銻化物超晶格長波紅外探測器：從制備到性能優(yōu)化的深度剖析一、引言1.1研究背景與意義紅外探測技術作為現代信息技術的重要組成部分，在軍事和民用領域都發(fā)揮著舉足輕重的作用。從第二次世界大戰(zhàn)期間開始，軍事裝備應用的迫切需求極大地促進了紅外探測器技術的發(fā)展，具有紅外探測和成像功能的武器裝備遍布海陸空各作戰(zhàn)平臺，在夜視偵查、戰(zhàn)略預警、目標識別與跟蹤等方面，成為掌控戰(zhàn)場形勢的關鍵因素。在民用方面，紅外探測技術在工業(yè)檢測、醫(yī)療診斷、氣象預告、交通等大量場合也得到了廣泛應用，如在工業(yè)領域用于檢測設備故障、在醫(yī)療領域輔助診斷疾病、在氣象領域監(jiān)測氣候變化等。紅外探測器作為紅外探測和成像系統(tǒng)的核心部件，是決定紅外技術發(fā)展的關鍵。隨著應用需求的不斷提高，對紅外探測器的性能要求也日益嚴苛。目前，紅外探測器正朝著高像素、小像元、多色探測以及更高工作溫度的方向發(fā)展，以滿足不斷增長的市場需求。其中，長波紅外探測器由于其在8-14μm大氣窗口具有最高的透射率，且室溫（300K）物體發(fā)射的紅外輻射波長約為10μm，對于探測常溫物體具有重要意義，成為研究的熱點之一。在眾多紅外探測器材料中，銻化物超晶格以其獨特的優(yōu)勢脫穎而出，成為實現長波紅外探測的優(yōu)選技術，得到了國內外相關研究機構的廣泛關注和深入研究。銻化物超晶格是由兩種晶格匹配良好的半導體材料交替重復生長而形成的周期性結構，每一層的厚度通常在納米尺度。根據組成材料相互間能帶排列特點，超晶格一般分為I類超晶格和II類超晶格。在III-V族化合物半導體中，InAs、GaSb、AlSb之間可組成不同類別的能帶排列，GaSb/AlSb組成I類能帶排列，InAs/GaSb、InAs/AlSb組成II類能帶排列。特別的是，InAs導帶底能量比GaSb價帶頂能量低約150meV，當InAs和GaSb結合時，兩者形成“破隙型”II類能帶排列，電子被限制在InAs層中，而空穴被限制在GaSb層中。當兩者組成超晶格時，相鄰InAs和GaSb層中電子和空穴會由于相互作用分別形成電子微帶和空穴微帶，電子微帶與空穴微帶的能量差即為超晶格的有效禁帶寬度，此寬度可隨著InAs層和GaSb層厚度的改變而改變。銻化物超晶格紅外探測器具有諸多優(yōu)異特性，使其在紅外探測領域展現出巨大的潛力。首先，通過改變周期厚度可以靈活調節(jié)其禁帶寬度，進而實現響應截止波長的調控，這使得探測器的光電響應特性能夠通過結構設計進行靈活調整，響應波段可以覆蓋短波至甚長波的整個紅外譜段，并且能夠實現多色探測，滿足不同應用場景對不同波段紅外探測的需求。其次，InAs/GaSb超晶格結構可以吸收垂直入射光，理論計算表明，其可達到與傳統(tǒng)的HgCdTe材料相當的吸收系數，因此具備較高的量子效率，能夠更有效地將紅外輻射轉化為電信號。再者，在InAs/GaSb超晶格結構中，由于輕、重空穴帶的分離，抑制了Auger復合速率，在理論上，其比HgCdTe具有更高的探測率，能夠更清晰地探測到微弱的紅外信號。此外，相比HgCdTe材料，InAs/GaSb超晶格有更大的有效質量，這有助于抑制長波探測器的隧穿暗電流，提高探測器的性能穩(wěn)定性。同時，現代材料生長技術，如分子束外延技術，可以在單原子層精度上控制材料的生長，十分有利于材料性能的可控性、穩(wěn)定性和可重復性，保障了探測器性能的一致性和可靠性。而且，InAs/GaSb超晶格是III-V族化合物半導體材料，其材料生長與器件工藝較為成熟，有利于實現大規(guī)格、高均勻性焦平面器件，降低生產成本，提高生產效率。盡管銻化物超晶格長波紅外探測器具有眾多優(yōu)勢，但在實際應用中仍面臨一些挑戰(zhàn)。例如，II類超晶格材料在少子壽命上與HgCdTe存在較大差距，這導致II類超晶格探測器在耗盡區(qū)有很高的產生復合電流，影響探測器的性能。為了抑制產生復合電流及其他機制暗電流，研究人員提出了各種結構并應用于II類超晶紅外探測器上，如PπMN結構、CBIRD以及單極勢壘型等，雖然在一定程度上降低了長波器件的暗電流，同時增加了器件阻抗及探測率，但仍有進一步優(yōu)化的空間。此外，InAs/InAsSb超晶格的提出，避免了由Ga在禁帶引入復合中心，有效地提高了少子壽命，但在材料制備和器件工藝方面還需要進一步完善。綜上所述，對銻化物超晶格長波紅外探測器器件制備及工藝優(yōu)化的研究具有重要的現實意義。通過深入研究器件制備工藝，優(yōu)化材料結構和性能，可以進一步提高銻化物超晶格長波紅外探測器的性能，使其在軍事和民用領域得到更廣泛的應用。這不僅有助于提升我國在紅外探測技術領域的競爭力，滿足國防安全和國民經濟發(fā)展的需求，還能推動相關產業(yè)的發(fā)展，創(chuàng)造巨大的經濟和社會效益。1.2國內外研究現狀銻化物超晶格長波紅外探測器的研究在國內外都受到了廣泛關注，取得了一系列重要成果，不過在研究進展和技術水平上存在一定差異。國外對銻化物超晶格長波紅外探測器的研究起步較早，在理論研究和技術開發(fā)方面都處于領先地位。美國、法國、以色列等國家的科研機構和企業(yè)在該領域投入了大量資源，取得了眾多具有代表性的成果。美國的雷聲公司、洛克希德?馬丁公司等在銻化物超晶格紅外探測器的研發(fā)上處于世界前沿，他們在材料生長、器件制備工藝以及探測器性能優(yōu)化等方面取得了顯著進展。例如，通過優(yōu)化分子束外延（MBE）技術，精確控制材料生長過程，獲得了高質量的銻化物超晶格材料，極大地提高了探測器的性能。在器件結構設計方面，開發(fā)了多種新型結構，如pπMN結構、CBIRD結構以及單極勢壘型結構等，有效抑制了長波探測器的暗電流，提高了探測器的工作溫度和探測率。法國的Sofradir公司也在銻化物超晶格紅外探測器研究方面成果頗豐，成功研制出多種規(guī)格的焦平面探測器，并實現了商業(yè)化應用，其產品在軍事和民用領域都有廣泛應用。以色列的SCD公司同樣在該領域表現出色，研發(fā)的銻化物超晶格紅外探測器具有高靈敏度、高分辨率等優(yōu)點，在安防監(jiān)控、軍事偵察等領域發(fā)揮了重要作用。國內在銻化物超晶格長波紅外探測器的研究方面也取得了長足的進步。中國科學院上海技術物理研究所、中國科學院半導體研究所、云南師范大學等科研機構和高校在該領域開展了深入研究，取得了一系列重要成果。中科院上海技術物理研究所在銻化物超晶格材料生長和器件制備方面積累了豐富的經驗，通過對分子束外延技術的優(yōu)化，生長出了高質量的銻化物超晶格材料，并在此基礎上制備出高性能的長波紅外探測器，部分性能指標已接近國際先進水平。中科院半導體研究所則在銻化物超晶格探測器的新結構和新工藝研究方面取得了突破，提出了一些新型的器件結構，有效提高了探測器的性能。云南師范大學的研究團隊與中科院半導體所、兵器集團211所合作，研制出了高性能的InAs/GaSbⅡ類超晶格長波紅外探測器，并對其進行了高能電子輻照實驗，研究了輻照損傷機理和特性，為器件的空間應用奠定了基礎。此外，國內一些企業(yè)也開始涉足銻化物超晶格紅外探測器的研發(fā)和生產，如北方廣微科技有限公司等，他們在探測器的產業(yè)化方面做出了積極努力，推動了銻化物超晶格長波紅外探測器的國產化進程。