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    多量子阱红外焦平面阵列研制进展

    2006-03-09 《现代防御技术》杂志社xdfyjs

    声明:本文为《现代防御技术》杂志社供《中国军工网》独家稿件。未经许可,请勿转载。

    作者简介:李辉(1964-),女,北京人,研究员,学士,主要从事精确制导技术情报研究工作。
    李辉,王子滨

    摘要:研制红外凝视成像导引头的一项关键技术,是要制造大面积的性能均匀的红外焦平面阵列。近年来,从能带工程的观点出发,使用以现代薄膜技术制造的多量子阱超晶格材料,采用微电子技术研制的多量子阱红外焦平面阵列的工作进展很快,备受人们关注。了解有关的发展背景、基本原理、先进技术和研制实例是十分有益的。
    关键词:量子阱;红外焦平面阵列;红外成像制导
    中图分类号:TN214文献标识码:A文章编号:1009086X(2006)01005605

    Development of multiquantum wells infrared focal plane array
    LI Hui1,Wang Zibin2
    (1The 208th Institute of the Second Research Academy of CASIC, Beijing 100854, China;
    2The 25th Institute of the Second Research Academy of CASIC, Beijing 100854, China)

    Abstract:A crucial technology for staring IIR seeker is to make IRFPA with large scale and uniform property. Of late years, based on bandgap engineering, developing of MQWIRFPA is rapid and is followed with interest. MQWIRFPA is made of MQW superlattice material by microelectronic technique. And the MQW superlattice material is made by modern thin film technology. It is profitable to know related background of the development, basic principles, advanced technologies and examples of the development.
    Key words:Quantum well; Infrared focal plane array (IRFPA);Infrared imaging guidance

