第５１卷 第５期 激光与红外Ｖｏｌ．５１，Ｎｏ．５ ２０２１年５月 ＬＡＳＥＲ ＆ ＩＮＦＲＡＲＥＤ
Ｍａｙ，２０２１
文章编号：１００１ ５０７８（２０２１）０５ ０５４８ ０６
·综述与评论·
二）尚林涛，王 静，邢伟荣，刘 铭，申 晨，周 朋，赵建忠
检修口盖板（华北光电技术研究所，北京１０００１５）
摘 要：简要归纳总结了Ⅱ类超晶格材料的生长、器件制备方法以及最近新型Ⅱ类超晶格材料体系的演化。Ⅱ类超晶格理论和工艺技术不断取得进步和完善并呈现出材料体系多样化和更高的性能。虽然目前及今后较长时间内ＨｇＣｄＴｅ技术仍然是市场主流，但是Ⅱ类超晶格技术在整体系统性能和成本上可以挑战ＨｇＣｄＴｅ，Ⅱ类超晶格技术将在红外应用领域全方位替代ＨｇＣｄＴｅ技术的优势已经越来越清晰。 关键词：Ⅱ类超晶格；Ｔｙｐｅ Ⅱ；
Ｔ２ＳＬ；ＳＬＳ；生长及制备中图分类号：ＴＮ２１３ 文献标识码：Ａ ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１ ５０７８．２０２１．０５．００２
Ｏｖｅｒｖｉｅｗｏｆｔｙｐｅ Ⅱｓｕｐｅｒｌａｔｔｉｃｅｉｎｆｒａｒｅｄｄｅｔｅｃｔｏｒｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（Ⅱ）
ＳＨＡＮＧＬｉｎ ｔａｏ，ＷＡＮＧＪｉｎｇ，ＸＩＮＧＷｅｉ ｒｏｎｇ，ＬＩＵＭｉｎｇ，ＳＨＥＮＣｈｅｎ，ＺＨＯＵＰｅｎｇ，ＺＨＡＯＪｉａｎ ｚｈｏｎｇ
（ＮｏｒｔｈＣｈｉｎａＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＥｌｅｃｔｒｏ Ｏｐｔｉｃｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００１５，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｇｒｏｗｔｈｏｆｔｙｐｅ Ⅱｓｕｐｅｒｌａｔｔｉｃｅｍａｔｅｒｉａｌｓ，ｔｈｅｄｅｖｉｃｅｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｓａｎｄｔｈｅｒｅｃｅｎｔｅｖｏｌｕｔｉｏｎｏｆｎｅｗｔｙｐｅ Ⅱｓｕｐｅｒｌａｔｔｉｃｅｍａｔｅｒｉａｌｓｓｙｓｔｅｍｓａｒｅｂｒｉｅｆｌｙｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ ｔｙｐｅ Ⅱｓｕｐｅｒｌａｔｔｉｃｅｓｔｈｅｏｒｙａｎｄｐｒｏｃｅｓｓｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｈａｖｅｂｅｅｎｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｌｙｉｍｐ
ｒｏｖｅｄ，ｐｒｅｓｅｎｔｉｎｇｄｉｖｅｒｓｉｆｉｅｄｍａｔｅｒｉａｌｓｙｓｔｅｍｓａｎｄｈｉｇｈｅｒｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ＡｌｔｈｏｕｇｈＨｇＣｄＴｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｓｓｔｉｌｌｔｈｅｍａｒｋｅｔｍａｉｎｓｔｒｅａｍａｔｐｒｅｓｅｎｔａｎｄｆｏｒａｌｏｎｇｔｉｍｅｔｏｃｏｍｅ，ｔｙｐｅ ⅡｓｕｐｅｒｌａｔｔｉｃｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｃａｎｃｈａｌｌｅｎｇｅＨｇＣｄＴｅｉｎｔｅｒｍｓｏｆｏｖｅｒａｌｌｓｙｓｔｅｍｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅａｎｄｃｏｓｔ Ｔｈｅａｄｖａｎｔａｇｅｓｏｆｔｙｐｅ ⅡｓｕｐｅｒｌａｔｔｉｃｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｎｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｌｙｒｅｐｌａｃｉｎｇＨｇＣｄＴｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｎｔｈｅｆｉｅｌｄｏｆｉｎｆｒａｒｅｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｈａｖｅｂｅｃｏｍｅｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｌｙｃｌｅａｒ Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｌａｓｓⅡｓｕｐｅｒｌａｔｔｉｃｅ；ｔｙｐｅ Ⅱ；
Ｔ２ＳＬ；ＳＬＳ；ｇｒｏｗｔｈａｎｄｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ作者简介：尚林涛（１９８５－），男，硕士，工程师，研究方向为红外探测器材料分子束外延技术研究。Ｅ ｍａｉｌ：ｐｅａｃｅｆｕｌｓｌｔ
＠１６３ ｃｏｍ
收稿日期：２０２０ ０６ ２６；修订日期：２０２０ ０８ ０５
１ 引 言
Ｓｂ基应力层超晶格（ＳＬＳ）尤其是Ⅱ类超晶格（Ｔ２ＳＬ）材料在探测器、激光器、调制器上具有广泛的应用，尤其在红外探测领域具有极大的潜力和优势，普遍认为可以替代目前主流的ＨｇＣｄＴｅ（ＭＣＴ）材料。相比Ｍ 辐照灭菌设备ＣＴ材料技术约６０年的漫长积累和发展，二类超晶格技术从２０世纪７０年代末提出至今约４０年仍在持续快速发展。
目前，世界主要的研究机构如德国、美国西北大学量子器件中心（ＣＱＤ）、喷气推进实验室（ＪＰＬ）、
ＮＲＬ、瑞典（ＩＲｎｏｖａ）、以列ＳＣＤ和日本等很多机构报道了Ｔ
２ＳＬ材料、器件和焦平面阵列（ＦＰＡ）的研究进展，国内也积极开展了全面的研究。本文简要归纳总结了Ｔ
２ＳＬ材料的生长、器件制备方法以及最近新型Ｔ２ＳＬ材料体系的演化。２ Ｔ２ＳＬ材料及器件
２ １ Ｔ２ＳＬ材料生长制备及表征
６ １?系Ｓｂ基Ｔ２ＳＬ材料一般采用ＭＢＥ进行生长（如图１）。ＭＢＥ具有精确的生长温度监控、自动化精准的快门开关控制、长时间稳定的束流