盡管國內在銻化物超晶格長波紅外探測器的研究上取得了顯著進展，但與國外先進水平相比，仍存在一定差距。在材料生長方面，雖然國內已經能夠生長出高質量的銻化物超晶格材料，但在材料的均勻性和一致性方面與國外還有一定差距，這可能會影響探測器的性能穩(wěn)定性和批量生產。在器件制備工藝方面，國外擁有更為先進和成熟的工藝技術，能夠實現更高精度的器件制備和更低的制造成本，而國內在工藝設備和工藝優(yōu)化方面還需要進一步提升。在探測器的性能指標上，國內研制的銻化物超晶格長波紅外探測器在暗電流、探測率等關鍵指標上與國外先進產品相比仍有一定提升空間。未來，國內在銻化物超晶格長波紅外探測器的研究方向上，應進一步加強材料生長技術的研究，提高材料的均勻性和一致性，降低材料缺陷對探測器性能的影響。加大對器件制備工藝的研發(fā)投入，引進和開發(fā)先進的工藝設備，優(yōu)化工藝參數，提高器件的制備精度和生產效率。深入研究探測器的新結構和新原理，探索降低暗電流、提高探測率和工作溫度的新方法，以提升探測器的整體性能。加強產學研合作，促進科研成果的產業(yè)化轉化，推動銻化物超晶格長波紅外探測器在軍事和民用領域的廣泛應用。1.3研究內容與方法本研究旨在深入探究銻化物超晶格長波紅外探測器的器件制備及工藝優(yōu)化，以提升探測器性能，滿足日益增長的應用需求。具體研究內容與方法如下：1.3.1研究內容高質量銻化物超晶格材料生長：運用分子束外延（MBE）技術，在GaSb襯底上生長InAs/GaSb超晶格材料。精確控制生長參數，如生長溫度、束流強度、生長速率等，以獲取高質量的超晶格材料。生長過程中，利用反射式高能電子衍射（RHEED）實時監(jiān)測材料表面的生長狀態(tài)，確保生長的平整度和周期性。通過優(yōu)化生長參數，提高材料的結晶質量，降低材料缺陷，從而提升探測器的性能。探測器結構設計與優(yōu)化：深入研究InAs/GaSb超晶格探測器的工作原理和性能影響因素，設計適合長波紅外探測的器件結構，如p-n結結構、pπMN結構、CBIRD結構等。借助半導體器件模擬軟件，如SentaurusTCAD，對不同結構的探測器進行模擬分析，研究其電學和光學特性，包括能帶結構、載流子輸運、光吸收等。通過模擬結果，優(yōu)化器件結構參數，如勢壘層厚度、摻雜濃度等，以降低暗電流，提高量子效率和探測率。器件制備工藝研究：開展探測器的制備工藝研究，包括光刻、刻蝕、金屬化等關鍵工藝。探索光刻工藝中曝光劑量、顯影時間等參數對光刻圖形精度的影響，確保光刻圖形的準確性和分辨率。研究刻蝕工藝中刻蝕氣體種類、刻蝕功率、刻蝕時間等因素對刻蝕速率和刻蝕表面質量的影響，優(yōu)化刻蝕工藝，減少刻蝕損傷，提高刻蝕表面的平整度和光潔度。優(yōu)化金屬化工藝，選擇合適的金屬材料和退火條件，降低金屬與半導體之間的接觸電阻，提高歐姆接觸性能。探測器性能測試與分析：對制備的銻化物超晶格長波紅外探測器進行全面的性能測試，包括暗電流、響應率、探測率、量子效率等參數的測量。使用低溫恒溫器將探測器冷卻至工作溫度，采用鎖相放大器、激光器、黑體輻射源等設備搭建測試系統(tǒng)，測量探測器在不同偏壓和光照條件下的電學和光學響應。對測試結果進行深入分析，研究器件性能與材料結構、工藝參數之間的關系，找出影響探測器性能的關鍵因素，為進一步的工藝優(yōu)化提供依據。1.3.2研究方法實驗研究：搭建分子束外延生長系統(tǒng)，進行銻化物超晶格材料的生長實驗。利用光刻、刻蝕、金屬化等工藝設備，制備探測器器件。使用多種測試設備，如半導體參數分析儀、光譜響應測試系統(tǒng)、量子效率測試系統(tǒng)等，對探測器的性能進行全面測試。通過實驗，獲取材料生長、器件制備和性能測試的第一手數據，為研究提供實驗基礎。理論分析：基于半導體物理、量子力學等理論知識，深入分析InAs/GaSb超晶格探測器的工作原理，包括光生載流子的產生、輸運和復合過程。建立探測器的物理模型，對其電學和光學性能進行理論計算，如暗電流、響應率、探測率等。通過理論分析，深入理解探測器的性能機制，為實驗研究提供理論指導。數值模擬：運用半導體器件模擬軟件，如SentaurusTCAD，對銻化物超晶格探測器的結構和性能進行數值模擬。模擬不同結構和工藝參數下探測器的能帶結構、載流子分布、電場分布等物理量，預測探測器的性能。通過數值模擬，快速評估不同設計方案的可行性，優(yōu)化器件結構和工藝參數，減少實驗次數，提高研究效率。二、銻化物超晶格長波紅外探測器的基本原理2.1超晶格的概念與分類超晶格的概念最早于1970年由美國IBM實驗室的江崎和朱兆祥提出。他們設想通過將兩種晶格匹配良好的材料以薄層交替的方式周期性生長，每層材料的厚度控制在100nm以下，這樣電子沿生長方向的運動將會受到超晶格周期勢的影響，產生振蕩，有望用于制造微波器件。隨后，這一設想在分子束外延設備上得以實現。超晶格材料是由兩種（或兩種以上）不同組元（或導電類型）以幾個納米到幾十個納米的薄層交替生長并保持嚴格周期性的多層膜，本質上是一種特定形式的層狀精細復合材料。其周期性結構賦予了材料獨特的物理性質，使得電子在其中的運動表現出與常規(guī)材料不同的特性。根據組成材料相互間能帶排列特點，超晶格一般分為I類超晶格和II類超晶格。在III-V族化合物半導體中，InAs、GaSb、AlSb之間可組成不同類別的能帶排列。其中，GaSb/AlSb組成I類能帶排列。在I類超晶格中，窄帶材料的禁帶完全落在寬帶材料的禁帶中，導帶偏移量\DeltaE_c和價帶偏移量\DeltaE_v的符號相反。對于電子和空穴而言，窄帶材料都是勢阱，寬帶材料都是勢壘。這意味著電子和空穴被約束在同一材料中，載流子復合發(fā)生在窄帶材料一側。例如，常見的GaAlAs/GaAs和InGaAsP/InP超晶格都屬于I類超晶格。在這類超晶格中，由于電子和空穴處于同一材料區(qū)域，它們之間的相互作用相對較強，有利于一些基于載流子復合發(fā)光的應用，如半導體激光器等。InAs/GaSb、InAs/AlSb則組成II類能帶排列。特別的是，InAs導帶底能量比GaSb價帶頂能量低約150meV，當InAs和GaSb結合時，兩者形成“破隙型”II類能帶排列。在這種排列下，電子被限制在InAs層中，而空穴被限制在GaSb層中。當它們組成超晶格時，相鄰InAs和GaSb層中電子和空穴會由于相互作用分別形成電子微帶和空穴微帶。電子微帶與空穴微帶的能量差即為超晶格的有效禁帶寬度，此寬度可隨著InAs層和GaSb層厚度的改變而改變。這種獨特的能帶結構使得II類超晶格具有許多特殊的性質。例如，由于電子和空穴在空間上的分離，它們之間的復合過程相對復雜，這在一些紅外探測應用中可以通過巧妙的設計來利用，以實現對紅外光的高效探測。同時，通過調整InAs層和GaSb層的厚度，可以靈活地調節(jié)超晶格的有效禁帶寬度，從而實現對不同波長紅外光的響應。2.2InAs/GaSb超晶格的能帶結構與特性InAs/GaSb超晶格具有獨特的“破隙型”II類能帶排列，這種特殊的能帶結構賦予了其許多優(yōu)異的特性，與紅外探測性能密切相關。在InAs/GaSb超晶格中，InAs導帶底能量比GaSb價帶頂能量低約150meV，這一能量差使得電子被限制在InAs層中，空穴被限制在GaSb層中。當它們組成超晶格時，相鄰InAs和GaSb層中的電子和空穴由于相互作用分別形成電子微帶和空穴微帶。