引言
红外探测技术发展的趋势之一是降低系统的SWaP（size, weight, and power，体积、质量和功耗），而这一发展趋势的重点之一是获得高工作温度且高性能的红外光电探测器.然而随着探测器工作温度的提高，不仅与温度相关的暗电流将指数上升，少子寿命和扩散长度的降低还会降低探测器的量子效率.针对高工作温度的中红外探测器在国际上已开展大量研究，包括nBn结构的InAsSb探测
器[1,2,3,4] 异质结结构和集成微透镜的HgCdTe探测器[5,6,7] 等.但是nBn探测器需要外加偏置才能工作，而其余传统探测器依然是基于PN结，无法进一步突破结区暗电流对器件性能的制约.而带间级联探测器（interband cascade photodetectors ICIP）和量子级联探测器（quantum cascade detector QCD）等基于能带工程的新型红外探测器，为提高探测器高工作温度下的性能提供了新的方向[8] .锑化物II类超晶格材料利用InAs和GaSb错开型的能带排列结构，通过调节层厚可以调节禁带宽
度[9] ，探测波长可以覆盖3~30 μm[10] .利用超晶格特殊的能带排列可以设计各种不同结构的势垒型探测器来抑制探测器暗电流，如nBn, CBIRD等[11,12] .带间级联探测器就是一种基于锑化物超晶格，由“6.1 Å群”半导体材料构成的多吸收区结构光伏型探测器.带间级联探测器每一级吸收区都夹在电子弛豫区和带间隧穿区之间，形成级联结构如图1所示.吸收区为Ⅱ类超晶格材料，带间隧穿区由Ga（As）Sb/Al（As）Sb多量子阱隧穿结构构成，电子弛豫区由InAs /Al（As）Sb多量子阱弛豫结构构成.多量子阱弛豫区通过势垒和势阱厚度的调节，在导带中形成能量台阶，相邻台阶的能量差接近于InAs层中的声子能量时，光生载流子通过声子辅助隧穿效应进入低能级.Ga（As）Sb/Al（As）Sb超晶格的空穴微带位置与弛豫区最后一个InAs量子阱中的电子能带一致，从而使得光生载流子可以通过带间隧穿进入下一级的吸收区.带间级联探测器通过子带间弛豫实现光生载流子的输运，而不需要通过PN结结构，从而可以抑制由PN结引起的暗电流，多吸收区级联结构也可以解决量子效率因扩散长度降低而受限的问题，有望在高工作温度下可以实现探测器性能的提
高[13,14,15,16] .针对带间级联探测器，很多研究者做了大量的研究工作，基于文献报道，带间级联探测器已经覆盖了从短波到长波的不同波段[17,18,19,20,21,22,23] ，已实现单元器件最高工作温度可以达到420K[22] ，最高工作频率达到了1.3 GHz[24] ，但基于带间级联结构实现的高温工作焦平面的报道还很少见.本文针对高工作温度红外焦平面的应用需求，设计并制备了两级带间级联单元器件，并在此基础上研制了320×256规模带间级联中波红外焦平面，器件在127 K下噪声等效温差为55.1 mK，盲元率为2.3%.1 实验
本文设计的带间级联中波红外探测器基于InAs衬底.由于超晶格材料的截止波长主要取决于InAs层的厚度，因此，当采用InAs为衬底时，与传统的GaSb基不同，超晶格材料中的InAs层厚度可以自由调节而不会产生失配，更容易获得高质量低缺陷密度的器件结构材料，这在长波超晶格探测器中已有相关报
道[24] .该两级级联探测器的吸收区为中波超晶格（8 ML）InAs/（7 ML） GaAsSb，通过k.p理论的能带计算可知该结构对应的响应截止波长在液氮温度下约为3.8 μm.其中GaAsSb中的As组分可通过背景As压的改变来调节以使其与InAs衬底晶格匹配.该两级结构中第一级吸收区厚度为1微米，第二级吸收区厚度为1.25 μm.电子弛豫区结构为7级InAs/AlAsSb多量子阱，所设计的相邻台阶能量差为30 meV，接近于InAs层中的声子能量，利于光生载流子的输运.带间隧穿区为10周期的GaAsSb/AlAsSb超晶格，在器件结构中也起到电子势垒的作用.设计的探测器结构通过分子束外延设备（Compat21）生长，As源和Sb源分别由带阀的裂解炉提供A