输出，依据材料固态表面动力学和热力学生长原理，可以在超高真空环境中实现层－层原子级精度的精确控制，并且原位在线掺杂，可生长出各种简单的或具有复杂突变异质界面结构的材料。由于Ｍ
ＢＥ生长技术相对复杂，用于批量生产的成本也相对较高，有人提出采用ＭＯＣＶＤ进行生长。ＭＯＣＶＤ易于维护，灵活的源和反应器配置，易于
实现批量生产［１－２］。美国西北大学ＣＱＤ已经展示
了ＭＯＣＶＤ生长的ＬＷＩＲＳｂ基Ｔ２ＳＬ材料和器
件［３］，Ｈｕａｎｇ［４］
等也采用复杂的ＩｎＡｓＳｂ＋ＩｎＧａＳｂ界
面成功用Ｍ
ＯＣＶＤ在ＧａＳｂ上生长了ＩｎＡｓ／ＧａＳｂＴ２ＳＬ，并通过简化应力在２ｉｎｃｈＩｎＡｓ衬底上获得了高性能Ｍ
ＷＩＲＩｎＡｓ／ＧａＳｂＴ２ＳＬ二极管。然而ＭＯＣＶＤ生长Ｓｂ基材料相对缓慢，原因是低的平衡气压以及缺乏稳定的Ｓｂ的氢化物，ＩｎＳｂ型界面
在高温生长中容易退化。
图１ ＭＢＥ设备及生长原理Ｆｉｇ １ＭＢＥｅｑｕｉｐｍｅｎｔａｎｄｇｒｏｗｔｈｐｒｉｎｃｉｐｌｅ
一般使用ＧａＳｂ衬底，也可以使用ＩｎＡｓ或ＧａＡｓ衬底以降低成本。通过ＲＨＥＥＤ观察ＧａＳｂ表面（２×５）→（２×３）的重构转变点来精确校正生长温度，光学显微镜、ＸＲＤ、ＡＦＭ、ＳＥＭ、ＴＥＭ、ＰＬ、Ｉ－Ｖ和Ｃ－Ｖ等对材料晶体质量和器件的光电性能进行表征。２ ２ Ｔ２ＳＬ器件制备
生长的超晶格材料然后经过光刻、刻蚀、钝化、电极等工艺加工成一定尺寸的单元二极管和ＦＰＡ（如图２）。电子光刻进行器件边墙和接触电极定义，使用干湿法工艺对器件进行刻蚀。完全去除刻蚀残留并沉积Ｔｉ／Ａｕ形成底部和顶部金属电极接触。ＩＣＰ干法刻蚀结合化学湿法刻蚀可获得良好的垂直光滑边墙结构以及较高的器件平台表面占
空比。
制备小像元大面阵Ｆ
ＰＡ需要开发高质量的钝化工艺以去除表面泄露电流的影响。工艺污染、天然氧化层（尤其是Ｉｎ２
Ｏ３）、干湿法工艺中形成的边墙表面粗糙和刻蚀残余物会造成台面器件表面泄露电流，并且随器件波长增大而更严重。源于周期性晶体结构在表面突然终止，形成残余未饱和悬挂键，在带隙中形成陷阱能级，增加陷阱辅助隧穿暗电流。需去除天然氧化层并沉积绝缘材料以终止悬挂键并
保护表面［
５］
。高质量、低界面缺陷密度的介电钝化层通过固定电荷修正材料表面Ｆｅｒｍｉ级以降低表面泄露电流进而改进器件性能。钝化前需要仔细清除表面刻蚀残余物。常用的表面钝化方法有硫基、
ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４和Ｙ２Ｏ３
［６］
介电钝化、外延重生长Ａｌ ９
４５激光与红外 Ｎｏ．５ ２０２１ 尚林涛等 Ⅱ类超晶格红外探测器技术概述（二）
ＧａＡｓＳｂ、原子层沉积（ＡＬＥ）Ａｌ２Ｏ３［７］
等多钝化方法，也有通过在台面边墙施加栅偏压［８］或采用梯度掺
杂缓冲层结合浅刻蚀台面工艺［９］
来降低表面泄露
电流。
图２ ＳＬ材料器件工艺流程Ｆｉｇ ２ＳＬｍａｔｅｒｉａｌｄｅｖｉｃｅｐｒｏｃｅｓｓｆｌｏｗ
器件进行倒装互连和底部填胶以增强器件机械
稳定性，衬底背部研磨减薄到３０～４０μｍ［１０］后再进行
热轧卷