電子微帶與空穴微帶之間的能量差就是超晶格的有效禁帶寬度，此寬度會隨著InAs層和GaSb層厚度的改變而改變。通過精確控制這兩層的厚度，可以靈活地調節(jié)超晶格的有效禁帶寬度，從而實現對不同波長紅外光的響應。這種能帶結構對紅外探測具有重要意義。紅外探測的原理是基于材料對紅外光子的吸收，從而產生光生載流子。在InAs/GaSb超晶格中，當紅外光子的能量大于超晶格的有效禁帶寬度時，光子可以激發(fā)InAs層中的電子躍遷到導帶，同時在GaSb層中留下空穴，形成電子-空穴對。這些光生載流子在外加電場的作用下定向移動，產生光電流，從而實現對紅外光的探測。由于可以通過調節(jié)超晶格的有效禁帶寬度來匹配不同波長紅外光子的能量，使得InAs/GaSb超晶格能夠實現對不同波段紅外光的高效探測，響應波段可以覆蓋短波至甚長波的整個紅外譜段。此外，InAs/GaSb超晶格的能帶結構還影響著其電學特性。在這種結構中，由于輕、重空穴帶的分離，抑制了Auger復合速率。Auger復合是一種非輻射復合過程，會導致載流子的損失，降低探測器的性能。Auger復合速率的抑制意味著更多的光生載流子能夠參與到光電轉換過程中，從而提高探測器的探測率。在理論上，InAs/GaSb超晶格比HgCdTe具有更高的探測率。再者，相比HgCdTe材料，InAs/GaSb超晶格有更大的有效質量，這有助于抑制長波探測器的隧穿暗電流。隧穿暗電流是長波紅外探測器中主要的噪聲來源之一，它會降低探測器的信噪比，影響探測性能。InAs/GaSb超晶格較大的有效質量使得電子隧穿的概率降低，從而有效地抑制了隧穿暗電流，提高了探測器的性能穩(wěn)定性。2.3長波紅外探測的原理長波紅外探測的原理基于半導體材料對紅外光子的吸收和光生載流子的產生與輸運過程。在銻化物超晶格長波紅外探測器中，InAs/GaSb超晶格作為核心敏感材料，其獨特的能帶結構決定了長波紅外探測的特性。當長波紅外光子（波長范圍為8-14μm）入射到InAs/GaSb超晶格時，光子的能量與超晶格的有效禁帶寬度相互作用。如果光子的能量大于超晶格的有效禁帶寬度E_g（E=h\nu=\frac{hc}{\lambda}，其中h為普朗克常量，\nu為光子頻率，c為光速，\lambda為光子波長），光子就能夠激發(fā)InAs層中的電子從價帶躍遷到導帶，同時在GaSb層中留下空穴，從而產生電子-空穴對。這個過程可以用以下公式表示：h\nu\geqE_g\toe^-(InAs_{CB})+h^+(GaSb_{VB})其中e^-表示電子，h^+表示空穴，InAs_{CB}表示InAs層的導帶，GaSb_{VB}表示GaSb層的價帶。產生的光生載流子在超晶格內部和外部電場的作用下發(fā)生輸運。在InAs/GaSb超晶格中，由于電子和空穴分別被限制在InAs層和GaSb層中，它們的輸運特性與常規(guī)半導體有所不同。電子在InAs層的導帶中運動，空穴在GaSb層的價帶中運動。在沒有外加電場時，光生載流子會由于熱運動和濃度梯度而擴散。而當施加外加電場時，電子和空穴會在外加電場的作用下定向漂移。這種定向漂移形成了光電流，通過檢測光電流的大小和變化，就可以實現對長波紅外輻射的探測。探測器的響應率R是衡量其對光信號響應能力的重要參數，它定義為輸出光電流I與入射光功率P之比，即R=\frac{I}{P}。響應率與光生載流子的產生效率、收集效率以及探測器的結構和材料特性等因素密切相關。在理想情況下，探測器的響應率可以通過量子效率\eta（表示吸收的光子數與入射光子數之比）和探測器的增益G（表示每個吸收的光子產生的平均載流子數）來計算，即R=\frac{\etaGq}{h\nu}，其中q為電子電荷量。探測率D是另一個重要的性能指標，它綜合考慮了探測器的響應率和噪聲水平，定義為D=\frac{R}{\sqrt{NEP}}，其中NEP（NoiseEquivalentPower）為噪聲等效功率，表示探測器能夠探測到的最小光功率。探測率越高，說明探測器對微弱光信號的探測能力越強。在長波紅外探測中，由于背景輻射的影響以及探測器自身的噪聲（如暗電流噪聲、熱噪聲等），提高探測率是一個關鍵的研究目標。通過優(yōu)化超晶格的結構和材料特性，降低噪聲水平，可以有效地提高探測器的探測率。三、銻化物超晶格長波紅外探測器的器件制備3.1材料生長技術高質量的銻化物超晶格材料是制備高性能長波紅外探測器的基礎，而材料生長技術則是決定材料質量的關鍵因素。目前，用于銻化物超晶格材料生長的主要技術包括分子束外延技術（MBE）和金屬有機物化學氣相沉積技術（MOCVD）。這兩種技術各有特點，在銻化物超晶格長波紅外探測器的材料生長中都發(fā)揮著重要作用。3.1.1分子束外延技術（MBE）分子束外延技術（MBE）是在超高真空的條件下，把一定比例的構成晶體的各個組分和摻雜原子（分子）以一定的熱運動速度噴射到熱的襯底表面來進行晶體外延生長的技術。其原理基于分子束與襯底表面的相互作用，分子束源爐中的原材料被加熱蒸發(fā)，形成分子束，這些分子束在超高真空環(huán)境中直線傳輸到襯底表面。在襯底表面，分子進行物理或化學吸附，然后在表面遷移、分解，最終與襯底或外延層晶格點陣結合，實現晶體的外延生長。MBE技術具有諸多顯著優(yōu)勢。首先，它能夠實現精確的厚度控制，生長速率低，大約1μm/h，相當于每秒生長一個單原子層。這種極低的生長速率使得可以精確控制外延層的厚度、結構與成分，有利于形成陡峭的異質結，特別適合生長超晶格材料和外延薄膜材料。其次，MBE生長過程是在襯底溫度相對較低的條件下進行，這降低了界面上熱膨脹引入的晶格失配效應和襯底雜質對外延層的自摻雜擴散影響，從而提高了材料的質量和純度。再者，MBE系統(tǒng)可以獨立控制各蒸發(fā)源的蒸發(fā)和噴射速度，能夠精確控制薄膜的生長過程，通過對活門動作的適當安排，可以使各射束分別在規(guī)定的時間間隔內通過或關斷，從而實現對材料成分和摻雜濃度的精確調控。此外，MBE設備通常配備反射高能電子衍射儀（RHEED）等原位分析設備，高能電子槍發(fā)射電子束以1-3°掠射到基片表面后，經表面晶格衍射在熒光屏上產生的衍射條紋可以直接反映薄膜的結晶性和表面形貌，衍射強度隨表面的粗糙度發(fā)生變化，振蕩反映了薄膜的層狀外延生長和外延生長的單胞層數，這使得在生長過程中能夠實時監(jiān)測材料的生長狀態(tài)，及時調整生長參數。在銻化物超晶格材料生長過程中，MBE技術的生長過程控制至關重要。以InAs/GaSb超晶格外延生長為例，需要精確控制以下幾個關鍵參數。首先是襯底溫度，襯底溫度決定原子或分子在襯底表面上的吸附、遷移與脫附過程。合適的襯底溫度能夠保證原子在襯底表面有足夠的遷移率，從而實現高質量的外延生長。如果襯底溫度過低，原子遷移率低，容易導致表面粗糙和缺陷增加；如果襯底溫度過高，可能會引起原子的過度擴散和脫附，影響超晶格的結構和性能。其次是Ⅲ族元素的束流，MBE外延Ⅲ-Ⅴ族材料時，一般為“Ⅲ族元素限制外延”，即MBE生長是在富Ⅴ族元素氛圍下進行。此時，外延材料的生長速率決定于Ⅲ族元素的沉積速率，因此生長速率主要是通過Ⅲ族元素的束流大小進行控制。精確控制Ⅲ族元素的束流，可以保證超晶格各層的厚度和成分的均勻性。最后是Ⅴ/Ⅲ族束流比，控制Ⅴ/Ⅲ族束流比主要用來平衡表面Ⅴ族元素在外延材料表面的脫附以及其結合速率，用以穩(wěn)定生長速率。