    1引言
    20世纪80年代末,美国和西欧研制出红外凝视成像制导导弹,其典型代表有英国和美国联合研制的先进近程空对空导弹(ASRAAM)以及美国的响尾蛇AIM-9X空对空导弹等。到90年代以大气层外轻型射弹(LEAP)的研制为代表,美国的动能拦截弹技术的发展进入第2代。第2代动能拦截弹技术最重要的特点是实现了动能杀伤飞行器(KKV)关键设备小型化,以及在末制导中采用了红外凝视成像导引头。20世纪末,美国国防部开始发展更符合实战需要的第3代动能拦截弹技术,如战区高空区域防御(THAAD)系统等。这种新一代动能拦截弹技术的特点是要具有自主识别真假目标的能力,需要采用包括双色红外凝视成像在内的多波段复合制导和智能化技术。
    在红外凝视成像导引头中,对目标和背景成像是用红外探测器面阵充满物镜焦平面视场的方法来实现的,就是使红外探测器单元与系统观察范围内的目标和背景上的单元一一对应。也就是说,红外凝视成像导引头要使用大面积的特性均匀的红外焦平面阵列(IRFPA)。目前由硅化铂、锑化铟和碲镉汞等材料制造IRFPA的技术已经成熟,同时人们还在寻找各种新材料,研制特性更理想的IRFPA。其中以多量子阱红外焦平面阵列(MQWIRFPA)格外引人注目。
    2多量子阱(MQW)概念及其相关原理和技术21能带工程与MQW结构[1~3]
    晶体管发明几十年来,人们通过在半导体中掺入微量杂质的方法研制出各种类型的半导体器件和集成电路,其特性主要是由半导体内的电场分布和载流子分布决定的,也就是由杂质分布决定的,因此这种利用掺杂工艺制造器件的方法也称为杂质工程。在半导体中掺杂的方法有杂质扩散、杂质离子注入和掺杂外延生长等方法。但该方法是在自然晶体上利用掺杂形成各种器件,只能改变能带的形状,不能改变能带的结构。另外,从决定器件特性的泊松方程和连续性方程来看,仅仅依靠掺杂方法改变器件特性也是不方便的。所以,利用杂质工程来制造器件时,有很大的局限性。
    1970年,美国IBM公司的江崎和朱兆祥首次在GaAs半导体上做出了超晶格结构。此后,半导体超晶格的研制工作得到了迅速的发展,为半导体器件的研制开辟了一条崭新的道路。超晶格材料是用现代薄膜生长技术制成的一种新型材料,它是在自然界中从未存在过的一种全新的人工制造的晶体。超晶格是由2种不同成分的半导体材料以薄层的形式交替排列而成,每一薄层的厚度只有1~10 nm,薄层的数目可以达到几百甚至更多。超晶格实际上是由许许多多半导体异质结连接而成的,只是由于每一薄层厚度非常小,因而这些异质结不再是互相孤立的,从整体上就出现了一些单个异质结所不具备的新的特性。
    现代防御技术·探测跟踪技术李辉,王子滨:多量子阱红外焦平面阵列研制进展现代防御技术2006年第34卷第1期超晶格中人为的周期性结构使它的能带结构也出现相应的周期性,表现为禁带时窄时宽的周期性。于是,可以使用各种超晶格材料,利用它所具有的不同的能带结构,制造出符合特殊需要的各种新型超晶格器件。也可以说,半导体器件的研制工作从此由杂质工程进入能带工程这个更广阔的新天地。
    超晶格可以有多种形式的结构。如果窄禁带材料(它形成势阱)的宽度很小,可以和电子的德布罗意波长相比,而宽禁带材料(它形成势垒)的宽度较大,使两个相邻势阱中的电子波函数不能相互耦合,则这种超晶格称为多量子阱结构。目前,MQWIRFPA主要采用GaAs/Al GaAs超晶格材料。
    22现代薄膜生长技术[1~3]
    超晶格材料的薄层厚度基本上是原子间距的数量级,要实现这种具有微观尺度上的多层结构,并且相邻薄层之间不允许有不同成分之间的混杂,只有采用现代薄膜生长技术才能实现。现代薄膜生长技术主要有液相外延(LPE)、金属有机化学汽相淀积(MOCVD)和分子束外延(MBE)等技术。
    液相外延就是让单晶衬底在饱和溶液或过饱和溶液中生长一层取向和衬底一致的单晶薄层,在结构上它是原来单晶的延续,但材料组分可以不同。液相外延是一种比较简单可靠的生长方法,它的优点是容易控制和容易避免沾污,但在生长薄层时在技术上有一定难度。即使这样,用液相外延也做出了层厚为几十埃的GaAs/Al GaAs超晶格结构。以化学汽相淀积为基础发展起来的金属有机化学汽相淀积技术,用金属有机物三甲基镓和三甲基铝作为Ⅲ族元素Ga和Al的源,氢化砷作为Ⅴ族元素As的源,做出了层厚为几十埃的GaAs/Al GaAs超晶格结构。
    分子束外延是后来发展起来的一种最先进的外延生长技术,它是在超高真空系统中把源的原子束直接射向衬底,在衬底上凝结生长外延层。它的生长率很慢,生长温度很低,它可以在原子的尺度上控制外延层的厚度和掺杂。用分子束外延技术可以生长出厚度仅为1~2个原子层,均匀性很好的超晶格结构。由于外延层的化学成分和掺杂剂的浓度都可以方便地由源成分的配比加以控制,使用分子束外延能够制造出各种不同结构的超晶格材料。
    23MQW探测元特性[1~3]
