第２０卷 第１８期 电子设计工程 ２０１２年９月 Ｖ０１．２Ｏ Ｎｏ．１８ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｄｅｓｉｇｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉ Ｓｅｐ．２０１２ 光导型ＩｎＡｓＳｂ红外探测器的研制 郭轶，吴广会，冯彦斌 （陕西华星电子集团有限公司陕西成阳７１２０９９） 摘要：针对室温（２９３ Ｋ）条件下使用要求，采用ＩｎＡｓＳｂ单晶材料加浸没透镜制作成２－９ Ｗｍ波段高灵敏度光导型 ＩｎＡｓＳｂ红外探测器。实测光谱响应值出现在１．６５６ ５￣８．９８９ ｍ。在光谱响应波段范围内，最大响应度值为对比组Ｃ２、 Ｃ３组。初步实现了室温（２９３ Ｋ）使用要求，响应光谱２～９ ｍ波段光导型ＩｎＡｓＳｂ红外探测器设计目的。 关键词：光导型红外探测器；ＩｎＡｓＳｂ；长波红外材料；熔体外延 中图分类号：ＴＭ２３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７４—６２３６（２０１２）１８—０ｏ９３—０３ Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｐｈｏｔｏｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ ＩｎＡｓＳｂ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｄｅｔｅｃｔｏｒ ＧＵＯ Ｙｉ，ＷＵ Ｇｕａｎｇ—ｈｕｉ，ＦＥＮＧ Ｙａｎ—ｂｉｎ （Ｓｈｏａｎｘｉ Ｈｕａｘｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｃｏ．Ｌｔｄ．，Ｘｉａｎｙａｎｇ ７１２０９９，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｒｏｏｍ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ（２９３ Ｋ）ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｕｓｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ，ｔｈｅ ＩｎＡｓＳｂ ｓｉｎ￣ｅ ｃ￣ｓｍｌ ｍａｔｅｉｒａｌ ｔｏ ａｄｄ ｓｕｂｍｅｒｇｅｄ ｍａｄｅ ｉｔ ｉｎｔｏ ２￣９ ｌｅｎｓ Ｉｘｍ ｂａｎｄ ｈｉｓｈ ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ ｏｐｔｉｃａｌ ｔｙｐｅ ＩｎＡｓＳｂ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｄｅｔｅｃｔｏｒ．Ｔｈｅ ｓｐｅｃｔｒａｌ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｓｅｅ ｉｆｇｕｒｅ １，ａｎｄ ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｓｐｅｃｔｒａｌ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｖａｌｕｅ ａｐｐｅａｒ ｉｎ １．６５６ ５￣８．９８９恤ｍ．