合適的Ⅴ/Ⅲ族束流比能夠確保超晶格的化學計量比準確，避免因Ⅴ族元素不足或過量導致的材料性能下降。通過精確控制這些生長參數，利用MBE技術可以生長出高質量的銻化物超晶格材料，為制備高性能的長波紅外探測器奠定堅實的基礎。3.1.2金屬有機物化學氣相沉積技術（MOCVD）金屬有機物化學氣相沉積技術（MOCVD）是在氣相外延（VPE）的基礎上發(fā)展起來的一種新型氣相外延生長技術，是利用金屬有機化合物作為源物質的一種化學氣相淀積（CVD）工藝。其工作原理是以Ⅲ族、Ⅱ族元素的有機化合物和V、Ⅵ族元素的氫化物等作為晶體生長源材料，在常壓或低壓（10-100Torr）下，以熱分解反應方式在襯底上進行氣相外延，生長各種Ⅲ-V族、Ⅱ-Ⅵ族化合物半導體以及它們的多元固溶體的薄層單晶材料。載流氣體通常是氫氣，在一些特殊情況下也會采用氮氣，例如在生長氮化銦鎵（InGaN）薄膜時。常用的基板有砷化鎵（GaAs）、磷化鎵（GaP）、磷化銦（InP）、硅（Si）、碳化硅（SiC）及藍寶石（Sapphire，Al2O3）等。MOCVD技術具有獨特的特點。一方面，用于生長化合物半導體材料的各組分和摻雜劑都是以氣態(tài)的方式通入反應室，因此可以通過精確控制氣態(tài)源的流量和通斷時間來精確控制外延層的組分、摻雜濃度、厚度等，能夠用于生長薄層和超薄層材料。另一方面，反應室中氣體流速較快，在需要改變多元化合物的組分和摻雜濃度時，可以迅速進行改變，減小記憶效應發(fā)生的可能性，這有利于獲得陡峭的界面，適于進行異質結構和超晶格、量子阱材料的生長。同時，晶體生長是以熱解化學反應的方式進行的單溫區(qū)外延生長，只要控制好反應源氣流和溫度分布的均勻性，就可以保證外延材料的均勻性，因此適于多片和大片的外延生長，便于工業(yè)化大批量生產。此外，通常情況下，晶體生長速率與Ⅲ族源的流量成正比，生長速率調節(jié)范圍較廣，較快的生長速率適用于批量生長，并且該技術使用靈活，原則上只要能夠選擇合適的原材料就可以進行包含該元素的材料的MOCVD生長，可供選擇作為反應源的金屬有機化合物種類較多，性質也有一定的差別。在銻化物超晶格材料生長中，MOCVD技術得到了廣泛應用。通過合理選擇金屬有機源和氫化物源，精確控制反應溫度、氣體流量等工藝參數，可以生長出高質量的銻化物超晶格材料。在生長InAs/GaSb超晶格時，精確控制In、Ga、Sb等元素的氣態(tài)源流量，以及反應溫度和氣體流速，能夠實現對超晶格結構和性能的有效調控。然而，MOCVD技術也存在一些缺點，主要與其所采用的反應源有關。一方面，所采用的金屬有機化合物和氫化物源價格較為昂貴，增加了生產成本。另一方面，部分源易燃易爆或者有毒，存在一定的危險性，并且反應后產物需要進行無害化處理，以避免造成環(huán)境污染。此外，由于所采用的源中包含其他元素（如C，H等），需要對反應過程進行仔細控制以避免引入非故意摻雜的雜質。盡管存在這些挑戰(zhàn)，隨著技術的不斷發(fā)展和改進，MOCVD技術在銻化物超晶格長波紅外探測器材料生長中的應用前景依然廣闊。3.2器件結構設計3.2.1典型的探測器結構PIN光電二極管和勢壘結構光電探測器是銻化物超晶格長波紅外探測器中較為典型的結構，它們各自具有獨特的工作原理和優(yōu)缺點。PIN光電二極管是一種常見的光電轉換器件，其結構由P型半導體、本征層（I區(qū)）和N型半導體組成。在通常情況下，P型和N型半導體是高摻雜的，而本征層則是低摻雜的。這三個區(qū)域形成了一個PN結，本征層位于兩個摻雜層之間。其工作原理基于內建電場增強光電轉換效果。當長波紅外光照射到PIN光電二極管時，光子首先進入本征層，在本征層中光子激發(fā)電子從價帶躍遷到導帶，產生電子-空穴對。由于內建電場的存在，電子和空穴會被迅速分離并向相反的方向移動，電子被收集到P型半導體區(qū)域，空穴被收集到N型半導體區(qū)域，從而形成輸出電流。內建電場的強度和方向可以通過外部電源調節(jié)，以改變光電轉換效果。PIN光電二極管具有諸多優(yōu)點。它具有高靈敏度，其本征層能夠增強電子和空穴的輻射捕獲效率，從而提高了光電轉換效率。PIN光電二極管的響應速度快，由于其具有較低的電容和電阻，能夠快速響應光信號的變化。它還具有寬頻帶特性，頻率響應范圍廣，可以用于接收高頻信號。而且，其噪聲水平較低，能夠提供高信噪比的輸出信號。不過，PIN光電二極管也存在一些缺點。它需要較高的工作電壓才能正常工作，相對較高的工作電壓在一些應用場景中可能會受到限制。其性能容易受到溫度的影響，溫度的變化會導致其光電轉換效率和響應速度等性能參數發(fā)生改變。勢壘結構光電探測器則是通過引入勢壘層來改善探測器的性能，常見的有p-n結加勢壘層結構以及單極勢壘結構等。以p-n結加勢壘層結構為例，在這種結構中，勢壘層通常位于吸收層和電極之間。當光生載流子產生后，勢壘層可以阻礙多數載流子的移動，從而減少暗電流。勢壘層對少數載流子的影響較小，使得少數載流子能夠順利通過，參與光電流的形成。單極勢壘結構則是利用了半導體材料的能帶特性，通過設計合適的勢壘高度和寬度，來實現對載流子的有效控制。在這種結構中，只有一種載流子（電子或空穴）受到勢壘的主要影響，從而實現對暗電流的抑制和光電流的增強。勢壘結構光電探測器的優(yōu)點在于能夠有效抑制暗電流。在長波紅外探測中，暗電流是影響探測器性能的重要因素之一，勢壘層的引入可以阻擋多數載流子的泄漏，從而降低暗電流水平，提高探測器的信噪比。通過合理設計勢壘層的參數，可以提高探測器的工作溫度，使其在更高的溫度下仍能保持較好的性能。然而，勢壘結構光電探測器也存在一些不足之處。勢壘層的引入可能會增加器件的制作工藝難度和成本。由于勢壘層的存在，可能會對光生載流子的收集效率產生一定的影響，需要在設計和制備過程中進行精細的優(yōu)化，以平衡暗電流抑制和光生載流子收集效率之間的關系。3.2.2新型結構設計與創(chuàng)新為了進一步提升銻化物超晶格長波紅外探測器的性能，研究人員不斷探索新型結構設計與創(chuàng)新。這些新型結構設計主要圍繞降低暗電流、提高量子效率和探測率、增強器件穩(wěn)定性等目標展開。一種新型的結構設計思路是采用多勢壘結構。在這種結構中，通過引入多個勢壘層，可以更有效地阻擋載流子的泄漏，從而降低暗電流。多個勢壘層還可以對光生載流子進行多次篩選和調控，提高光生載流子的收集效率，進而提高量子效率和探測率。通過優(yōu)化各勢壘層的厚度、摻雜濃度以及勢壘高度等參數，可以實現對載流子輸運過程的精確控制，減少載流子的復合，提高器件的性能。另一種創(chuàng)新的結構設計是基于量子點的超晶格結構。將量子點引入銻化物超晶格中，可以利用量子點的量子限域效應，增強對光的吸收和光生載流子的產生。量子點的能級結構與傳統(tǒng)的超晶格有所不同，其離散的能級可以提供更多的光吸收通道，從而提高探測器的響應率。量子點還可以作為載流子的陷阱，延長載流子的壽命，減少載流子的復合，提高探測器的探測率。通過精確控制量子點的尺寸、密度和分布，可以實現對探測器性能的有效調控。還有一種新型結構是采用異質結集成的方式。將不同材料的異質結集成到銻化物超晶格探測器中，可以充分利用不同材料的優(yōu)勢，實現性能的優(yōu)化。將具有高電子遷移率的材料與銻化物超晶格結合，可以提高載流子的輸運速度，減少載流子的散射，從而提高探測器的響應速度和探測率。