Ⅱ类超晶格红外探测器多层膜背增透研究
由于Ⅱ类超晶格能带中的电子空穴波函数交叠减少，使Ⅱ类超晶格的吸收系数较小，量子效率偏低，限制了Ⅱ类超晶格红外探测性能。
提升红外焦平面阵列探测器的方法主要包括提升芯片内部的光吸收与外部的光注入两种，其中在芯片表面生长或沉积增透减反膜（AR coating）是一种提高光子注入的有效手段，通过薄膜干涉原理，使通过增透介质界面的反射光相互干涉而抵消，从而达到减少反射损失、实现增强透过的目的。目前单层膜的背增透技术已成熟应用在国内外所报道的红外焦平面阵列探测器中。然而，随着日益增长的对探测器性能优化的需求，单层膜的材料单一，提升能力有限，亟需开发更加灵活有效的芯片背增透技术。
据麦姆斯咨询报道，近期，华北光电技术研究所的科研团队在《激光与红外》期刊上发表了以“Ⅱ类超晶格红外探测器多层膜背增透研究”为主题的文章。该文章第一作者为游聪娅。
本文通过FDTD Solutions建立Ⅱ类超晶格红外焦平面阵列器件仿真模型，通过改变多层膜中的膜系厚度得到透射和反射光谱，经由仿真结果选择合适的膜系及厚度，最终实现探测器的性能提升与响应波长的调控。
Ⅱ类超晶格多层增透膜设计
多层增透膜光学仿真结构
光学薄膜通过干涉作用改变了光的传输特性，从而实现对光的调控，包括增透、减反、分束等功能。本文为选择出最佳的增透减反膜材料和对应厚度，通过FDTD仿真来计算具有增透膜的Ⅱ类超晶格结构的透射、反射光谱。所构建的Ⅱ类超晶格红外焦平面探测器的光学仿真结构如图１所示。该结构中，InAs/GaSb Ⅱ类超晶格吸收层的厚度设为8 μm，背减薄后预留GaSb衬底厚度设计为30 μm，芯片为背照式结构。
图1 Ⅱ类超晶格红外焦平面探测器背增透结构示意图
增透膜层材料的选择
本文的研究目的是提升Ⅱ类超晶格长波红外探测器的量子效率。在长波红外波段，可选择的薄膜材料主要包括硫硒化物、氟化物、半导体材料和部分的氧化物等。为尽量地减少光损失，选择的增透膜材料在长波波段需要具有较小的红外吸收系数，此外，折射率、化学稳定性、复合膜层结合牢固度等也是膜层材料选择时需要考虑的因素。
ZnS具有良好的红外透过性能，其透过范围覆盖3～5 μｍ、8～12 μｍ的中波、长波大气窗口，折射率约为2.2，被广泛地应用在红外探测器的背增结构中。Ge是一种具有高折射率的半导体材料，其折射率约4.0，红外透过范围可远至23 μｍ。本文的背增透Ⅱ类超晶格结构中，基底材料主要包括GaSb衬底层和InAs/GaSb吸收层，其折射率分别约为3.8和3.5。通过高低折射率材料的结合，可实现更高透过率和更宽光谱范围的调节。考虑到基底的折射率，本文选择ZnS/Ge/ZnS多层膜结构构建具有高低折射率特性的长波红外增透膜系。
单层增透膜与多层增透膜对比
由单层薄膜干涉原理可知，随着膜厚度的增大，单层介质增透膜的中心透过波长将向更大波长的方向移动。随着增透目标红外波段的延长，单层介质增透膜的增透效果已难以满足实际需要，过高的厚度也会对薄膜机械牢固度和探测器芯片应力带来不利影响。通过FDTD仿真计算，获得背增透膜总厚度均约为1.8 μｍ时的Ⅱ类超晶格探测器长波透过光谱，其中多层增透膜结构为ZnS/Ge/ZnS，厚度为0.4/1.2/0.2 μｍ，单层增透膜为ZnS，结果如图2所示。由于GaSb在长波红外具有较大的吸收，使30 μｍ GaSb透过率小于60%，限制了探测器的量子效率。在8～11 μｍ范围内，单层膜和多层膜均可有效提高薄膜透过率，但ZnS/Ge/ZnS三层复合增透膜具有更良好的增透效果，而ZnS单层膜则表现出缓慢的、宽谱范围的透过提升。与传统宽谱红外增透膜不同，本文中所考虑的红外增透膜应在较窄光谱范围内对入射光透过率有更加明显的提升。围绕这一需求，由图２仿真结果可以看出，在相同的膜层厚度下，GaSb基的多层高低折射率增透膜结构比单层增透膜更能实现研究目的。
图2 Ⅱ类超晶格探测器透过光谱仿真
增透膜层厚度的优化
与镀制红外窗口增透膜不同，红外焦平面探测器中的Ⅱ类超晶格对应力十分敏感，多周期和复杂的增透膜结构极有可能导致其应力失衡，使表面出现裂纹，从而在探测成像中造成大量的盲元。由于薄膜干涉效应，增透膜系中膜层材料的折射率、膜层的厚度是增透膜透过和反射特性的决定性因素。因此本文通过优化单周期的ZnS/Ge/ZnS增透膜层厚度以提升目标波段内的响应性能及调控光谱探测范围。