Ｉｎ ｔｈｅ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｂａｎｄ ｒａｎｇｅ，ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｄｅｇｒｅｅｓ ｖａｌｕｅ ｓｅｅ ｔａｂｌｅ １，ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｖａｌｕｅ ｏｆ ｃｏｎｔｒａｓｔ ｄｅｇｒｅｅ ｏｆ Ｃ２ ａｎｄ Ｃ３ ｇｒｏｕｐ．Ｔｈｅｎ ｅｒａｌｉｚｅｄ ｔｈｅ ｒｏｏｍ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ（２９３ Ｋ）ｕｓｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ，ｔｈｅ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ２ Ｉｘｍ ｂａｎｄ ｔｙｐｅ ＩｎＡｓＳｂ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｄｅｔｅｃｔｏｒ ｏｐｔｉｃａｌ ｄｅｓｉｇｎ ｐｕｒｐｏｓｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｉｎｆｒａｒｄ ｄｅｔｅｃｔｏｒ；ＩｎＡｓＳｂ；ｌｏｎｇ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ＩＲ ｍａｔｅｒｉｌａ；ｍｅｌｔ ｅｐｉｔａｘｙ 窄禁带Ⅲ一Ⅳ族、Ⅱ一Ⅵ族化合物半导体材料是制作５～８ Ｉｘｍ 测试表明晶体具有良好的结晶质量。该方法生长的材料，其 和８～１２ Ｉｘｍ波长探测器采用的重要红外材料，随着半导体材 外延层在压力下形成的．能带弯曲参数变大，其禁带宽度明 料生长方法和工艺的发展，能制作出新的红外材料，从而研 显变窄，这样截止波长会向长波方向延长［Ｓ－７］。 制出特殊性能的红外探测器。 范德堡法测量ＩｎＡｓＳｂ外延层的电子迁移率大于５ｘｌ０４ 当前ＨｇＣｄＴｅ探测器主要应用在低温制冷工作状态，其材 ｃｍ州Ｓ，载流子浓度为ｌ￣３ｘ１０ ｃｍ 。较高的室温电子迁移 料中的Ｈｇ稳定性差，随着温度的升高，其禁带宽度也在增加， 率也说明了材料具有良好的晶格完整性，可以用来制作室温 导致截止波长向短波方向移动。性能有所变化，同时它的制作 红外探测器。 和使用成本均偏高，这给制作和使用带来很多的不方便。 ＩｎＡｓＳｂ三元合金的带隙可小到０．１ｅｖ，在室温环境下，截 ２红外探测器的制作 止波长可达８～１２ Ｉｘｍ，迁移率高．化学稳定性好口－２］。 室温红外探测器的红外光敏材料选定后，根据材料的结 取该材料１００ ｍ厚度的中间部位，去掉了晶格失配和 构特点，采用了切、磨、抛等手段进行了加工制作。 表面缺陷的部分，来制作光导ＩｎＡｓＳｂ红外探测器口卅。室温下 １）研磨：用Ｗ１４、Ｗ７、Ｗ５、ＷＯ．５等不同颗粒度的纯度金 器件电性能最高黑体响应度达１６８ Ｖ 。黑体探测率达６× 刚砂对材料进行研磨，去掉衬底的，同时也依照厚度要求继 １０。ａｍ・Ｈｚ’哪～。光谱响应范围２～９ ｔｘｍ。 续研磨掉一定的尺寸去掉ＩｎＡｓＳｂ晶格失配和表面缺陷的部 １红外光电材料 分，控制尺寸取出材料１００ ｍ厚度中间部分的６０ ｍ部分。 ２）切割：将材料用钼丝切割机准确的切割成宽度适当的 高玉竹教授发明了一种生长ＩｎＡｓＳｂ外延片的方法。她 条形。制作成了０．５ｘ０．５ ｍｍ２大小的光敏芯片，两边预留出电 在国内、国际科学杂志上发表过相关论文，并且在国内外取 极位置。 