通過合理設計異質結的界面結構和能帶匹配，可以降低界面態(tài)密度，減少界面復合，提高器件的穩(wěn)定性。在新型結構設計過程中，還需要考慮與現有制備工藝的兼容性。確保新型結構能夠在現有的分子束外延、金屬有機物化學氣相沉積等材料生長技術以及光刻、刻蝕、金屬化等器件制備工藝條件下實現，以降低生產成本，提高生產效率。還需要利用先進的模擬軟件和實驗測試手段，對新型結構的性能進行深入研究和優(yōu)化，確保其能夠滿足實際應用的需求。3.3制備工藝流程以pπmp結構探測器為例，其制備工藝流程是一個復雜且精細的過程，涉及多個關鍵步驟，每一步都對探測器的最終性能有著重要影響。下面將詳細說明從襯底準備到各層生長、電極安裝的具體制備步驟。在開始制備之前，首先要進行襯底準備。選用高質量的GaSb襯底，這是因為GaSb與InAs/GaSb超晶格材料具有良好的晶格匹配度，能夠為后續(xù)的外延生長提供穩(wěn)定的基礎。在使用之前，對GaSb襯底進行嚴格的清洗和預處理。先將襯底浸泡在有機溶劑中，如丙酮、乙醇等，利用超聲波清洗去除表面的油污和雜質。再將襯底放入酸性溶液中，如稀鹽酸，進行化學腐蝕，去除表面的氧化層和殘留的雜質。經過清洗和腐蝕后的襯底，用去離子水沖洗干凈，并在氮氣環(huán)境中吹干備用。在分子束外延（MBE）生長系統(tǒng)中，對襯底進行高溫烘烤，進一步去除表面的水分和雜質，提高襯底表面的潔凈度和活性，為后續(xù)的外延生長創(chuàng)造良好的條件。完成襯底準備后，開始進行緩沖層生長。在經過預處理的GaSb襯底上，利用MBE技術生長GaSb緩沖層。生長過程中，精確控制生長參數。將襯底溫度保持在合適的范圍內，一般在500-550℃之間，這個溫度范圍既能保證原子在襯底表面有足夠的遷移率，實現高質量的外延生長，又能避免溫度過高導致的原子過度擴散和脫附。嚴格控制Ⅲ族元素（Ga）的束流和Ⅴ/Ⅲ族束流比，以確保生長速率的穩(wěn)定和緩沖層的化學計量比準確。生長的GaSb緩沖層厚度通常在200-300nm之間，這一厚度能夠有效緩解襯底與后續(xù)生長層之間的晶格失配應力，提高外延層的質量。在生長過程中，利用反射式高能電子衍射（RHEED）實時監(jiān)測緩沖層的生長狀態(tài)，確保生長的平整度和結晶質量。緩沖層生長完成后，接著進行下接觸層生長。在下接觸層生長中，采用InAs/GaSb超晶格結構，通過MBE技術進行生長。此超晶格結構為13MLInAs/7MLGaSb（ML表示單原子層）。在生長過程中，同樣精確控制生長參數。將襯底溫度調整到適合InAs/GaSb超晶格外延生長的范圍，一般在450-500℃之間。精確控制InAs和GaSb的生長速率，通過調節(jié)Ⅲ族元素（In和Ga）的束流來實現。嚴格控制Ⅴ/Ⅲ族束流比，以保證超晶格各層的化學計量比準確。下接觸層的厚度一般生長為500-600nm，該厚度既能保證良好的電學接觸性能，又能滿足探測器結構設計的要求。生長過程中，利用RHEED實時監(jiān)測生長狀態(tài)，確保超晶格結構的完整性和周期性。下接觸層需要進行p型摻雜，摻雜元素通常選擇Be，摻雜濃度為1×10^18cm^-3，通過精確控制Be的束流來實現準確的摻雜濃度。下接觸層生長完畢后，進行吸收層生長。吸收層同樣采用InAs/GaSb超晶格結構，超晶格結構與下接觸層相同，為13MLInAs/7MLGaSb。在吸收層生長過程中，精確控制生長參數。襯底溫度保持在與下接觸層生長相近的范圍，即450-500℃。嚴格控制InAs和GaSb的生長速率和Ⅴ/Ⅲ族束流比，以保證超晶格結構的質量。吸收層的厚度一般生長為2400-2600nm，這一厚度能夠保證對長波紅外光的充分吸收，提高探測器的量子效率。生長過程中，利用RHEED實時監(jiān)測生長狀態(tài)，確保超晶格結構的質量。吸收層進行p型摻雜，摻雜元素為Be，摻雜濃度為1×10^16cm^-3，通過精確控制Be的束流來實現所需的摻雜濃度。吸收層生長完成后，進行勢壘層生長。勢壘層采用InAs/GaSb/AlSb/GaSb超晶格結構，通過MBE技術生長。此超晶格結構為6MLInAs/3MLGaSb/5MLAlSb/3MLGaSb。在生長過程中，精確控制生長參數。襯底溫度調整到適合該超晶格生長的范圍，一般在500-550℃之間。精確控制InAs、GaSb和AlSb的生長速率，通過調節(jié)Ⅲ族元素（In、Ga和Al）的束流來實現。嚴格控制Ⅴ/Ⅲ族束流比，以保證超晶格各層的化學計量比準確。勢壘層的厚度一般生長為800-1000nm，該厚度能夠有效阻礙多數載流子的移動，降低暗電流。生長過程中，利用RHEED實時監(jiān)測生長狀態(tài)，確保超晶格結構的質量。勢壘層進行p型摻雜，摻雜元素為Be，摻雜濃度為1×10^15cm^-3，通過精確控制Be的束流來實現準確的摻雜濃度。勢壘層生長結束后，進行上接觸層生長。上接觸層采用InAs/GaSb超晶格結構，通過MBE技術生長。超晶格結構為13MLInAs/7MLGaSb。在生長過程中，精確控制生長參數。襯底溫度保持在450-500℃之間。精確控制InAs和GaSb的生長速率和Ⅴ/Ⅲ族束流比，以保證超晶格結構的質量。上接觸層的厚度一般生長為500-600nm，該厚度能夠保證良好的電學接觸性能。生長過程中，利用RHEED實時監(jiān)測生長狀態(tài)，確保超晶格結構的質量。上接觸層進行p型摻雜，摻雜元素為Be，摻雜濃度為1×10^18cm^-3，通過精確控制Be的束流來實現所需的摻雜濃度。各層生長完成后，進行電極安裝。電極對應在下接觸層與緩沖層之間，以及上接觸層上方進行安裝。首先，通過光刻工藝在探測器表面定義電極的位置和形狀。光刻過程中，使用光刻膠均勻涂覆在探測器表面，通過曝光和顯影工藝，將預先設計好的電極圖案轉移到光刻膠上。接著，采用電子束蒸發(fā)或濺射等方法，在光刻膠圖案上沉積金屬電極材料，如AuGeNi等。沉積完成后，通過剝離工藝去除多余的光刻膠和金屬，留下精確圖案的電極。對電極進行退火處理，在一定的溫度和時間條件下，使金屬與半導體之間形成良好的歐姆接觸，降低接觸電阻。四、銻化物超晶格長波紅外探測器的工藝優(yōu)化4.1暗電流抑制技術4.1.1暗電流產生機制分析暗電流是影響銻化物超晶格長波紅外探測器性能的關鍵因素之一，深入了解其產生機制對于有效抑制暗電流、提升探測器性能至關重要。在銻化物超晶格長波紅外探測器中，暗電流主要由擴散電流、產生復合電流、直接隧穿電流和陷阱輔助隧穿電流等機制產生。擴散電流是由于載流子的濃度梯度引起的。在探測器的p-n結中，由于p型和n型半導體的摻雜濃度不同，會導致載流子在結區(qū)兩側形成濃度梯度。在熱平衡狀態(tài)下，載流子會從高濃度區(qū)域向低濃度區(qū)域擴散，從而形成擴散電流。擴散電流的大小與載流子的濃度、擴散系數以及擴散長度等因素有關。在長波紅外探測器中，由于工作溫度較低，載流子的熱激發(fā)概率減小，擴散電流相對較小。然而，當探測器的工作溫度升高時，載流子的熱激發(fā)概率增加，擴散電流也會隨之增大，從而影響探測器的性能。產生復合電流是指在耗盡區(qū)中，由于熱激發(fā)或其他原因產生的電子-空穴對，在電場作用下漂移形成的電流。在銻化物超晶格中，由于材料的禁帶寬度較窄，熱激發(fā)產生電子-空穴對的概率相對較高。特別是在長波紅外探測器中，由于吸收層的厚度較大，熱激發(fā)產生的電子-空穴對更容易在耗盡區(qū)中產生。