    在用GaAs/Al GaAs超晶格材料做成的MQWIRFPA中,GaAs是量子阱,Al GaAs是势垒。在GaAs量子阱中形成分立的子能级。MQWIRFPA受到红外辐射的时候,量子阱中的电子从子能级受到激发并在电场作用下形成光电流的微观过程很复杂,这需要用量子力学来描述。但是,从宏观上来说,我们可以用输出信号电流和噪声电流来描述MQW探测元特性。通过简单推导可以得到:
    信号电流S=eφηG,
    噪声电流In=4eIG1-1〖〗2NWG,
    式中:e是电子电荷;φ是入射光子数;η是量子效率,是入射光波长的函数;G是光电导增益;I是通过探测元的直流电流,NW是探测元中量子阱数目。
    对于实际情况,信噪比S〖〗In≈η〖〗2eG〖〗I对于NW=40和G=0.25的典型情况,用此近似式计算信噪比带来的误差约为5%。I中包括光电流和漏电流。在工作温度比较低和比较大的情况下,光电流占优势,在这种情况下:S〖〗In≈η〖〗2 由此可见,这个时候量子效率η是唯一重要的参数。
    24红外入射耦合方式[1,2,4]
    从前面的分析可以知道,要想提高MQWIRFPA的信噪比,就要提高量子效率η,而η与红外入射光的方向有关。MQW红外探测器的一个重要特点,是它的光吸收强度正比于入射光子垂直于量子阱的电场分量。也就是说,垂直于量子阱入射的光子,由于它们的电场完全处于量子阱平面内,它们不会被吸收。虽然由于有二级效应发生,可能会出现弱吸收。一种解决办法是想方设法让红外入射光与量子阱成45°角,例如让红外光入射面与量子阱平面成45°角。由于入射面是一个抛光面,实验表明红外入射耦合不够均匀。另外一种解决办法是采用衍射栅。
    为了把垂直入射的光子的方向改变为有利于吸收的角度,可以在探测器另一端制造一个衍射栅。衍射栅有金属衍射栅和介质衍射栅两种。金属衍射栅的制造,是先在量子阱材料表面蒸发上一层金属薄膜,然后采用光刻技术刻蚀出衍射栅。介质栅的制造,是采用光刻技术在量子阱材料表面上直接刻蚀出衍射栅。衍射栅的结构有线性栅、二维栅、随机栅等各种形式。
    3MQWIRFPA研制实例
    美国陆军研究实验室的W.A.Beck等人[3]就曾经用GaAs/Al GaAs超晶格材料研制出较大阵列规模的256×256 MQWIRFPA和截止波长为149 μm的128×128 MQWIRFPA,表1和表2分别给出它们的一些重要参数。
    表1256×256 MQWIRFPA相关参数
    Table 1Properties of 256×256 MQWIRFPA
    参数名称〖〗参数值阵列规模〖〗256×256像元间距〖〗38 μm×38 μm像元尺寸〖〗28 μm×28 μm光学耦合〖〗随机栅峰值波长〖〗8.5 μm截止波长(50%)〖〗8.9 μm非均匀性〖〗0.05%量子效率〖〗6.9%探测率D*(70 K)〖〗2.3×1011 cm·Hz1/2·W-1噪声等效温差NEDT(70 K)〖〗40 mK
    表2128×128 MQWIRFPA相关参数
    Table 2Properties of 128×128 MQWIRFPA
    参数名称〖〗参数值阵列规模〖〗128×128像元间距〖〗50 μm×50 μm像元尺寸〖〗38 μm×38 μm光学耦合〖〗随机栅峰值波长〖〗14.2 μm截止波长(50%)〖〗14.9 μm非均匀性〖〗0.2%量子效率〖〗3%探测率D*(55 K)〖〗1.6×1010 cm·Hz1/2·W-1噪声等效温差NEDT(55 K)〖〗30 mK美国喷气推进实验室的S.D.Gunapala等人[5]用GaAs/Al GaAs超晶格材料能够做出工作波长从6 μm到25 μm的各种大阵列规模、特性均匀的MQWIRFPA。例如他们研制的10~16 μm宽带640×512 GaAs/Al GaAS MQWIRFPA,像元间距为25 μm,像元实际尺寸为23 μm×23 μm。探测器阵列是由33层GaAs和把它们隔开的Al GaAs层组成,每个Al GaAs层厚度为575。每个GaAs层中包括3个量子阱,每个量子阱的厚度不同,它们响应的峰值波长分别为13,14和15 μm。3个量子阱之间的Al GaAs势垒厚度为75。在所有的量子阱和阵列两端的接触层中都掺入Si,提供导电载流子。探测器阵列上面做有随机反射器,随机反射器上覆盖Au/Ge和Au,用作欧姆接触和反射面。探测器阵列采用的硅读出电路是640×512 CMOS多路转换器,它们之间通过铟柱连接起来,形成混合结构。
    图1,图2和图3分别给出经测试得到的这个10~16 μm宽带640×512 MQWIRFPA的响应率R与波长、探测率D*与温度和噪声等效温度NEDT与温度之间的曲线图。此外,测试得到它的量子效率为9.5%。
    俄罗斯科学院西伯利亚分院半导体物理研究所[6]用GaAs/  Al GaAs超晶格材料制造MQWIRFPA。像元间距为50 μm,像元实际尺寸为40 μm×40 μm。他们是采用50个周期的GaAs势阱和Al GaAs势垒结构,加上衍射栅。阵列两侧是1 μm厚的掺Si的GaAs导电接触,再加上用Ge/Au/Ni/Au做成的欧姆接触。探测器阵列采用的硅读出电