s2 和Sb2 .实验采用（100）晶向InAs衬底，衬底表面的脱氧过程由在线的反射式高能电子衍射（RHEED）花样监控，材料外延生长的速率由 RHEED 强度振荡曲线获得，InAs层的生长速率为0.5 ML/s，GaAsSb层的生长速率为0.7 ML/s.In/As和Ga/Sb的束流比由在线的离子规测量得到，衬底温度由红外测温仪监控.材料生长的温度为450o C，高于GaSb基超晶格材料生长温度（一般为400o C），较高的生长温度更易获得低缺陷密度的高质量材料.生长的探测器结构材料首先采用高分辨X射线衍射仪测试（004）面的摇摆曲线.可以从图2曲线中看到清晰的三级卫星峰，一级卫星峰的全宽半高值（FWHM）为32.4″，说明材料有较高的晶格质量，通过卫星峰的峰间距可以计算获得该器件吸收区的周期厚度为4.3 nm，与设计值（4.5 nm）基本吻合.从摇摆曲线中也可以看到GaAsSb/AlAsSb超晶格的卫星峰，从零级峰位置可以计算获得GaAsSb中As的组分为0.085.生长完成之后，分别利用该材料制备了正入射的单元器件和背入射的焦平面器件.单元器件通过湿法腐蚀形成200 μm × 200 μm尺寸的台面，并通过Ti/Pt/Au在上下电极层形成欧姆接触，单元器件无表面钝化.单元器件通过变温杜瓦测试其光学及电学性能，单元器件的性能已在文献[23]中进行了详细的讨论，在这里作为和焦平面结果的对比和分析.焦平面器件通过ICP干法刻蚀形成320×256规模的台面面阵，像元中心距为30 μm，台面形成后利用ICPCVD生长300 nm Si
Nx 进行钝化保护，金属电极形成后，探测器通过铟柱倒焊互联在读出电路上，形成背入射的面阵焦平面器件.2 结果与分析
带间级联单元器件的变温响应光谱如图3所示，器件在323 K下依然可以测到清晰的响应光谱.100 K时，50%截止波长为3.95 µm，峰值响应率为1.24 A/W，随着温度从100 K升高到220 K时，器件的响应基本保持不变.从220 K升高到323 K过程中，探测器响应迅速减小，323 K时峰值探测率为0.47 A/W.因为随着温度的升高，吸收区中光生少数载流子的扩散长度迅速减小，当扩散长度小于吸收区厚度时，光生载流子不能完全被收集，导致响应度减少.由于该结构针对高工作温度下的红外焦平面，因此每级吸收区设计厚度超过1 µm，以保证探测器量子效率可以达到30%以上.从响应光谱可以看到，工作温度升高到220 K时探测器依然可以获得38%的量子效率，为高工作温度焦平面的研制提供响应保证.
图3 带间级联单元器件的变温响应光谱
Fig.3 Optical responses of the single-element interband cascade photodetectors at various temperatures
单元器件的变温暗电流-电压曲线如图4所示.80 K下，暗电流密度在-0.05 V时为1×1
0-9 A/cm-2 , 140 K下为4×10-5 A/cm-2 .80 K下暗电流随着反偏压的增大而迅速增大，因此暗电流主要由隧穿电流和表面漏电机制主导，随着温度的升高，暗电流几乎不受偏置影响，符合扩散电流机制的特征，表明探测器工作在扩散电流机制[23,26,27] .器件的优值因R0A值在80 K下为1.6×108 Ω·cm2 ，140 K下为4.1×103 Ω·cm2 ，表明探测器有良好的电学性能.器件的在室温下探测率为1.23×109 cm·Hz1/2 /W，已经接近于文献中报道的中波带间级联探测器单元器件的最好结果[15,16,18,21,22,27] ，但是在200 K以下的暗电流更低，并且由于采用了较厚的吸收区器件的量子效率较大，更适应于焦平面器件的应用.图4 带间级联单元器件变温暗电流曲线
Fig.4 Current–voltage curves of single-element interband cascade detectors at various temperatures
将制备的320×256带间级联焦平面器件背面减薄至200 µm，封装到变温杜瓦在红外焦平面测试系统中对其性能进行测试，器件光学系统f数为2.0.在测试过程中，通过变化积分时间来分析背入射焦平面的响应特性，分别在黑体温度20 K和35 K时.图5（a）给出在不同工作温度下，测试系统测得的焦平面平均响应电压之差（
图5 不同工作温度下（a）响应电压与积分时间关系，（b）计算得到的光电流和量子效率
Fig.5 （a） Response voltage of different integral times （b）Calculated photo-current and quantum efficiency at different operation temperatures
探测器
其中
