1 重大需求分析

III-V族化合物半導體是目前最為重要的半導體光電子材料體系，其光波段覆蓋了紫外（AlGaN）、可見光（GaN基）、近紅外（GaAs基和InP基）到中遠紅外（GaSb基）。其中，銻化物光電子器件工作波段可覆蓋2 - 30μm的中遠紅外區域，是高分辨、高探測率、主被動結合的第三代紅外技術重要發展方向。該材料體系中的InAs/GaSb納米結構材料具有特殊Ⅱ型能帶結構，改變InAs和GaSb子層厚度就可在中紅外波段內進行拓展和調節，并能對俄歇復合、隧穿電流起到抑制的作用。其整體的吸收效率也并不遜于HgCdTe探測器，而成本、尺寸及均勻性上又可與量子阱紅外探測器相媲美。因此InAs/GaSb納米異質結構材料被認為是制造第三代紅外焦平面（FPA）芯片和雪崩二極管（APD）的最佳選擇之一。同樣對于發光器件，InGaAsSb/AIGa（In）AsSb納米結構材料的能帶寬度可以在2 - 4μm內自由調節，更優可通過調節In和Al的組分配比來更自由調節壘與阱兩種材料之間的價帶帶隙差的五元勢壘，提供了盡可能高的空穴限制從而極大的抑制熱載流子泄露，提高光電轉換效率，因而是實現2 - 4μm波段大功率室溫連續激射的最佳半導體材料。由此可見，Sb化物納米結構材料在研制中紅外半導體器件上具有得天獨厚的優勢，并有著迫切的應用需求。

2 國際重大進展

銻化物納米結構光電器件的研究主要包含以下幾個方向：（1）CaSb單晶與外延襯底材料；（2）超晶格材料與中長波紅外探測器件；（3）量子阱材料與紅外激光器件。

2.1 GaSb單晶與外延襯底材料

銻化物材料與器件取得發展的重要基礎之一，就是GaSb單晶及襯底制備技術的出現及不斷完善。20世紀70年代，雖然理論上預言了銻化物是制造高性能紅外光電器件與低功耗高速電子器件的理想材料，但當時還無法制備出外延用高質量GaSb襯底，外延技術也不成熟。因此，在之后的幾十年的時間中，銻化物的發展并未取得實質進展。進入21世紀后，英國Wafer Technology（WT）公司采直拉法（CzoChralski法）生產的直徑2 - 4 inGaSb襯底，其表面位錯密度（EPD）小于1000 cm2，滿足了外延生長和高性能器件制備的嚴格要求。目前，大部分已知高性能銻化物光電器件都采用了該公司的襯底。隨著銻化物器件性能的不斷提升，其應用前景日趨明朗，應用領域高度敏感。2009年開始，該公司產品實施包括中國在內的出口禁運。近年來，中國科學院半導體研究所自主開發了GaSb單晶和襯底材料制備技術，目前能夠小批量生產GaSb襯底，其質量與WT公司接近。這為國內單位組織銻化物相關研究和發展提供了重要保障。

