面對第三代紅外探測器對多波段探測的需求，中/中波雙色同時獲取兩個波段的目標信息，對復雜的背景進行抑制，可以有效排除干擾源的影響，提高了探測的準確性，增強了在人工及復雜背景干擾下的目標識別能力，因此中/中波雙色探測器設計和制備最近快速發展起來。

據麥姆斯咨詢報道，近期，一支由陸裝駐洛陽地區航空軍代室、中國空空導彈研究院的研究人員組成的團隊在《紅外技術》期刊上發表了以“銻化物中/中波雙色紅外探測器研究進展”為主題的綜述文章。本文闡述了銻化物中/中波雙色紅外探測器的主要技術路線和目前研究進展，并展望了其未來的發展趨勢。 目前正在研究或制備的雙色紅外探測器有銻化銦平面雙色探測器、碲鎘汞雙波段探測器、CdS/InSb光伏型紫外/紅外雙色探測器以及許多新型的雙色或多色探測器。其中，銻化銦（InSb）是一種Ⅲ-Ⅴ族化合物半導體材料，具有閃鋅礦結構，擁有最小帶隙、最小載流子有效質量、最大電子飽和漂移速度和最大遷移率等，具有優異的光電性能，銻化銦紅外探測器工作在中波波段，通過分光可實現兩個中波波段的探測。另外，以InAs/GaSb為代表的銻化物II類超晶格材料，具有周期性重復結構，可進行靈活的能帶結構設計，實現禁帶寬度在2~30μm波段內可調，并且可以進行大尺寸、高均勻性的材料外延生長，非常適用于多波段和甚長波段，因此，銻化物超晶格材料在第三代紅外焦平面探測器材料的選擇中占據優先位置，采用銻化物超晶格材料制備雙色紅外探測器的研究已經成為各國研究的熱點。

主要技術路線

平面雙色探測器

采用平面結構的雙色探測器，是吸收不同紅外波段的光敏元在同一平面上錯開排列或拼接而成。優點是不同波段的器件可在同一工藝中制成，沒有增加工藝難度。

疊層雙色探測器

采用疊層結構的雙色探測器，是將吸收一種紅外波段的光敏元布置在吸收另一種紅外波段的光敏元之上，波長較短的紅外材料成為了波長較長材料的濾光片。

InAs/GaSb II類超晶格紅外中/中波雙色焦平面陣列探測器一般采用N-P-N或P-N-P疊層雙色器件結構。結構一般都包括5個部分，分別為底部接觸層、“紅帶”吸收層，中間接觸層、“藍帶”吸收層、頂部接觸層。順序型結構器件可通過調節器件工作電壓實現器件在兩個截止波段的切換，從而實現雙波段的順序成像探測，如圖1（a）。同時型結構器件在中間接觸層上也增加電極，即三電極輸出，通過設置3個電極上的偏壓實現兩個二極管的同時工作，從而實現雙波段的同時成像探測，如圖1（b）。

圖1 N-P-N器件結構圖：（a）順序型和（b）同時型 中/中雙色銻化物探測器的進展

并列式結構

2012年，以色列SCD公司采用兩個并列的480×384的InSb芯片制作探測器，用于機載導彈預警系統。它是依靠每個芯片上面的濾光片來進行雙色分光，形成兩個光學通道，每個都有特定的芯片和讀出電路，集成在一個杜瓦中。并且通過抗反射膜層設計使頻帶之間的光譜串擾最小，通常低于0.1%，其成像效果如圖2。

圖2 并列式中/中波雙色紅外探測器成像：（a）“藍帶” 和（b）“紅帶”

平面式結構

2003年美國CMC Electronics Cincinnati公司提出了一種平面式雙色InSb焦平面探測器設計方案，即將濾光片制備到芯片表面實現雙色成像。2017年瑞典IRnova公司報道了采用該方案的InAs/GaSb超晶格中/中波雙色探測器，也是在焦平面陣列上增加濾光片。制備陣列器件時將陣列上沉積的像元濾光薄膜刻蝕成棋盤圖案，如圖3所示。

圖3 InAs/GaSb中波雙色紅外探測器濾光片方案

該結構的優點是探測器具有極高的光譜分辨率而無串擾，還可以實現高占空比和高靈敏度。采用該種結構還可以設計更多種類的濾光片實現三色及多色探測，即實現彩色成像，也可以設計窄帶通濾光片實現對某種氣體輻射信號的探測。該結構的缺點是每一個波段的占空比將減小，會損失相應波段探測的空間分辨率。目前采用該結構的中/中雙色焦平面探測器技術難度不大，工藝相對成熟，已經處于應用。