在高低折射率的多层复合膜结构中，高折射率材料往往对薄膜最终的增透特性有更大的影响。为此，通过调节多层增透膜中Ge的厚度，可实现增透膜透过特性的灵活调节。图３为改变中间层高折射率的Ge厚度时，通过FDTD仿真计算得到的包含增透膜的GaSb基底Ⅱ类超晶格薄膜的反射光谱。由图３结果可知，Ge膜层的加入使探测器反射光谱产生了较大的振荡，随着Ge厚度的增加，薄膜在8～12 μｍ的反射率最小值逐渐向更长波方向移动，并且由于Ge的折射率高于Ⅱ类超晶格材料，Ge厚度过大，还会增大光的反射，导致探测器响应下降。因此针对所采用的Ⅱ类超晶格红外探测器的目标光谱响应波长，优化选择Ge膜层的厚度为1.4 μｍ。最终选取外层ZnS和内层ZnS的厚度分别为0.1 μｍ和0.4 μｍ，仿真计算得10 μｍ处的反射率约为12.93%。
图3 不同波长下改变Ge厚度的薄膜反射率
Ⅱ类超晶格多层增透膜制备
与读出电路互连的焦平面阵列探测器芯片经背减薄后留下约30 μｍ的GaSb衬底。将芯片经清洗处理后，将读出电路焊盘用胶保护，采用热蒸发真空镀膜工艺在整个GaSb衬底背面逐层沉积多层增透膜，并通过腔体加热提高膜层的牢固度和可靠性。多层增透膜为ZnS/Ge/ZnS结构，厚度分别为0.4 μｍ、1.4 μｍ和0.1 μｍ。图４为所制备的多层增透膜在中心及边缘位置的厚度，预计薄膜总厚度为1.9 μｍ，实际测得薄膜中心区域厚度为1.853 μｍ，边缘区域厚度为1.844 μｍ，所沉积薄膜具有良好的均匀性。
图４ 沉积的多层增透膜中心及边缘厚度
Ⅱ类超晶格多层增透膜光谱测试
透过光谱测试
制备完成多层增透膜后，采用傅里叶红外光谱仪分别对沉积多层增透膜前后的GaSb衬底陪片进行透过光谱的测试，结果如图5所示，在多层增透膜作用下，在中波出现了两个较大的谐振峰，受限于厚度较大的GaSb衬底对长波红外的吸收，透射光谱在长波红外同样实现了透过率的提升。为更清楚地显示多层增透膜的增透特性，将增透后与增透前的透射率相除，得到的比值与入射光波长的关系如图6所示。
图5 GaSb衬底沉积增透膜前后的透射光谱
在3.37 μｍ、4.86 μｍ和8.86 μｍ处，产生了透射率增益最大值。其中8.86 μｍ时，GaSb衬底薄膜透射率提升了27%，达到了长波增透效果。薄膜制备工艺过程和仿真过程中边界条件与实际情况的差异等造成了仿真计算结果与实际透过光谱结构之间的偏差。
图6 GaSb衬底沉积增透膜前后的透射率比值
响应光谱测试
最终对制备多层增透膜的Ⅱ类超晶格焦平面阵列探测器进行光谱测试。以验证多层膜系的增透效果。采用的Ⅱ类超晶格焦平面阵列像元规格为640 × 512，像元间距为20 μｍ。从图７中可以看出，背增透前，探测器的响应峰值波长在7.5 μｍ处，50%截止波长为9.4 μｍ。背增透后，由于多层增透膜在8.86 μｍ处存在透射峰，使背增后探测器的响应峰值波长延长至8.655 μｍ，而器件的50%截止波长，则延长至了10.377 μｍ，与背增前相比延长了将近1 μｍ。将不同波长下背增前后的响应率进行对比，可得在背增膜透射峰8.86 μｍ处，探测器响应率提高了55%，如图8所示。
图7 背增透前后的Ⅱ类超晶格红外探测器相对响应光谱
图8 背增透前后的Ⅱ类超晶格红外
因此，通过多层背增膜的制备，同时实现了超晶格焦平面探测器响应性能的提升与响应光谱的调控，在提高响应率的同时也延长了探测器的后截止波长，为探测器性能的进一步优化和探测器光谱的灵活调控提供了一种有效的方法。
为研究多层背增膜对器件响应性能的影响，将背增前后的焦平面探测器封装在中测杜瓦中进行测试，获得该器件的具体性能参数如表１所示。由测试结果可以看出，对于该探测器而言，经背增后探测器响应信号提升了38.6%，说明多层背增透膜提升了器件的量子效率，很好地改善了Ⅱ类超晶格焦平面探测器在长波红外的响应性能。
表1 背增前后超晶格焦平面探测器性能参数
结论
本文通过仿真计算与实验分析相结合，设计了基于Ⅱ类超晶格焦平面阵列探测器的多层背增透膜，确定了高低折射率膜层材料的选择，并通过仿真计算对膜层厚度进行了优化。采用热蒸发真空镀膜技术实现所设计的多层增透膜的制备，获得了具有良好均匀性的薄膜。通过透过光谱测试分析了GaSb衬底增透膜的透射峰，最终在超晶格焦平面探测器上进行了应用。通过响应光谱和性能测试，证明了所设计的多层背增透膜可实现超晶格焦平面探测器响应性能的提升与响应光谱的调控。
审核编辑 ：李倩
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