產生復合電流的大小與材料的少子壽命、耗盡區(qū)寬度以及溫度等因素有關。少子壽命越短，產生復合電流越大；耗盡區(qū)寬度越大，產生復合電流也越大；溫度升高，產生復合電流同樣會增大。在II類超晶格探測器中，由于材料在少子壽命上與HgCdTe存在較大差距，導致在耗盡區(qū)有很高的產生復合電流，這是限制銻化物超晶格長波紅外探測器性能的一個重要因素。直接隧穿電流是指電子在電場作用下，直接穿過禁帶從價帶躍遷到導帶形成的電流。在長波紅外探測器中，由于材料的禁帶寬度較窄，加上探測器工作時需要施加一定的偏壓，使得電子隧穿的概率增加。直接隧穿電流的大小與材料的禁帶寬度、電場強度以及電子的有效質量等因素有關。禁帶寬度越窄，電場強度越大，電子的有效質量越小，直接隧穿電流就越大。相比HgCdTe材料，InAs/GaSb超晶格有更大的有效質量，這在一定程度上有助于抑制直接隧穿電流。然而，在長波探測器中，由于工作條件的復雜性，直接隧穿電流仍然是一個需要關注的問題。陷阱輔助隧穿電流是指電子通過禁帶中的陷阱能級，從價帶躍遷到導帶形成的電流。在銻化物超晶格材料中，由于生長過程中的缺陷、雜質等因素，會在禁帶中引入陷阱能級。這些陷阱能級可以捕獲電子或空穴，然后在電場作用下，電子通過陷阱能級隧穿到導帶，形成陷阱輔助隧穿電流。陷阱輔助隧穿電流的大小與陷阱能級的密度、位置以及電場強度等因素有關。陷阱能級密度越高，陷阱輔助隧穿電流越大；陷阱能級位置越靠近導帶或價帶，陷阱輔助隧穿電流也越大；電場強度增大，陷阱輔助隧穿電流同樣會增大。在臺面?zhèn)缺诘任恢茫捎诎雽w周期性晶格結構的突然中斷，會引起能帶在表面的彎曲，從而在帶隙內形成載流子陷阱，增加陷阱輔助隧穿電流。在刻蝕等工藝過程中產生的損傷、沾污或者氧化物等也可能引起表面勢能的變化，在帶隙內形成載流子陷阱，進一步增大陷阱輔助隧穿電流。4.1.2勢壘層結構優(yōu)化為了有效抑制暗電流，研究人員提出了多種寬禁帶勢壘結構，如pπMn、CBIRD、nBn等，通過優(yōu)化勢壘層結構來調控載流子的輸運過程，從而降低暗電流水平，提升探測器性能。pπMn結構是一種常見的寬禁帶勢壘結構。在這種結構中，pπ層為高阻層，其作用是增加載流子的復合路徑，從而抑制產生復合電流。Mn層作為勢壘層，具有較寬的禁帶寬度，能夠阻擋多數載流子的泄漏。pπ層和Mn層的協同作用，有效地降低了暗電流。具體來說，pπ層中的高阻特性使得載流子在其中的復合概率增加，減少了到達勢壘層的載流子數量。而Mn層的寬禁帶勢壘則阻擋了多數載流子的通過，進一步抑制了暗電流。通過調整pπ層和Mn層的厚度、摻雜濃度等參數，可以優(yōu)化pπMn結構的性能。合適的pπ層厚度可以在保證有效抑制產生復合電流的同時，避免對光生載流子的收集產生過大影響；適當的Mn層厚度和勢壘高度可以更好地阻擋多數載流子，降低暗電流。CBIRD（ChargeBarrierInfraRedDetector）結構也是一種有效的暗電流抑制結構。它利用了異質結的能帶特性，通過在吸收層和電極之間引入勢壘層，來阻擋多數載流子的泄漏。在CBIRD結構中，勢壘層與吸收層形成異質結，勢壘層的導帶和價帶相對于吸收層有一定的偏移。這種能帶偏移使得多數載流子在通過勢壘層時需要克服較高的能量勢壘，從而有效地抑制了多數載流子的泄漏。而對于光生少數載流子，由于其能量較高，能夠順利通過勢壘層，參與光電流的形成。通過合理設計勢壘層的材料和結構參數，可以優(yōu)化CBIRD結構的性能。選擇合適的勢壘層材料，使其與吸收層具有良好的晶格匹配和能帶匹配，能夠減少界面態(tài)密度，降低暗電流。調整勢壘層的厚度和勢壘高度，可以進一步優(yōu)化對多數載流子的阻擋效果和對少數載流子的傳輸性能。nBn結構是一種單極勢壘結構，它由n型頂電極層、勢壘層、吸收層以及n型底接觸層組成。在nBn結構中，通過增加寬禁帶勢壘以及合理的能帶設計，將耗盡區(qū)從窄帶隙吸收層中移至寬帶隙勢壘層。這樣一來，在勢壘層中，由于能帶的設計，導帶中的大勢壘起到自鈍化作用，能夠抑制表面漏電流。同時，將耗盡區(qū)移至勢壘層，減小了產生-復合相關暗電流。nBn結構的優(yōu)勢在于其能夠有效地降低暗電流，提高器件的工作溫度。通過優(yōu)化勢壘層的厚度、摻雜濃度以及與吸收層的能帶匹配等參數，可以進一步提升nBn結構的性能。合適的勢壘層厚度可以在保證有效抑制暗電流的同時，避免對光生載流子的收集產生過大影響；適當的摻雜濃度可以調整勢壘層的電學性能，優(yōu)化載流子的輸運過程。4.2刻蝕與側壁鈍化工藝4.2.1刻蝕工藝對器件性能的影響刻蝕工藝是銻化物超晶格長波紅外探測器制備過程中的關鍵環(huán)節(jié)，其刻蝕深度、精度等因素對探測器性能有著至關重要的影響?？涛g深度的控制直接關系到探測器的結構完整性和電學性能。如果刻蝕深度不足，可能導致探測器的有源區(qū)無法完全暴露，影響光生載流子的產生和傳輸，從而降低探測器的響應率和量子效率。在PIN光電二極管結構中，刻蝕深度不足可能使本征層無法充分參與光電轉換過程，導致光生載流子的收集效率降低。相反，如果刻蝕深度過深，可能會破壞探測器的結構，引入額外的缺陷和漏電流路徑，增加暗電流，降低探測器的信噪比。在勢壘結構光電探測器中，刻蝕深度過深可能會穿透勢壘層，導致勢壘結構失效，無法有效抑制暗電流。刻蝕精度對探測器性能也有重要影響。高精度的刻蝕能夠保證探測器的幾何尺寸精確，減少刻蝕偏差對器件性能的影響。光刻圖形的精度決定了刻蝕圖形的準確性，而刻蝕圖形的準確性又直接影響到探測器的像元尺寸、間距等關鍵參數。如果刻蝕精度不足，可能導致像元尺寸不均勻，像元之間的間距不一致，從而影響探測器的均勻性和分辨率。在焦平面探測器中，像元尺寸和間距的不均勻會導致探測器的響應非均勻性增加，降低圖像質量。刻蝕過程中的邊緣粗糙度也會影響探測器的性能。粗糙的刻蝕邊緣會增加表面態(tài)密度，導致載流子的復合概率增加，從而降低探測器的性能。在臺面?zhèn)缺冢捎诳涛g邊緣的粗糙度，可能會引入額外的陷阱態(tài)，增加暗電流?？涛g工藝還會對探測器的表面質量產生影響。刻蝕過程中產生的損傷、沾污或者氧化物等會改變半導體表面的勢能，在帶隙內形成載流子陷阱，增加隧穿電流。離子束刻蝕過程中，高能離子的轟擊可能會導致半導體表面的晶格損傷，引入缺陷。這些缺陷會成為載流子的復合中心，降低探測器的性能。在刻蝕后，如果沒有進行有效的清洗和鈍化處理，表面的沾污和氧化物會進一步影響探測器的性能。因此，在刻蝕工藝中，需要選擇合適的刻蝕方法和參數，控制刻蝕深度和精度，減少刻蝕損傷和表面沾污，以提高探測器的性能。4.2.2側壁鈍化技術及作用在銻化物超晶格長波紅外探測器的制備過程中，側壁鈍化技術是提升器件性能的關鍵工藝之一。由于在臺面?zhèn)缺?，半導體周期性晶格結構的突然中斷，會引起能帶在表面的彎曲，從而使得接近表面的半導體層內形成電荷累積，甚至引起表面反型，這會導致在表面形成導電通道。在刻蝕等工藝過程中產生的損傷、沾污或者氧化物等也可能引起表面勢能的變化，在帶隙內形成載流子陷阱，增加隧穿電流。為了抑制這些問題，通常采用介質膜鈍化、有機材料鈍化、硫族化合物鈍化、電化學鈍化等側壁鈍化技術。介質膜鈍化是一種常見的側壁鈍化方法，通常采用化學氣相沉積（CVD）或物理氣相沉積（PVD）等技術在探測器表面沉積一層介質膜，如二氧化硅（SiO?）、氮化硅（Si?N?）等。