2.2 超晶格材料與中長波紅外探測器件

高性能紅外探測器的研究長期以來是國際前沿和熱點。20世紀90年代提出的第三代紅外探測技術主要具備3個特征：（1）高工作溫度、高探測率、高量子效率；（2）多光譜、高分辨率、大面陣；（3）低成本、低制備難度。與當前最主流的碲鎘汞（MCT）紅外材料相比，銻化物InAs/GaSb超晶格（SL）以其獨特的能帶特性和材料制備技術成為目前開發第三代紅外探測器的最優選材料之一。理論證明，Sb化物的SL能帶帶隙可以調節覆蓋2.0- 30μm的紅外波段，其量子效率與MCT相當，暗電流低于MCT。2000年開始，多個著名實驗室，包括德國弗朗霍夫協會應用固體物理研究所（Fraunhofer-lnstitut für Angewandte Festk?rperphysik，IAF）、AIM公司（Infrarot-ModuleGmbH）、美國西北大學（Northwestern University）量子器件中心（Center for Quantum Devices，CQD）、新墨西哥大學（University of New Mexico）高技術材料研究中心（Center for High TechnologyMaterials，CHTM），以及美國空軍實驗室（AirForce Research Laboratory，ARL）、海軍實驗室（Naval Research Laboratory，NRL）、噴氣推進實驗室（Jet Propulsion Laboratory，JPL）、國家反導彈機構（National Missile Defence System）、波音國防和太空研究中心（Boeing Defense，Space ＆ Security Communications）、陸軍作戰實驗室、馬里蘭大學（Universityof Maryland）等，先后掌握了先進的銻化物SL材料能帶理論、SL材料外延和器件設計技術，開發了適于銻化物的材料器件先進工藝技術，實現了分子束外延對摻雜、超晶格界面、少子壽命、外延缺陷密度的精確控制，探測器綜合性能在短短10多年的時間里得到迅速提高，在以下幾個方面都達到或超越了MCT探測器（其發展歷程為60多年）。

（1）面陣規模。至2012年，中長波雙色探測器最大陣列規模為640 × 512，單色SL探測器陣列達到1024 × 1024。

（2）探測效率。至2012年，3 - 16μm SL探測器D*已經非常接近MCT探測器液氮溫度（78K）的理論值。銻化物SL中紅外探測器D*達到1 × 1013cmHzW（探測率），量子效率為85%，長波及甚長波銻化物SL探測率的均勻性明顯優于MCT。

（3）工作溫度。中波段超晶格探測器工作溫度處于77 - 185開爾文區間，長波、甚長波SL探測器工作的溫度性能優于MCT探測器。

（3）暗電流。2012年的數據表明，3 - 16μm銻化物SL探測器ROASL與MCT探測器阻抗值RoAMCT已經非常接近，在長波范圍超晶格探測器的阻抗性能或暗電流水平與MCT探測器相比有一定優勢，如圖1所示。

圖1 目前II類超晶格的器件阻抗已經達到與MCT相當的水平

最近幾年，銻化物SL紅外探測器正在走向應用。2006年，德國Fraunhofer研究所首先制造出288 × 384雙波段中紅外FPA原型器件后，迅速與AIM公司合作開發出實用雙色紅外FPA成像系統。2009年，美國國防部先進研究項目局（Defense Aclvanced ResearchProjects Agency，DARPA）設立專項FASTFPA計劃，集中了美國西北大學、新墨西哥大學、海軍實驗室、噴氣推進實驗室，英國IQE公司、雷神公司、FLIR系統公司、BAE系統公司等英、美紅外器件和系統制造先進機構，部署了InAs/GaSb SL焦平面器件與系統應用的研究計劃。2013年，瑞典IRnova公司則全面推出自己在高工作溫度的中波段紅外探測器產品。2013年初，Teledyne Imaging Sensor公司也開始涉足銻化物紅外探測器技術領域，并于今年推出了性能與同型碲鎘汞探測器指標一致甚至部分超越的超晶格紅外探測器產品，如圖2所示。

圖2 Teledyne Imaging Sensor公司640x 512超晶格中波段高工作溫度紅外焦平面探測器組件，陣列規模：640 × 512、響應波段：0.4 - 5.0μm、NETD<20mk（f/3.5），具備重量輕、體積小可靠性高等技術特點