抛光。即使具有低吸收系数的Ｎ型ＧａＳｂ衬底在７７Ｋ下也会吸收约５０％的红外光，导致ＱＥ下降，因此需要去衬底，并且解决了与ＲＯＩＣ间热膨胀差问题，由于ＩｎＡｓＳｂ刻蚀阻挡层也会吸收１ ８μｍ以下红外光，ＣＱＤ提出了晶格匹配于ＧａＳｂ衬底的ＡｌＡｓＳｂ／
ＧａＳｂ
超晶格刻蚀阻挡层［１］
来去除ＩｎＡｓＳｂ层。３ 新型超晶格材料体系
３ １ 无Ｇａ的ＩｎＡｓ／ＩｎＡｓＳｂＴ２ＳＬ
尽管没有ＩｎＡｓ／Ｇａ（Ｉｎ）ＳｂＳＬ研究的多，ＩｎＡｓ／ＩｎＡｓＳｂ／ＩｎＳｂＳＬ的研
究具有较长的历史并先于Ｉ ｎＡｓ／Ｇａ（Ｉｎ）ＳｂＳＬＳ探测器。１９８２年Ｏｓｂｏｕｒｎ发表了晶格失配应力层Ｓ
Ｌ（ＳＬＳ）材料的开创工作并提出使用ＩｎＡｓＳｂＳＬＳ用于ＬＷＩＲ探测。受其影响，１９８７年Ｓｍｉｔｈ和Ｍａｉｌｈｉｏｔ提出应力Ⅱ类ＩｎＡｓ／ＧａＩｎＳｂ超晶格红外探测。２０００年以后的十年里，ＩｎＡｓ／ＧａＳｂＳＬ发展很快，但ＩｎＡｓＳｂＳＬＳ的发展处于停滞状态。２００９年，ＳｉｍｏｎＦｒａｓｅｒ发表了ＩｎＡｓ／ＩｎＡｓＳｂＳＬＳ的生长和光学表征，重新出现ＧａＳｂ基ＩｎＡｓＳｂ的研究热潮。
最初的ｎＢｎ器件基于ＩｎＡｓ基体ＩｎＡｓ吸收层或
ＧａＳｂ基体ＩｎＡｓ０ ９１Ｓｂ０ ０９
吸收层材料，截止波长分别为～３ ２μｍ和～４μｍ［１１］
，虽然工作温度比ＩｎＳｂ
高，但光谱响应不能完全覆盖３～５ ５μｍ的ＭＷＩＲ大气窗口。也有基于ＩｎＡｓ／ＧａＳｂⅡ类超晶格吸收层
的ｎＢｎ探测器［１２］
。截止波长大于５μｍ可以使用Ｉ
ｎＡｓ／ＧａＳｂＴ２ＳＬ实现，也可以使用单极性势垒器件结构，这激发了开发５μｍ以上ｎＢｎ结构的探测器。由于没有使用Ｇａ，简化了材料生长。刚开始仅使用ＩｎＡｓＳｂ，然后使用ＩｎＡｓ、ＩｎＡｓＳｂ和ＩｎＳｂ的组合。在２００８～２０１０年间，检测了很多基于ＩｎＡｓ、ＩｎＡｓＳｂ和ＩｎＳｂ组合的吸收层，包括体ＩｎＡｓＳｂ、嵌于ＩｎＡｓＳｂ矩阵中的ＩｎＳｂ量子点层、ＩｎＳｂ／ＩｎＡｓＳｂ超晶格、ＩｎＳｂ／Ｉ ｎＡｓ超晶格，最后在２０１０年成功地选用了ＩｎＡｓ／Ｉｎ ＡｓＳｂ超晶格（图３）。
近些年ＩｎＡｓ／ＩｎＡｓＳｂＳＬＳ探测器和ＦＰＡ也有大量的研究工作，ＪＰＬ在这一领域很活跃。２０１２年美国亚利桑那州立大学发表了基于ｎＢｎ器件设计１３ ２μｍ的ＩｎＡｓ／ＩｎＡｓＳｂＳＬＳＬＷＩＲ光电探测器的
结果［１３］。西北大学进一步推动了ＩｎＡｓ／ＩｎＡｓＳｂＳＬＳ
的多样性，报道了ＬＷＩＲ，ＶＬＷＩＲ，偏压可选择的双带ＭＷ／ＬＷ以及Ｓｉ基ＭＷＩＲ。美国芝加哥伊利诺
斯州大学的Ｃｉａｎｉ［１４］
研究了ＩｎＡｓ１－ｘＳｂｘ基Ｔ
２ＳＬ的０
５５激光与红外 第５１卷
分子动力学生长模型；波兰Ｖｉｇｏ军事科技大学展示
了９ ８μｍ（２１０Ｋ）ＧａＡｓ基ＨＯＴＬＷＩＲ二极管［１５］，Ｄ ＝２ ０×１０１０Ｊｏｎｅｓ；英国的兰卡斯特展示了Ｓｉ基ＭＷＩＲ探测器，法国Ｍｏｎｔｐｅｌｌｉｅｒ和Ｇｒｅｎｏｂｌｅ团队［封胶机
１６］研究制备了ＸＢｎ结构ＭＷＩＲ二极管和Ｓｉ基ＭＷＩＲ势垒结构的ＭＢＥ生长，ＱＥ达８０％，工作温度１３５～１４０Ｋ