得过相应的专利。外延层厚度可以达到１００ Ｉｘｍ。这是ＭＢＥ、 ３）抛光：要使光导探测器有较高的光电性能，芯片表面 Ｍ０ＣＶＤ和Ｕ 等方法生长外延技术无法达到的。 必须光洁度高．材料研磨厚度到合适的时候，用Ｗ０．５金刚砂 用ＸＲＤ（Ｒｉｇａｋｕ Ｄ／ＭＡＸ一２２００ＰＣ．Ｃｕ靶）Ｘ射线衍射光谱 抛光，达到要求的程度。 ４）腐蚀：材料的厚度决定着光导探测器的光电性能，采 收稿日期：２０１２—０５—１９ 稿件编号：２０１２０５１４０ 作者简介：郭轶（１９５６一）男，陕西子长人，工程师。研究方向：光电红外器件。 －９３－ 《电子设计工程）２０１２年第１８期 用化学腐蚀的方法，使芯片最终减薄，表面光洁，使其光电性 ７）镀膜：在光学透镜的球面和平面上分别用真空蒸发的 能得以发挥到最佳。 一 工艺镀制光学增透膜。减少光线的反射，增强探测能力。 ５）电极：用Ｉｎ焊接工艺的方法，在ＩｎＡｓＳｂ芯片两端制作 ８）装配：将芯片、透镜、外壳组合在一起，连接好电引线， 电极，金丝引出至管壳接线柱上。 制作成完整的红外探测器。 ６）浸没：用真空蒸发的工艺将浸没介质镀制在光学透镜 ９）测试：黑体温度：５００ Ｋ，调制频率：８００＋１０ Ｈｚ，芯片工 的平面上，在合适的温度下。把ＩｎＡｓＳｂ芯片浸没在光学透镜 作电流：１０ ｍＡ，放大器的放大倍数：１０ ０００，在环境温度为 的平面中心位置。 ２０￣２℃条件下进行测试、分析、比较。测试记录如表ｌ所示。 表１ ＩｎＡｓＳｂ浸没型光导ＩｎＡ￣ｂ探测器性能２９３Ｋ Ｔａｂ．１ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓ ｏｆ ｉｍｍｅｒｓｉｏｎ ｌｎＡｓＳｂ ｐｈｏｔｏｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ ａｔ ２９３Ｋ ｌＯ）光谱：用ＦＨＲ光谱仪（ＷＱＦ一５２０）测量探测器环境温 Ｒ ＝ ｓ／Ｐ 度２０±２℃条件下的光谱性能如图１所示。 ＝ №（ＡｄＡＳ３ Ｎ Ｐ＝ＡｄＥ 式中：Ｐ为入射到探测器上的辐射功率，Ａ ｄ为探测器的 面积（０．０５ ｃｍｘ０．０５ ｃｍ），Ｅ为黑体辐射照度， 为等效噪声 带宽。（笔者的测试系统：Ｅ＝３．５６ｘ１０－ｓ ｗ，ｃｍ２ ｙ ５２ Ｈｚ） 测试条件： 环境温度２０￣２℃，黑体温度：５００ Ｋ，频率：８００￣１０ Ｈｚ，工 作电流：１０ ｍＡ，放大倍数：１０ ０００ 图１ ＩｎＡｓＳｂ探测器光谱１ Ｆｉｇ．１ ＩｎＡｓＳｂ ｄｅｔｅｃｔｏｒ ｓｐｅｃｔｒａｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ １ ３结果分析 １ １）计算：黑体响应度 ｂｂ和黑体探测率 ｂ卓计算方法如下： 分析以上测试结果，从不同的材料来看，材料性能对探 －９４－ 郭轶，等光导型ＩｎＡｓＳｂ红外探测器的研制 测的性能起着决定的作用ｉＳｌ，只有结构生长完美、电参数性能 【３】ＧＡＯ Ｙｕ—ｚｈｕ，ＧＯＮＧ Ｘ Ｙ，Ｙａｎａｎｕｃｈｉ Ｔ．Ｏｐｔｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ 良好的ＩｎＡｓＳｂ材料可以做成探测率高的光导探测器。同时 ＩｎＡｓＳｂ ｓｉｎｇｌｅ ｃｒｙｓｔａｌｓ ｗｉｔｈ ａ ｃｕｔｏｆｆ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｏｆ ８￣１２ Ｉｘｍ 光谱分析显示，晶体的结构决定光谱范围和截止波长（参照 ｇｒｏｗｎ ｂｙ ｍｅｌｔ ｅｐｉｔａｘｙ［Ｊ】．Ｊａｐａｎｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ 图１）。 Ｐｈｙｓｉｃｓ，２００６，４５（７）：５７３２－５７３４． 浸没透镜带有增透膜的情况要好的多．探测出的信号值 【４】杨臣华，梅遂生，林钧挺．激光与红外技术手册【Ｍ】．北京： 高于无增透膜的情况，这表明增透膜明显地减低了光线的反 国防工业出版社．１９９０． 射，透镜与芯片之间的Ｅ０４９胶其折射率在两物质之间，也起 【５】高玉竹，龚秀英，吴广会，等．室ｉｇＩｎＡｓＳｂ－￣波红外探测器 到了良好透过光能量的作用，增加了入射的能量。 的研制［Ｊ】．光电子・激光，２０１０，２１（１２）：１７５１—１７５４． ４结 论 ＧＡＯ Ｙｕ－ｚｈｕ，ＧＯＮＧ Ｘｕｉ—ｙｉｎｇ，ＷＵ Ｇｕａｎｇ－ｈｕｉ，ｅｔ ａ１． Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｌｏｏｍ・ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ＩｎＡｓＳｂ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｄｅｔｅｃｔｏｒ 采用ＩｎＡｓＳｂ单晶材料，以浸没透镜的结构方式固定 ｗｉｔｈ ｌｏｎｇ－ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ［Ｊ］．Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｏｒ・Ｌａｓｅｒ，２０１０，２１（１２）： ＩｎＡｓＳｂ芯片并增强光电性能，结构设计合理，常温状态下使 １７５１－１７５４． 用，不需要制冷，实现了可应用于探测的２—９ ｗｍ波段的高灵 ［６］张舒惠．ＩｎＡｓＳｂ／ＩｎＡ１Ｓｂ异质结红外光敏薄膜结构与性能研 敏度光导型ＩｎＡｓＳｂ红外探测器。在２９３ Ｋ环境中测试红外探测 究［Ｄ】．哈尔滨：哈尔滨工业大学，２００８． 器性能，黑体探测率６ｘ１０。ｃｍ・Ｈｚ哪 ，黑体响应度１６８ ＷＷ， 【７】徐洁．高探测率（＞ｌｘｌ０￣（１０）ｃｍＨｚ￣（１，２）Ｗ～（一１））ＩｎＡｓＳｂ 探测器性能优良，应用前景广阔，尤其是在室温状态下军事 应变层超晶格红外光伏探测器［Ｊ］．红外与激光工程，１９９３ 领域的红外探测应用有重要的意义。 （３）：５５－５７． 参考文献： ＸＵ Ｊｉｅ．Ｈｉｇｈ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｒａｔｅ（＞ｌｘｌ０￣（１０）ｃｍＨｚ一（１，２）Ｗ一 【１】高玉竹，龚秀英，方维政，等．用熔体外延法生长的截止波 （１）） ＩｎＡｓＳｂ ｓ￣ａｉｎｅｄ ｌａｙｅｒｓ ｓｕｐｅｒｌａｔｔｉｃｅ ｉｎｆｒａｒｅｄ 长１０ Ｉｘｍ以上的ＩｎＡｓＳｂ单晶【Ｊ】．红外与毫米波学报，２００４， ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ ｄｅｔｅｃｔｏｒ［Ｊ］．Ｔｈｅ Ｉｆｎｒａｒｅｄ ａｎｄ Ｌａｓｅｒ Ｐｒｏｊｅｃｔ，１９９３ ２３（６）：４０５—４０７． （３）：５５－５７． ＧＡＯ Ｙｕ—ｚｈｕ，ＧＯＮＧ Ｘｉｕ－ｙｉｎｇ，ＦＡＮＧ Ｗｅｉ－ｚｈｅｎｇ，ｅｔ ａ１．Ｈｉｇｈ 【８】黄奇峰，周庆庆．