2.3 量子阱材料與紅外激光器件

銻化物I型量子阱（QW）和帶間級聯ICL量子阱結構是實現1.85- 4μm波段電泵浦在室溫中連續工作的高效率半導體激光器的核心材料體系。銻化物I型QW工作波段2 - 3μm，ICL工作波段2 - 4μm。美國NRL、JPL、紐約州立大學石溪分校，德國Franhofer IAF研究所、慕尼黑工業大學、DILAS公司、Nanoplus公司等近幾年先后開發出了高性能Sb化物激光器。例如，德國DILAS公司產品有1.85 - 3.0μm波段的單管激光器、Bar條激光器，其中1.94μm單管QW激光器的室溫連續功率2W，脈沖功率9W，電光轉換效率（Wall-plug efficiency）為19%，工作電流10A時效率為13.5%，壽命達7000h；2.9μm單管QW激光器功率為360mW（10℃）；10Bar條集成1.9μm QW激光器20℃下連續輸出功率140W。美國NRL2013年制備成功ICL結構3.7μm激光器在20℃下輸出功率達到470mW。德國Nanoplus公司采用側面金屬光柵，使單模分布反饋式（DFB）激光器在0. 76 - 6.0μm波段任意中心波長里實現了小于3MHz的超窄線寬和高邊模抑制比（SMSR）。2011年，美國國家航空航天局（NASA）發射了“好奇號”火星探測器；探測器上搭載了Nanoplus公司的Sb化物QWDFB激光器和JPL的ICL DFB激光器，用于火星表面氣體成分分析（見圖3）。2012年“好奇號”到達火星后，科學家成功分析出火星表面H20（特征吸收峰2.783μm），CO2（特征吸收峰2.785μm）和CH4（特征吸收峰3.3μm）3種氣體濃度，檢測靈敏度達到了2ppm（H2O，CO2）和2ppb（CH4）。從國際總的趨勢來看，現在銻化物納米結構激光器激射波長拓展和激射功率提高是未來發展的重點。

圖3 美國“好奇號”火星漫游車及搭載的氣體樣品分析系統示意圖

3 國內研發現狀

銻化物材料包含的各種元素（如Ga、In、Sb等）已經成為歐盟等發達國家認定的具有戰略意義的資源，這些元素的礦藏儲量和產量一半以上來自中國。中國科學院半導體研究所目前能夠提供GaSb單晶材料和最大直徑為7.5cm的GaSb襯底，其物理性質基本達到國外先進水平。

銻化物SL紅外探測器的研究起步較晚。中國科學院半導體所和上海技術物理研究所近年來相繼在GaSb基InAs/GaSb超晶格焦平面器件的研究中取得階段性成果，2010年和2011年先后實現了5μm和9μm波段探測器。2013年，中國科學院上海技術物理研究所首先制備成功128 × 128像元單色紅外焦平面探測器。隨后中國科學院半導體研究所與中國空空導彈研究院合作也獲得同樣的結果，并進一步研制雙色紅外焦平面。華北光電技術研究所、昆明物理研究所、哈爾濱工業大學等也開展了相關研究。

銻化物激光器的研究單位主要包括中國科學院上海微系統與信息技術研究所、中國科學院半導體研究所、中國科學院長春光學精密機械與物理研究所、長春理工大學等。2001年中國科學院上海微系統與信息技術研究所在國內首次報道了2μm量子阱激光器，其輸出功率為30 mW。長春理工大學研制的2.2μm激光器，輸出功率為32mW。中國科學院半導體研究所研制的2μm激光器，最高工作溫度達到了80℃嘲，室溫連續輸出功率為357mW。

4 項目的主要研究進展介紹

項目組針對銻化物納米結構光電器件的發展中所遇到的瓶頸問題，基于半導體納米結構的物性和結構調控特性，重點圍繞解決器件工作波段拓展、光電效率提升等所涉及的關鍵科學問題，從納米材料能帶特性、電子光子互作用、激子行為、表面／界面狀態可控性、載流子輸運復合、光電轉換能效機理等出發，采用先進的納米技術，開展能帶結構調控方法、能量耦合增強機制、納米結構材料制備、器件關鍵工藝等研究，制備出了紅外波段高性能發光和探測器件。