利用焦平面测试系统详细测试了探测器从90 K到136 K工作温度下的各项性能指标，在90 K到120 K范围内，采用10 ms积分时间，主要性能指标几乎没有随着温度上升而明显降低，峰值探测率超过2×1
011 cm·Hz1/2 /W，噪声等效温差（NETD）约为30 mK，盲元率从90 K的1.35%上升到115 K的1.98%.127 K采用5 ms积分时间，由于积分时间缩短，NETD为55.1 mK，盲元率2.3%，在所测最高温度136 K下，采用1 ms积分时间，NETD明显升高到237 mK，盲元率也升高到4.57%，说明探测器在136 K下性能明显下降.图6给出了该带间级联中波焦平面器件在115 K、127 K和136 K下的红外热成像结果，积分时间分别为10 ms、5 ms和1 ms.115 K和127 K下可见清晰图像，而136 K由于暗电流限制，积分时间较短，清晰度较差.在该焦平面结构中，未完全去除的InAs衬底，除了对中波红外辐射有一定的自由载流子吸收以外，由于InAs衬底的带边吸收约在3.3 µm处，焦平面背入射结构导致响应光谱在短波小于3.3 µm时截止，导致整个光谱响应的带宽仅有1 µm范围.因此，即便该焦平面器件的量子效率可以达到30%以上，但整体光电流依然较小，还未能充分体现带间级联结构在高温焦平面探测中的优势.后续工作中将通过扩展探测器截止波长以及对衬底的完全去除，进一步提高带间级联红外焦平面在高工作温度下的探测性能.图6 带间级联中波红外焦平面变温成像演示，工作温度分别为 （a） 115 K,（b） 127 K,（c） 136 K
Fig.6 Infrared images of mid-wavelength ICIP FPA working at （a） 115 K,（b） 127 K,（c） 136 K
表1 带间级联中波焦平面器件变温性能指标对比
Table 1 Test results for mid-wavelength ICIP FPA at different operation temperatures
T/K Uniformity D*/（cm·H z1/2 /W）NETD
/mK
Bad pixel rate integral time/ms 90 8.0% 2.17×1 011 30.0 1.35% 10 100 7.5% 2.06×1 011 30.5 1.53% 10 115 8.0% 2.17×1 011 29.0 1.98% 10 127 7.3% 1.60×1 011 55.1 2.30% 5 136 9.0% 8.36×1 010 237.0 4.57% 1 3 结论
采用带间级联结构设计并生长了高晶格质量的2级中波红外探测材料，并在此基础上利用干法刻蚀技术实现了320×256规模台面型带间级联红外焦平面原型器件.焦平面结果表明其80-120 K范围内量子效率达到30%，且127 K下噪声等效温差为55.1 mK，盲元率为2.3%，并成功在127 K下实现了焦平面的实验室红外成像演示，为今后发展面向高工作温度应用的中波红外焦平面组件奠定了基础.后续工作需对带间级联结构和工艺进一步优化，进一步提高高工作下的探测性能.另外带间级联探测器仍然存在量子效率较低的问题，未来可以考虑利用人工微结构通过陷光结构等实现对光场调
控[28] ，从而改善带间级联探测器的响应性能，实现更高性能的带间级联中波红外探测器.Reference
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摘要
针对高工作温度红外探测器的迫切需求，设计并利用分子束外延技术制备了高晶格质量的2级带间级联中波红外探测材料，带间级联单元器件在最高323 K下可以测试到清晰的响应光谱，140 K下暗电流密度达到4×1
Abstract
Mid-wavelength infrared interband cascade photodetectors （ICIP） for high operation temperature applications were designed and grown in molecular beam epitaxy （MBE） system. Clear optical response was measured even at a temperature of 323 K, and the dark current density was 4×1