分子筛膜，光电性能可比于ＩｎＳｂ同时实现更高的工作温度。Ｔｅｌｅｄｙｎｅ的Ｋｉｍ［１７］
也报道了带有电子势垒
的ＨＯＴＭＷＩＲ单元器件，室温和ＴＥＣ制冷温度下性能靠近传统的Ｍ
ＣＴ。国内也有报道生长于ＧａＳｂ基的ＭＷＩＲ探测器［１８］。最近报道的ＭＷＩＲ和ＬＷＩＲ
ＩｎＡｓ／ＩｎＡｓＳｂＴ２ＳＬＳ用ＭＢＥ或ＭＯＣＶＤ进行生长，使用的衬底有ＧａＳｂ，包括（２１１）Ａ和Ｂ以及（３１１）Ａ
和Ｂ、ＧａＡｓ、Ｓｉ、Ｇｅ Ｓｉ等［１９］
。
图３ ＩｎＡｓ／ＩｎＡｓＳｂＳＬ发展衍变图
Ｆｉｇ ３ＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｎｄｅｖｏｌｕｔｉｏｎｏｆＩｎＡｓ／ＩｎＡｓＳｂＳＬ
通过控制ＩｎＡｓ和ＩｎＡｓＳｂ层厚度的比例来获得应力平衡，ＩｎＡｓＳｂ层具有相对高的Ｓｂ分量，比ＩｎＡｓ层更具压应力；由于ＩｎＡｓ和ＩｎＡｓＳｂＴ２ＳＬ之间相对小的导带偏差，截止波长调节范围有限（ＭＷＩＲ－ＶＬＷＩＲ）（４～１４μｍ），尤其在ＬＷＩＲ和ＶＬＷＩＲ具有更弱的光学吸收和有挑战性的垂直空穴输运。而传统的ＩｎＡｓ／ＧａＳｂＴ２ＳＬ相对晶格匹配于ＧａＳｂ衬底，应力平衡通过精细调节界面获得；独立的调节导带和价带边具有更宽的截止波长范围（ＳＷＩＲ～ＶＬ ＷＩＲ）；在ＬＷＩＲ范围相同截止波长下具有更短的周期，更好振荡长度和吸收长度，沿生长方向空穴的有效质量更小，具有光学和空穴输运属性优势。
相比ＩｎＡｓ／ＧａＳｂＴ２ＳＬ其优点包括更容易生长
（两快门ｖｓ四快门），更好的缺陷容忍性及强健的材料，发展较快。更长的少子寿命（ＳＲＨ寿命约为～１０μ
ｓ，而ＭＷＩＲＩｎＡｓ／ＧａＳｂ的少子寿命为８０ｎｓ），而且受益于ｎＢｎ结构，耗尽暗电流
降低，具有更高的工作温度。ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ和ＩｎＡｓ／ＩｎＡｓＳｂ均展示了良好的探测器和ＦＰＡ。两者的选择依赖于截止波长、生长和加工能力，相比ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ，ＩｎＡｓ／ＩｎＡｓＳｂ
Ｔ２ＳＬＳ
属性整体比较适合ＭＷＩＲ［１９－２１］
。３ ２ 含Ｇａ的ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｓＳｂＴ２ＳＬ
ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ量子阱Ⅱ类带交错排列，电子和空穴空间分隔，具有低的暗电流和俄歇复合抑制优势，可使用６ｉｎｃｈＩｎＰ衬底，具有良好的均匀性并适合批量生产。相比Ｉ
ｎＡｓ／ＩｎＡｓＳｂＳＬＳ，ＩｎＧａＡｓ／Ｉｎ １
５５激光与红外 Ｎｏ．５ ２０２１ 尚林涛等 Ⅱ类超晶格红外探测器技术概述（二）
ＡｓＳｂ三元超晶格具有三个主要优势：①引入Ｇａ到ＩｎＡｓ中具有更大的应力补偿支持，可以设计更薄的ＳＬＳ；相同扩散长度下，同样ＱＥ为８７％的５μｍ厚０％ＧａＳＬ吸收层对２０％Ｇａ的ＳＬ仅需３ ４μｍ，可以显著降低Ｍ
