)算得到的能量偏差在 77 K 下的kBT之內(nèi)。

圖 15 超晶格計(jì)算帶隙和 10 K 熒光峰位的比較

圖16 是 MWIR 和 LWIR 超晶格材料的吸收光譜的測(cè)量和模擬結(jié)果。模擬結(jié)果與測(cè)量結(jié)果中的主要特征都可以對(duì)上，包括在 3 μm 以下由布里淵區(qū)邊界HH2→E1躍遷產(chǎn)生的強(qiáng)烈的吸收峰。模擬結(jié)果表明，如果不考慮界面矩陣元，計(jì)算的帶隙將會(huì)藍(lán)移，中波超晶格材料將藍(lán)移 0.75μm，長(zhǎng)波將藍(lán)移 4.5 μm。證明界面對(duì)于超晶格的能帶結(jié)構(gòu)的貢獻(xiàn)不可忽略。

圖16 MWIR(a)和 LWIR(b)超晶格材料的吸收光譜的實(shí)驗(yàn)值（灰線）與計(jì)算值（黑線）

3.2單元器件性質(zhì)研究

隨后，SCD 報(bào)道了對(duì) InAs/GaSb 二類超晶格 pBp單元器件暗電流的研究[11]。暗電流研究中，首先對(duì)比pBp 器件和 n+-on-p 二極管器件的暗電流，二者具有相同的 p 型超晶格吸收層，厚度都為 1.5 μm，截至波長(zhǎng)都是 10 μm。兩種器件（100 μm×100 μm臺(tái)面）在工作偏壓下的暗電流密度的溫度依賴關(guān)系如圖17所示。圖中垂直虛線是器件的理想工作溫度 77 K，在 77 K 下，二極管的暗電流比 pBp 器件的高一個(gè)量級(jí)，證實(shí)了在 pBp 器件中 G-R 電流得到了抑制。 pBp 器件的暗電流直到 71 K 都是由擴(kuò)散電流主導(dǎo)的，而二極管器件在溫度低于120 K 時(shí)，由G-R 電流主導(dǎo)。

圖17 InAs/GaSb 100 μm×100 μm臺(tái)面器件的暗電流隨溫度的變化關(guān)系：(a) pBp 器件@0.6 V；(b)n+-on-p 二極管@ 0.1 V

pBp 器件的暗電流包括了兩部分，一部分是垂直擴(kuò)散電流部分，由光生非平衡少子沿著生長(zhǎng)方向輸運(yùn)到電極層被收集；另一部分是平行于勢(shì)壘層的橫向擴(kuò)散部分，進(jìn)入到臺(tái)面的邊界。這兩部分對(duì)應(yīng)了體電流和邊界電流的貢獻(xiàn)，具體由 IDark=JBL2＋4JPL給出，JBJP分別是體電流和邊界電流密度，L 是臺(tái)面尺寸。在理想的 FPA 中，所有的像元都外加同樣的偏壓，所以邊界電流部分可以忽略，因此體電流才是超晶格材料和器件質(zhì)量的重要參數(shù)。通過測(cè)量 8 個(gè)不同臺(tái)面尺寸pBp 器件的暗電流，得到了器件暗電流與臺(tái)面尺寸的關(guān)系，如圖 18所示。結(jié)果顯示體電流與邊界電流都對(duì)暗電流有貢獻(xiàn)，利用公式 IDark/L＝JBL＋4JP對(duì)結(jié)果進(jìn)行擬合，可以得到體電流密度為 6.0×10－6A cm－2。通過這種方法 SCD 研究人員測(cè)量了超過 10 個(gè)pBp 器件在 77 K 下的體電流密度，并且與 MCT 的 Rule 07 暗電流對(duì)比。結(jié)果表明 InAs/GaSb 超晶格 pBp器件的暗電流密度比MCT 的Rule07 暗電流大不到一量級(jí)，如圖 19所示。

圖 18 不同臺(tái)面尺寸下，InAs/GaSb pBp 測(cè)試器件的暗電流

圖19 pBp 單元器件暗電流與溫度的關(guān)系，實(shí)線代表碲鎘汞Rule07

SCD 研究人員接著研究了InAs/GaSb 二類超晶格 pBp 器件的量子效率。圖 20(a)是臺(tái)面尺寸為 100 μm × 100 μm的器件（吸收層厚度為 3 μm）在不同偏壓下的量子效率。從圖中可以得到器件的工作電壓需要大于 0.6 V，在工作電壓下，器件的量子效率接近40%。圖 20(b)是量子效率實(shí)驗(yàn)值（點(diǎn)）與臺(tái)面尺寸的關(guān)系，同時(shí)給出了公式 QE＝QE∞(L＋2Lp)2/L2的擬合結(jié)果（虛線），其中 Lp是橫向擴(kuò)散長(zhǎng)度。通過擬合得