PIN 型疊層結構 2006年德國Fraunhofer institution首先報道了中/中波雙色超晶格焦平面探測器，該器件包括兩個背靠背的InAs/GaSb超晶格光電二極管，器件在“藍帶”（3～4μm）的噪聲等效溫差（NETD）為29.5mK，在“紅帶”（4～5μm）為16.5mK。2011年該研究所對器件結構和生長工藝進行了優化，其結構如圖4所示。經過優化后，像元間距縮小到30μm，“紅帶”和“藍帶”的NETD性能分別提高到17.9mK和9.9mK。

圖4 雙色InAs/GaSb超晶格器件結構圖

2015年中科院上海技術物理研究所報道了InAs/GaSb II類超晶格中/中雙色焦平面陣列探測器的初步結果。探測器采用P-N-P疊層雙色外延結構，如圖5所示。中/中波段紅外吸收區的超晶格周期結構分別為InAs（7ML）/GaSb（7ML）和InAs（10ML）/GaSb（10ML）。同年該研究所還報道了N-P-N結構的640×512探測器的研究結果，通過紅外焦平面偏壓調節成像測試，該器件得到了清晰的雙波段熱成像。

圖5 雙色器件結構及互連示意圖

該結構的優點除了銻化物超晶格具有的量子效率高、電子有效質量大、吸收率高外，還具有結構緊湊，雙波段的像元對準精確，提高了探測器整體性能，也簡化了系統其它部件的設計。

niBin型疊層結構

2017年中國科學院半導體研究所報道了niBin結構的雙色超晶格探測器，器件的能帶圖如圖6所示，包括5個部分，分別為底部接觸層、“紅帶”吸收層，勢壘層、“藍帶”吸收層、頂部接觸層?！八{帶”由500個周期的InAs（4ML）/GaSb （7ML）超晶格構成，“紅帶”由400個周期的InAs（7ML）/GaSb（7ML）超晶格構成。

圖6 niBin結構的雙色超晶格材料能帶圖

該結構的優點是通過插入勢壘層來降低器件的暗電流和提高器件的工作溫度，最終提高探測器的探測率。但增加了器件結構設計和材料外延生長難度，目前還處于單元中/中波雙色器件試驗驗證階段。

銻化物中/中波雙色技術展望

從器件結構上看，銻化物中/中波雙色紅外探測器結構經歷了增加濾光片的方式到疊層結構，疊層結構的中中波的分離由光敏芯片完成，其焦平面陣列結構緊湊，且可得到精確的像元配準，提高了系統的性能，同時也大大簡化了系統其他元件的設計，能夠滿足靈敏度高、響應速度快、結構緊湊的軍事應用需求。從材料設計上看，主要采用InAs/GaSb II類超晶格材料，從PIN結構逐步向在超晶格中插入薄的AlSb或合金層作為新的調整手段。目前典型的二元InAs/GaSb對稱結構仍是最成熟的主流技術。近年來InAs/InAsSb超晶格逐漸受到重視，其波長范圍逐漸從長波擴展到中波。優點是高溫暗電流小，無II類界面生長控制問題，缺點是吸收率不占優勢，有Ⅴ族比例控制問題，因此在雙色器件中還沒有表現出明顯優勢。從工藝加工上看，經歷了濕法腐蝕臺面到干法刻蝕臺面，但對主要影響器件性能的鈍化方法都沒有介紹。但發展趨勢仍然是不斷優化設計和提升工藝水平來減小暗電流和提高器件性能，工藝穩定性和一致性也需要進一步驗證。 綜上所述，目前中/中波雙色銻化物探測器需要在探測器結構設計、銻化物超晶格材料生長、陣列器件制備等方面進行進一步研究。針對中/中波雙色探測需求，綜合匹配濾光片、超晶格材料特性、讀出電路等。進行超晶格材料生長，設計和驗證不同層厚和勢壘結構的器件。開展銻化物超晶格雙色焦平面陣列制備，突破刻蝕技術、鈍化技術和互連技術等。

結語

本文概述了中/中波雙色銻化物紅外探測技術的主要技術路線和技術特點，并簡要回顧了中/中波雙色銻化物紅外探測技術的發展歷史。從中可以看出，與傳統InSb雙色探測器相比，中/中波雙色超晶格紅外器件用于紅外成像探測具有鮮明的特點和優勢。中/中波雙色超晶格紅外探測技術在國內獲得越來越高的重視，不斷接近國際先進水平。但是距實用階段還有相當多的工作要做，目前需要進一步突破中/中雙色焦平面芯片結構設計及材料生長、大規模小像元焦平面芯片制備、中波雙色時分讀出電路設計等關鍵技術，研制出更大陣列規模的中波雙色疊層式超晶格焦平面探測器，提高探測器性能，早日實現中/中波雙色大規模銻化物紅外焦平面探測器的工程化應用。

審核編輯：郭婷