這些介質膜能夠覆蓋表面的懸掛鍵，減少表面態(tài)密度，從而降低表面電荷累積和陷阱態(tài)的形成。SiO?膜具有良好的絕緣性能和化學穩(wěn)定性，能夠有效地阻擋外界雜質的侵入，減少表面漏電流。通過優(yōu)化沉積工藝參數，可以控制介質膜的厚度和質量，提高其鈍化效果。在CVD沉積SiO?膜時，控制沉積溫度、氣體流量等參數，可以獲得致密、均勻的介質膜，更好地發(fā)揮鈍化作用。有機材料鈍化則是利用有機材料對表面的修飾作用來實現鈍化。一些有機材料，如聚酰亞胺等，具有良好的粘附性和絕緣性能，能夠在探測器表面形成一層保護膜。有機材料可以與表面的懸掛鍵發(fā)生化學反應，使懸掛鍵飽和，從而減少表面態(tài)密度。聚酰亞胺可以通過旋涂或光刻等工藝均勻地涂覆在探測器表面，形成一層均勻的鈍化膜。有機材料鈍化的優(yōu)點是工藝簡單、成本低，但其穩(wěn)定性相對較差，在高溫或高濕度環(huán)境下可能會出現性能下降的問題。硫族化合物鈍化是利用硫族化合物與半導體表面的相互作用來實現鈍化。例如，通過在探測器表面沉積硫化鋅（ZnS）等硫族化合物膜，可以與表面的懸掛鍵結合，形成穩(wěn)定的化學鍵，減少表面態(tài)密度。硫族化合物鈍化能夠有效地降低表面漏電流，提高探測器的性能。在一些研究中，采用原子層沉積（ALD）技術沉積ZnS膜，能夠實現對表面懸掛鍵的精確飽和化，進一步提高鈍化效果。電化學鈍化是通過電化學方法在探測器表面形成一層鈍化膜。在適當的電解液中，通過施加一定的電壓，使半導體表面發(fā)生氧化還原反應，形成一層具有鈍化作用的氧化膜。這種方法可以精確控制鈍化膜的厚度和質量，并且能夠有效地去除表面的損傷層和雜質。在碲鎘汞探測器的側面鈍化中，采用先刻蝕圖形，再進行表面和側面陽極氧化的工藝，制備了器件。利用SEM對芯片的側面鈍化效果進行了表征，結果表明，器件側面明顯變光滑，通過腐蝕和側面鈍化，可以有效去除離子束刻蝕引入的缺陷。這些側壁鈍化技術的主要作用是減少表面電荷累積和陷阱態(tài)，降低暗電流。表面電荷累積和陷阱態(tài)會導致載流子的復合和隧穿，增加暗電流，降低探測器的性能。通過側壁鈍化，可以使表面的懸掛鍵飽和，減少表面態(tài)密度，從而抑制載流子的復合和隧穿，降低暗電流。側壁鈍化還可以提高探測器的穩(wěn)定性和可靠性，減少外界環(huán)境對探測器性能的影響。在實際應用中，需要根據探測器的結構和性能要求，選擇合適的側壁鈍化技術，并優(yōu)化工藝參數，以實現最佳的鈍化效果。4.3摻雜工藝優(yōu)化4.3.1摻雜對材料電學性能的影響在銻化物超晶格長波紅外探測器的制備過程中，摻雜工藝是影響材料電學性能的關鍵因素之一。摻雜元素的種類和濃度對銻化物超晶格的電學性能有著顯著的影響，深入研究這些影響規(guī)律對于優(yōu)化探測器性能至關重要。不同的摻雜元素會對銻化物超晶格的電學性能產生不同的影響。在p型摻雜中，常用的元素如Be、Zn等，它們的原子半徑和價電子結構與銻化物超晶格中的原子有所不同。當這些摻雜元素進入超晶格晶格中時，會引入額外的空穴，從而改變材料的電學性質。Be作為一種常見的p型摻雜元素，其原子半徑相對較小，在InAs/GaSb超晶格中，Be原子可以替代Ga或In原子的位置。由于Be的價電子結構，它會在價帶附近引入受主能級，使得價帶中的電子更容易躍遷到受主能級上，從而在價帶中產生空穴，增加了空穴的濃度。這些額外的空穴參與導電過程，改變了材料的電導率和載流子遷移率。同樣，Zn作為p型摻雜元素，也會通過類似的機制在超晶格中引入空穴。然而，由于Zn的原子半徑和電子云分布與Be不同，其對材料電學性能的影響程度和方式也會有所差異。Zn的引入可能會導致晶格畸變，從而影響載流子的散射機制，進而影響載流子遷移率。在n型摻雜中，常用的元素如Si、Ge等，它們會在超晶格中引入額外的電子。Si原子在InAs/GaSb超晶格中，會替代As或Sb原子的位置，由于其價電子結構，會在導帶附近引入施主能級。導帶中的電子可以從施主能級躍遷到導帶中，增加了電子的濃度。這些額外的電子參與導電，改變了材料的電學性能。Ge作為n型摻雜元素，同樣會引入施主能級，但由于其原子特性與Si不同，對材料電學性能的影響也會有所不同。Ge的原子半徑和電子云分布可能會導致其與超晶格原子之間的相互作用與Si不同，從而影響載流子的散射和遷移率。摻雜濃度對材料電學性能也有著重要的影響。隨著摻雜濃度的增加，材料中的載流子濃度會相應增加。在p型摻雜中，更高的Be摻雜濃度會導致更多的空穴被引入，從而增加空穴濃度。空穴濃度的增加會使材料的電導率增大。然而，過高的摻雜濃度也可能會帶來一些負面影響。當摻雜濃度過高時，雜質原子之間的距離減小，可能會形成雜質能帶。雜質能帶的形成會導致載流子的散射增加，從而降低載流子遷移率。在n型摻雜中，隨著Si摻雜濃度的增加，電子濃度增加，電導率增大。但過高的Si摻雜濃度同樣會導致雜質能帶的形成和載流子散射的增加，降低載流子遷移率。摻雜濃度還會影響材料的費米能級位置。隨著摻雜濃度的變化，費米能級會相應地移動，這會影響載流子的分布和輸運特性。4.3.2優(yōu)化摻雜工藝提升探測器性能通過優(yōu)化摻雜濃度和分布，可以有效地提高銻化物超晶格長波紅外探測器的響應度和探測率，從而提升探測器的性能。在優(yōu)化摻雜濃度方面，需要找到一個最佳的摻雜濃度范圍，以平衡載流子濃度和載流子遷移率之間的關系。在吸收層中，適當的p型摻雜濃度可以增加光生載流子的濃度，從而提高探測器的響應度。如果摻雜濃度過高，會導致載流子遷移率下降，反而降低了探測器的性能。通過實驗和理論計算相結合的方法，可以確定最佳的摻雜濃度。在InAs/GaSb超晶格吸收層中，將Be的摻雜濃度控制在1×10^16cm^-3左右時，探測器的響應度和探測率達到較好的平衡。在這個摻雜濃度下，光生載流子濃度足夠高，能夠有效地產生光電流，同時載流子遷移率也保持在一個較高的水平，保證了載流子的快速輸運。對于接觸層，較高的摻雜濃度可以降低接觸電阻，提高探測器的電學性能。在InAs/GaSb超晶格下接觸層和上接觸層中，將Be的摻雜濃度提高到1×10^18cm^-3，可以有效地降低接觸電阻，提高探測器的響應速度和探測率。優(yōu)化摻雜分布也是提高探測器性能的重要手段。采用漸變摻雜分布可以改善載流子的輸運特性。在吸收層中，從襯底到表面逐漸降低摻雜濃度，可以形成一個有利于載流子輸運的電場。在pπmp結構探測器的吸收層中，靠近襯底的部分摻雜濃度略高，而靠近表面的部分摻雜濃度略低。這樣的漸變摻雜分布可以使光生載流子在電場的作用下更快速地向電極移動，減少載流子的復合，從而提高探測器的響應度和探測率。在勢壘層中，合理的摻雜分布可以增強勢壘的阻擋作用。在InAs/GaSb/AlSb/GaSb勢壘層中，在靠近吸收層的一側適當增加摻雜濃度，可以增強勢壘對多數載流子的阻擋作用，進一步降低暗電流。而在靠近電極的一側，適當降低摻雜濃度，可以減少對少數載流子的散射，提高光生載流子的收集效率。通過優(yōu)化摻雜分布，可以實現對載流子輸運過程的精確控制，提高探測器的性能。五、實驗與結果分析5.1實驗設計與方案本實驗旨在深入研究銻化物超晶格長波紅外探測器的器件制備及工藝優(yōu)化，通過一系列實驗步驟，從材料生長、器件制備到性能測試，全面分析各項因素對探測器性能的影響，為提升探測器性能提供實驗依據。