    注:响应峰值为13.5 μm,截止波长为15.4 μm。
    图1在温度为55 K时的响应率曲线
    Fig.1Responsivity spectrum at temperature 55 K
    图2在偏压为-2.5 V时的探测率曲线
    Fig.2Detectivity as a function of temperature
    at bias voltage -2.5 V

    图3在偏压为-2.5 V时的噪声等效温差曲线
    Fig.3Noise equivalent temperature difference as a function of temperature at bias voltage -2.5 V

    路是CMOS/CCD多路转换器,它们之间也是通过铟柱连接起来,形成混合结构。俄罗斯研制的这个128×128 MQWIRFPA的工作温度范围为45~65 K。在工作温度为54 K和65 K时,它的NEDT分别为0.021 K和0.06 K。
    4双色MQWIRFPA研制实例[3,7~9]
    在美国陆军研究实验室的领导下,美国BAE系统公司在研制双色MQWIRFPA方面居世界领先水平。该公司是在直径为762 cm(3英寸)的GaAs衬底上,用MBE技术制造320×240双色MQWIRFPA。实际结构包括2个MQW区域,由重掺杂欧姆接触层把它们分隔开。320×240长波(LW)MQWIRFPA在上层,320×240中波(MW)MQWIRFPA在下层。实际制作时,是在未掺杂的GaAs衬底上依次外延重掺杂Si的GaAs欧姆层作为MWMQWIRFPA的引出线;MWMQWIRFPA,重掺杂Si的GaAs欧姆层作为2个探测器阵列共用引出线;LWMQWIRFPA,重掺杂Si的GaAs欧姆层作为LWMQWIRFPA的引出线。LWMQWIRFPA区域是20个周期的GaAs/ AlGaAs多量子阱结构。MWMQWIRFPA区域是20个周期的In GaAs/Al GaAs多量子阱结构,其中In GaAs为势阱,Al GaAs为势垒。2个区域中的GaAs势阱和In GaAs势阱都掺Si。用作势垒的Al GaAs未掺杂,厚度为550~600。
    最后是把2个单色探测器与一个640×480 CMOS读出电路结合在一起构成混合结构。640×480 CMOS读出电路是由洛克希德·马丁公司研制的。按照设计,这个双色MQWIRFPA的MWIR响应峰值位于波长为4.7 μm处,LWIR响应峰值是位于波长为8.6μm处。
    图4给出测量得到的320×240双色MQWIRFPA的光谱响应曲线。从图中可见,MWIR响应峰值所处的波长位置比设计预计的波长值要大些。这使得MWIR响应有相当部分处于3~5 μm大气传输窗口之外。下一步,BAE系统公司将采用InP代替GaAs作为衬底,并采取其他有关措施,可以解决这个问题。
    双色MQWIRFPA的LWIR探测器的工作温度最好不超过65 K,MWIR探测器的工作温度最好不超过95 K。在工作温度低于65 K的情况下,2个波段探测器的NEDT值相近,在30和40 mK之间。工作温度只要不超过95 K,MWIR探测器的NEDT值仍然维持在这个范围之内。
    参考文献:
    [1]王子滨制造半导体器件的能带工程[J]系统工程与电子技术,1989,(11):15-19.图4双色MQWIRFPA的归一化响应率曲线
    Fig.4Normalized response spectrum for
    the dualband MQWIRFPA
    [2]王子滨,李辉国外多量子阱红外焦平面阵列研制情况[A]全国光电技术学术交流会论文集[C]昆明:《红外与激光工程》编辑部编辑出版,1990309-314.
    [3]Beck W ACurrent status of QWFPA[C] SPIE,Vol.2 744,1996,193-206.
    [4]Bandara S VTwo dimensional periodic grating light coupling in quantum well infrared photodetectors[C] SPIE, Vol. 3 061,1997,758-763.
    [5]Gunapale S D10~16μm broadband 640×512 QWIRFPA[C] SPIE, Vol. 4 369, 2001,516-523.
    [6]Ovsyuk V NIR photodetectors arrays based on HgCdTe films and GaAs/AlGaAs MQW[C]SPIE, Vol. 4 369, 2001,86-93.
    [7]Goldberg A CComparison of HgCdTe and dual band MQWIRFPA[C] SPIE, Vol. 4 369, 2001,532-546.
    [8]Cabanski W Third generation IRFPADM at AIM[C]SPIE,Vol. 4369,2001,547-558.
    [9]Goldberg A CComparison of HgCdTe and qnantum well infrared photodetector dualband focal plane arrays[J] Optical Engineering,2003,(1)2006年2月〖〗第34卷第1期现代防御技术〖〗MODERN DEFENCE TECHNOLOGYFeb. 2006〖〗Vol.34No.1




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