QE∞＝36%和 Lp＝2.3 μm。

圖20 InAs/GaSb pBp 器件量子效率：(a)InAs/GaSb pBp 器件的量子效率（臺(tái)面尺寸100 μm × 100 μm吸收層厚度 3 μm）；(b) 量子效率與臺(tái)面尺寸的關(guān)系

3.3 Pelican-D LW焦平面產(chǎn)品

2015 年，SCD 利用 pBp 結(jié)構(gòu)制研制了長(zhǎng)波焦平面陣列 Pelican-D LW，陣列規(guī)模為 640×512，像元中心距 15 μm，焦平面陣列被互連到 SCD 公司新開發(fā)的讀出電路上。“Pelican-D LW”是 SCD 第一款長(zhǎng)波 XBp 焦平面產(chǎn)品。探測(cè)器工作溫度為 77 K，截止波長(zhǎng)為 9.5 μm。

文獻(xiàn)[14]中同時(shí)報(bào)道了 Pelican-D LW 焦平面的光電性質(zhì)及輻照性質(zhì)。圖21是78 K 下“Pelican-D LW”焦平面的暗電流統(tǒng)計(jì)分布，中值暗電流約為 100 pA，

對(duì)應(yīng)暗電流密度 4.4×10－5 A/cm－2，僅比 MCT Rules 07 的暗電流大不到一個(gè)量級(jí)。暗電流的分布很窄，半高全寬大約為中值的 6%。窄的暗電流分布有利于焦平面陣列在微小溫度或偏壓波動(dòng)下的穩(wěn)定性。

圖21 Pelican-D LW 焦平面在 78 K 下 FPA 暗電流的統(tǒng)計(jì)分布

Pelican-D LW 焦平面在 78 K、240 Hz 的幀頻以及 F/2.7 下的 NETD 為36 mK。通過平均 8 個(gè)幀頻，器件的有效幀頻變?yōu)?30 Hz。這種情況下的 NETD 的統(tǒng)計(jì)分布情況如圖 22所示。從圖中可以得出峰值 NETD 為 13 mK，分布很窄，且不存在明顯的分布尾。

圖23是焦平面陣列的量子效率分布。失效像元數(shù)為 1446，相應(yīng)的有效像元率為 99.56%。圖中整個(gè)焦平面的量子效率值都在48%左右（吸收層厚度為4.5 μm，單程）。如果背景限溫度定義為暗電流與光電流相等時(shí)的工作溫度，可以得到光圈為 F/2.7 時(shí)焦平面的背景限溫度為 90 K。

圖22 Pelican-D LW 焦平面 NETD 的統(tǒng)計(jì)分布（@78 K 溫度、30 Hz 的幀頻）

圖23 78 K 下，Pelican-D LW 焦平面陣列的量子效率分布

Pelican-DLW 探測(cè)器組件照片如圖 24 所示，具體性能指標(biāo)列于表 3。圖 25是 Pelican-DLW 焦平面相機(jī)在 77 K 下拍出的照片。

4小結(jié)

本文從材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、單元器件測(cè)試、焦平面驗(yàn)證3 方面總結(jié)了 SCD 在 InAsSb nBn 中波高溫探測(cè)器和InAs/GaSb 二類超晶格pBp 長(zhǎng)波探測(cè)器兩種探測(cè)器的研發(fā)歷程。SCD 公司通過 XBn、XBp 勢(shì)壘型器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)抑制器件暗電流，成功研發(fā)出了中波高溫器件和高性能長(zhǎng)波探測(cè)器兩種三代探測(cè)器的重要產(chǎn)品。InAsSb nBn 中波高溫探測(cè)器工作溫度可達(dá) 150℃； InAs/GaSb 二類超晶格 pBp 長(zhǎng)波探測(cè)器 77 K 下的暗電流低至4.4×10－5A/cm－2，僅比 MCT 的 Rule 07 暗電流大不到一量級(jí)。表 4 對(duì)比了 SCD 公司與其他研究機(jī)構(gòu)III-V 族紅外焦平面探測(cè)器的相關(guān)參數(shù)，從中可以看出，SCD 公司產(chǎn)品的部分典型性能處于領(lǐng)先地位。

圖24 Pelican-D 探測(cè)器組件

圖25 Pelican-DLW 焦平面在 77 K 下拍出的照片

表3 Pelican-DLW 焦平面探測(cè)器的性能指標(biāo)

表4 SCD 與其他或研究機(jī)構(gòu)紅外焦平面探測(cè)器性能對(duì)比