首先，在銻化物材料生長研究工作上，根據器件結構設計要求，優化了不同組分的材料生長條件，實現了各生長參數及結構參數的精確控制。精確控制InAs/GaSb納米超晶格結構中異質界面類型，抑制生長過程中As和Sb元素在界面以外的元素互混并減小應變，處理好InGaAsSb /AIGaInAsSb納米超晶格結構中多元合金各組成元素之間的配比，以達到理論設計要求。

然后，在器件制作關鍵工藝技術研究工作上，采用液體硫化鈍化法和介質覆蓋的方法，成功實現了對器件表面復合表面鈍化，降低器件噪聲水平。采用Cl基干法刻蝕技術實現對Sb化物納米結構材料的干法刻蝕，改變刻蝕氣體組分和刻蝕溫度以達到均勻陡峭的刻蝕。采用通用倒裝焊技術實現生長的探測器面陣與Si讀出電路通過In柱互聯。互聯后芯片采用機械研磨和化學選擇腐蝕的方法進行減薄。對激光器將采用GaAs大功率激光器通用冷卻熱承進行制冷，采用多層介質膜進行端面鍍膜，最終實現紅外激光器的瓦級輸出，激光器激射功率結果如圖4所示。

圖4 腔面鍍膜的激光器在10℃控溫測試、脈沖測試以及室溫連續測試的功率比較；器件室溫連續出光功率達到1.277W，最大10℃連續測試時，器件最大功率為1 - 45W；在頻率為1000Hz，脈寬為50μs的脈沖條件下，器件最大功率為2.83W

5 未來發展趨勢

目前，2 - 4in單晶和襯底材料制造技術已基本成熟，更大尺寸襯底制備技術的發展依賴于銻化物光電器件的需求。基于銻化物超晶格材料的探測器在結構設計方面有巨大的靈活性，其前沿課題主要是優化提高載流子壽命所需要的銻化物低維結構。銻化物表面鈍化技術是這類探測器的制備工藝中的難題，很大程度上決定了探測的光電效率、工作溫度、噪聲等性能。而從應用需求來看，銻化物探測器研究熱點方向有以下3個。

（1）適應第三代紅外探測技術所需要的多波段探測識別能力；大面陣、多色、低成本探測器；多種平臺應用需求的探測組件整體體積小、重量輕、功耗低等的產業化技術。

（2）目前中長波紅外探測器工作溫度大都在液氮溫度，而16μm以上甚長波探測器的工作溫度需要低至10開爾文。結構復雜的低溫制冷部件使得探測器系統體積大、成本高，使用壽命和可靠性受到限制。基于銻化物SL材料發展新型勢壘結構（barrier infrared detector）的探測器，有可能實現高工作溫度和低噪聲。

（3）雪崩倍增（APD）探測器及主被動紅外探測技術的應用。通過能帶設計銻化物SL結構，可以實現更高的電子和空穴電離率，研制出更高靈敏度和響應速度的APD器件。

另外，如果能夠將銻化物APD探測器與銻化物紅外激光器聯用，那么它有可能使紅外激光雷達技術中的激光器件與探測器件的材料同屬一個體系。

銻化物激光器的發展趨勢是開發出2 - 5μm波段的更大功率、高光束質量單管激光器或陣列，以及窄線寬DFB或外腔可調諧激光器，以滿足主動式光電對抗系統以及高靈敏度氣體檢測系統的需求。銻化物HBD陣列太赫茲器件的未來發展方向是進一步擴大其陣列尺寸并配備讀出電路模塊。銻化物熱光伏電池具有可吸收中紅外光，大大降低供電系統的設計難度，以及提高電池對廢熱的回收效率等優勢，這也是未來重要的發展方向。

總體來說，銻化物光電器件種類幾乎涵蓋紅外系統的所有關鍵部件，在下一代小體積、輕重量、低功耗、低成本（low SWaP-C）系統的應用方面具有優勢。2μm以上高性能銻化物光電器件已被西方國家列為限制出口的技術產品。銻化物材料與器件研究正處于從實驗室到應用的重要時期，將面臨新的重大發展機遇。