ＢＥ生长时间。②增加的电子－空穴波函数重叠具有增强的吸收系数。③空穴有效质量降低改进了空穴垂直迁移率。而且使用具有生长优势的ｎ
Ｂｎ结构可以达到非常低的暗电流。美国空军实验室研究了Ｉ
ｎＧａＡｓ／ＩｎＡｓＳｂＳＬＳｓ的ＭＷＩＲ探测器和ＦＰＡｓ的生长和表征，使用２０％的Ｇａ制备了３２０×２５６＠３０μｍＩｎ０ ８Ｇａ０ ２Ａｓ／ＩｎＡｓ０ ６５Ｓｂ０ ３５ＳＬＳＦＰＡ（图４（ａ））。最佳工作温度为１２０Ｋ，ＮＥＤＴ＜２０ｍＫ，具有更长的积分时间，８０Ｋ可操作性９
６％，指示了ＨＯＴＭＷＩＲ工作的前景［２２］
。日本
制备了２
３５μｍ的ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂⅡ类ＰＩＮ型光电二极管（图４（ｂ）），使用环氧树脂对ＦＰＡ的弥散光进行抑制，制备了３２０×２５６＠３０μｍＴ２ＳＬ
ＦＰＡ
［２３－２４］
，通过了１００００次热循环可靠性测试，证实了Ｉ
ｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂＴ２ＳＬＦＰＡ具有商业应用前景。拓展波长到２ ５μｍ，获得２５０Ｋ下暗电流７ ４×
１０
－６Ａ／ｃｍ２
，好于２１０Ｋ以上的ＭＣＴ，ＦＰＡ可操作性９９ ９％，响应均匀性可比于ＩｎＧａＡｓ，在ＳＷＩＲ上可以替代Ｍ
ＣＴ
。图４ ３２０×２５６＠３０μｍＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂＴ２ＳＬＦＰＡＦｉｇ ４３２０×２５６＠３０μｍＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂＴ２ＳＬＦＰＡ
此外，由于Ｔ２ＳＬｓ材料灵活的能带和材料结构设计，还会出现ＩｎＡｓ／ＧａＡｓＳｂ或其他Ｓｂ基二元／二元、二元／三元或三元／三元化合物组合的超晶格材料及伴随的器件，具体的选择应当结合器件的性能根据实际需求及工艺实现的难易程度综合选择。４ 结 论
本文简要归纳总结了红外探测Ⅱ类超晶格材料的生长和器件制备方法；
Ｔ２ＳＬ理论和工艺技术正在不断取得进步和完善并呈现出材料体系多样化和更高的性能。虽然目前及今后较长时间ＭＣＴＦＰＡ技
术仍将是市场的主流，但是Ｔ２ＳＬ技术在整体系统性能和成本上可以挑战ＭＣＴ，Ｔ２ＳＬ技术将在红外应用领域全方位替代ＭＣＴ技术的优势已经越来越清晰。参考文献：
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ａｇｅｃｕｒｒｅｎｔｒｅｄｕｃｔｉｏｎｉｎｌｏｎｇｗａｖｅｌｅｎｇｔｈｉｎｆｒａｒｅｄｔｙｐｅ ⅡＩｎＡｓ／ＧａＳｂｓｕｐｅｒｌａｔｔｉｃｅｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅｓ［Ｊ］．ＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓ
铝合金去毛刺机
２
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