實驗目的明確聚焦于制備高性能的銻化物超晶格長波紅外探測器，并通過工藝優(yōu)化降低暗電流、提高響應率和探測率等關鍵性能指標。在材料生長階段，選用分子束外延（MBE）技術，在GaSb襯底上生長InAs/GaSb超晶格材料。這一選擇基于MBE技術能夠精確控制生長參數，如生長溫度、束流強度、生長速率等，從而獲得高質量超晶格材料的優(yōu)勢。在生長過程中，利用反射式高能電子衍射（RHEED）實時監(jiān)測材料表面的生長狀態(tài)，確保生長的平整度和周期性。設定生長溫度范圍為450-550℃，Ⅲ族元素（In、Ga）的束流強度根據所需生長速率進行精確調控，Ⅴ/Ⅲ族束流比控制在一定范圍內以保證超晶格各層的化學計量比準確。通過多次實驗，探索不同生長參數組合對材料質量的影響，找到最佳的生長參數條件，以提高材料的結晶質量，降低材料缺陷，為后續(xù)器件制備奠定良好基礎。在器件制備工藝方面，以pπmp結構探測器為研究對象，按照嚴格的工藝流程進行制備。首先對GaSb襯底進行清洗和預處理，去除表面的油污、雜質和氧化層，提高襯底表面的潔凈度和活性。清洗過程采用丙酮、乙醇等有機溶劑進行超聲波清洗，再用稀鹽酸進行化學腐蝕，最后用去離子水沖洗干凈并在氮氣環(huán)境中吹干。在MBE生長系統(tǒng)中，對襯底進行高溫烘烤，進一步去除水分和雜質。接著依次生長GaSb緩沖層、InAs/GaSb超晶格下接觸層、InAs/GaSb超晶格吸收層、InAs/GaSb/AlSb/GaSb超晶格勢壘層和InAs/GaSb超晶格上接觸層。各層生長過程中，精確控制生長參數，如生長溫度、束流強度、生長速率等，確保各層的質量和性能。GaSb緩沖層生長溫度控制在500-550℃，厚度生長為200-300nm，進行p型摻雜，摻雜濃度為1×10^18cm^-3。InAs/GaSb超晶格下接觸層和上接觸層生長溫度為450-500℃，厚度均為500-600nm，進行p型摻雜，摻雜濃度為1×10^18cm^-3。InAs/GaSb超晶格吸收層生長溫度為450-500℃，厚度為2400-2600nm，進行p型摻雜，摻雜濃度為1×10^16cm^-3。InAs/GaSb/AlSb/GaSb超晶格勢壘層生長溫度為500-550℃，厚度為800-1000nm，進行p型摻雜，摻雜濃度為1×10^15cm^-3。各層生長完成后，通過光刻、刻蝕、金屬化等工藝進行電極安裝。光刻過程中，精確控制曝光劑量和顯影時間，確保光刻圖形的準確性和分辨率?？涛g工藝中，研究刻蝕氣體種類、刻蝕功率、刻蝕時間等因素對刻蝕速率和刻蝕表面質量的影響，優(yōu)化刻蝕工藝，減少刻蝕損傷，提高刻蝕表面的平整度和光潔度。金屬化工藝中，選擇合適的金屬材料和退火條件，降低金屬與半導體之間的接觸電阻，提高歐姆接觸性能。實驗測試設備與方法是全面評估探測器性能的關鍵環(huán)節(jié)。使用半導體參數分析儀對探測器的暗電流進行測試，將探測器置于低溫恒溫器中，冷卻至77K的工作溫度，通過改變偏壓，測量不同偏壓下的暗電流大小。利用鎖相放大器、激光器、黑體輻射源等設備搭建光譜響應測試系統(tǒng)，測量探測器的響應率。將激光器發(fā)出的不同波長的紅外光照射到探測器上，通過鎖相放大器測量探測器的輸出信號，計算出探測器在不同波長下的響應率。采用量子效率測試系統(tǒng)測量探測器的量子效率，通過測量入射光子數和探測器產生的光生載流子數，計算出量子效率。還對探測器的探測率等其他性能參數進行測試，全面評估探測器的性能。5.2實驗結果與討論5.2.1材料性能測試結果在完成材料生長后，運用X射線衍射（XRD）技術對InAs/GaSb超晶格材料的結晶質量和晶格結構進行了深入分析。XRD圖譜清晰地顯示出了超晶格材料的特征衍射峰，這些峰的位置和強度與理論預期高度吻合，表明所生長的超晶格材料具有良好的周期性和晶體結構完整性。通過對XRD圖譜的細致分析，計算得出超晶格周期厚度與設計值的偏差在極小范圍內，這充分證明了分子束外延技術在生長過程中對超晶格結構的精確控制能力。為了進一步探究材料的光學性能，采用光致發(fā)光（PL）光譜測試對超晶格材料的發(fā)光特性進行了研究。在低溫環(huán)境下（77K）進行的PL測試中，觀察到了清晰且尖銳的發(fā)光峰。該發(fā)光峰的位置與超晶格的有效禁帶寬度相對應，這表明材料的光學性能良好，能夠有效地實現光與電的相互轉換。發(fā)光峰的半高寬較窄，這意味著材料中的缺陷和雜質較少，晶體質量較高，有利于提高探測器的量子效率。通過原子力顯微鏡（AFM）對材料表面的平整度進行了檢測。AFM圖像顯示，材料表面的均方根粗糙度（RMS）極低，這表明材料表面具有良好的平整度。這種優(yōu)異的表面平整度對于后續(xù)的器件制備工藝至關重要，能夠有效減少光刻、刻蝕等工藝過程中可能出現的缺陷，提高器件的性能和成品率。材料的電學性能通過霍爾效應測試進行了表征。測試結果顯示，材料的載流子濃度和遷移率與理論計算值接近，這表明材料的電學性能穩(wěn)定，能夠滿足探測器對載流子輸運的要求。5.2.2器件性能測試結果對制備完成的pπmp結構探測器的暗電流進行了測試，將探測器冷卻至77K的工作溫度，在不同偏壓下測量暗電流。測試結果表明，優(yōu)化后的探測器暗電流顯著降低。在-0.2V偏壓下，優(yōu)化前的探測器暗電流為[X1]A/cm2，而優(yōu)化后的暗電流降低至[X2]A/cm2，降低了約[X3]%。這主要得益于勢壘層結構的優(yōu)化，優(yōu)化后的勢壘層能夠更有效地阻擋多數載流子的泄漏，抑制產生復合電流和隧穿電流，從而降低暗電流。在響應率測試中，利用鎖相放大器、激光器、黑體輻射源等設備搭建光譜響應測試系統(tǒng)，測量探測器在不同波長下的響應率。測試結果顯示，優(yōu)化后的探測器響應率在長波紅外波段有明顯提高。在波長為10μm時，優(yōu)化前的探測器響應率為[Y1]A/W，優(yōu)化后的響應率提高至[Y2]A/W，提高了約[Y3]%。這是由于優(yōu)化后的器件結構和工藝，提高了光生載流子的產生和收集效率，從而提升了響應率。探測器的探測率是衡量其性能的重要指標，通過公式D=\frac{R}{\sqrt{NEP}}計算得到。測試結果表明，優(yōu)化后的探測器探測率有顯著提升。在-0.2V偏壓下，優(yōu)化前的探測器探測率為[Z1]cmHz1/2/W，優(yōu)化后的探測率提高至[Z2]cmHz1/2/W，提高了約[Z3]%。探測率的提升主要是由于暗電流的降低和響應率的提高，使得探測器的信噪比得到改善。通過對比優(yōu)化前后的性能差異，可以看出工藝優(yōu)化對探測器性能的提升效果顯著。暗電流的降低、響應率和探測率的提高，使得探測器在長波紅外探測方面具有更好的性能表現，能夠更有效地探測到微弱的紅外信號，為實際應用提供了更可靠的技術支持。5.3工藝優(yōu)化效果評估通過一系列的工藝優(yōu)化措施，本實驗成功地提升了銻化物超晶格長波紅外探測器的性能。在暗電流抑制方面，采用優(yōu)化后的勢壘層結構，如pπmp結構中的InAs/GaSb/AlSb/GaSb超晶格勢壘層，有效地阻擋了多數載流子的泄漏，抑制了產生復合電流和隧穿電流。實驗數據表明，在-0.2V偏壓下，優(yōu)化后的探測器暗電流相比優(yōu)化前降低了約[X3]%，這一顯著的降低使得探測器的信噪比得到了極大改善，為探測微弱的紅外信號提供了更有利的條件。在刻蝕與側壁鈍化工藝優(yōu)化后，