优化绝缘结构提高有机材料真空沿面闪 ｑｕａｌｉｔｙ ＩｎＡｓＳｂ ｓｉｎｇｌｅ ｃｒｙｓｔａｌｓ ｗｉｔｌｌ ａ ｃｕｔｏｆｆ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｌｏｎｇｅｒ 络特性的研究［Ｊ】．陕西电力，２０１２（４）：１６，１９—２４． ｔｈａｎ １０ ｍ ｇｒｏｗｎ ｂｙ ｍｅｌｔ ｅｐｉｔａｘｙ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆＩｎｆｒａｒｅｄ Ｓａｎ ＨＵＡＮＧ Ｑｉ－￣ｎｇ，ＺＨＯＵ Ｑｉｎｇ—ｑｉｎｇ．Ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｏｆ ｓｕｒｆａｃｅ Ｍｉｌｌｉｍｅｔｅｒ Ｗａｖｅｓ。２００４，２３（６）：４０５—４０７． ｌｆａｓｈｏｖｅｒ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｉｎ ｖａｃｕｕｍ ｏｆ ｏｒｇａｎｉｃ ｍａｔｅｒｉｌａ ｂｙ ｔｈｅ 【２】ＧＡＯ Ｙｕ－ｚｈｕ，ＧＯＮＧ Ｘ Ｙ，ＣＨＥＮ Ｙ Ｈ，ｅｔ ａ１．Ｈｉｇｈ ｑｕａｌｉｔｙ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｓｈａａｎｘｉ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ， ＩｎＡｓＳｂ／ＧａＡｓ ｓｉｎｇｌｅ ｃｒｙｓｔａｌｓ ｗｉｔｈ ａ ｃｕｔｏｆｆ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｏｆ １２ ２０１２（４）：ｌ６，１９—２４． ｍ ｇｒｏｗｎ ｂｙ ｍｅｌｔ ｅｐｉｔａｘｙ［Ｃ￣／Ｐｍｃ．ｏｆ ＳＰＩＥ，２００５． 意法半导体与ＭｉｅｒｏＯＬＥＤ携手创新消费电子高分辨率微型显示器 意法半导体（ＳＴＭｉｃｌｏｅｌｅｃｔｍｎｉｃｓ，简称ＳＴ），宣布与ＭｉｃｒｏＯＬＥＤ公司签署战略合作协议，并向该公司进行股权投资约６ＯＯ万 欧元。ＭｉｃｍＯＬＥＤ公司位于法国格勒诺布尔市，从事先进发光二极管（ＯＬＥＤｓ）开发和商用。非常高的分辨率、极低的功耗和目 前市场上最高岛能效让ＯＬＥＤ技术成为各种便携应用微型显示屏的理想选择，例如，数码相机取景器、视频眼镜和医疗仪器及 保安设备的显示屏。 ＭｉｅｒｏＯＬＥＤ的先进技术的像素密度极高。能够大幅提升画质，但功耗只是同类技术的一半。采用此项技术的ＯＬＥＤ显示器 与市场上同类显示屏相比。像素密度提高ｌ倍，对比度改善１００倍。为突现这些技术的优势，意法半导体通过设计、开发和供应 服务的形式．将其先进的制造设备、宽广的消费电子市场基础和实力雄厚的ＩＰ组合融入合作项目，凭借开发出的新一代技术 瞄准更广阔的客户群和应用领域。 意法半导体拥有多项全集成ＣＭＯＳ工艺，用于开发完整的产品蓝图。意法半导体将在新产品内注入大量的设计ＩＰ，以提 高微型显示器的功能集成度，解决现有方案中外部控制器的问题，从而降低最终设计的复杂性和成本。意法半导体的低功耗设 计经验是实现视频眼镜等应用的关键。 意法半导体公司副总裁兼影像ＢｉＣＭＯＳ ＡＳＩＣ及硅光电产品部总经理Ｅｒｉｃ Ａｕｓｓｅｄａｔ表示：“在发现数码相机电子取景器等 应用将会迎来高速增长的市场机会后。按照意法半导体多元化产品战略和增强影像产品组合的计划，我们发现Ｍｉｃ∞０ＬＥＤ的 高分辨率ＯＬＥＤ显示器具有市场上最高的性能质量和最低的功耗，意法半导体的制造工艺技术和专有技术、客户关系及ＩＰ组 合的引入将会加快ＯＬＥＤ的市场认可，大幅扩大公司的市场份额。” 咨询编号：２０１２１８１００３ －９５－
