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作者簡介：李輝（1964-），女，北京人，研究員，學士，主要從事精確制導技術情報研究工作。
李輝，王子濱
摘要：研制紅外凝視成像導引頭的一項關鍵技術，是要制造大面積的性能均勻的紅外焦平面陣列。近年來，從能帶工程的觀點出發(fā)，使用以現(xiàn)代薄膜技術制造的多量子阱超晶格材料，采用微電子技術研制的多量子阱紅外焦平面陣列的工作進展很快，備受人們關注。了解有關的發(fā)展背景、基本原理、先進技術和研制實例是十分有益的。
關鍵詞：量子阱；紅外焦平面陣列；紅外成像制導
中圖分類號：TN214文獻標識碼：A文章編號：1009086X（2006）01005605
Development of multiquantum wells infrared focal plane array
LI Hui1，Wang Zibin2
(1The 208th Institute of the Second Research Academy of CASIC, Beijing 100854, China;
2The 25th Institute of the Second Research Academy of CASIC, Beijing 100854, China)
Abstract:A crucial technology for staring IIR seeker is to make IRFPA with large scale and uniform property. Of late years, based on bandgap engineering, developing of MQWIRFPA is rapid and is followed with interest. MQWIRFPA is made of MQW superlattice material by microelectronic technique. And the MQW superlattice material is made by modern thin film technology. It is profitable to know related background of the development, basic principles, advanced technologies and examples of the development.
Key words:Quantum well； Infrared focal plane array (IRFPA)；Infrared imaging guidance
1引言
20世紀80年代末，美國和西歐研制出紅外凝視成像制導導彈，其典型代表有英國和美國聯(lián)合研制的先進近程空對空導彈（ASRAAM）以及美國的響尾蛇AIM-9X空對空導彈等。到90年代以大氣層外輕型射彈（LEAP）的研制為代表，美國的動能攔截彈技術的發(fā)展進入第2代。第2代動能攔截彈技術最重要的特點是實現(xiàn)了動能殺傷飛行器（KKV）關鍵設備小型化，以及在末制導中采用了紅外凝視成像導引頭。20世紀末，美國國防部開始發(fā)展更符合實戰(zhàn)需要的第3代動能攔截彈技術，如戰(zhàn)區(qū)高空區(qū)域防御（THAAD）系統(tǒng)等。這種新一代動能攔截彈技術的特點是要具有自主識別真假目標的能力，需要采用包括雙色紅外凝視成像在內的多波段復合制導和智能化技術。
在紅外凝視成像導引頭中，對目標和背景成像是用紅外探測器面陣充滿物鏡焦平面視場的方法來實現(xiàn)的，就是使紅外探測器單元與系統(tǒng)觀察范圍內的目標和背景上的單元一一對應。也就是說，紅外凝視成像導引頭要使用大面積的特性均勻的紅外焦平面陣列（IRFPA）。目前由硅化鉑、銻化銦和碲鎘汞等材料制造IRFPA的技術已經成熟，同時人們還在尋找各種新材料，研制特性更理想的IRFPA。其中以多量子阱紅外焦平面陣列（MQWIRFPA）格外引人注目。
2多量子阱（MQW）概念及其相關原理和技術21能帶工程與MQW結構［1~3］
晶體管發(fā)明幾十年來，人們通過在半導體中摻入微量雜質的方法研制出各種類型的半導體器件和集成電路，其特性主要是由半導體內的電場分布和載流子分布決定的，也就是由雜質分布決定的，因此這種利用摻雜工藝制造器件的方法也稱為雜質工程。在半導體中摻雜的方法有雜質擴散、雜質離子注入和摻雜外延生長等方法。但該方法是在自然晶體上利用摻雜形成各種器件，只能改變能帶的形狀，不能改變能帶的結構。另外，從決定器件特性的泊松方程和連續(xù)性方程來看，僅僅依靠摻雜方法改變器件特性也是不方便的。所以，利用雜質工程來制造器件時，有很大的局限性。
1970年，美國IBM公司的江崎和朱兆祥首次在GaAs半導體上做出了超晶格結構。此后，半導體超晶格的研制工作得到了迅速的發(fā)展，為半導體器件的研制開辟了一條嶄新的道路。超晶格材料是用現(xiàn)代薄膜生長技術制成的一種新型材料，它是在自然界中從未存在過的一種全新的人工制造的晶體。超晶格是由2種不同成分的半導體材料以薄層的形式交替排列而成，每一薄層的厚度只有1~10 nm，薄層的數目可以達到幾百甚至更多。超晶格實際上是由許許多多半導體異質結連接而成的，只是由于每一薄層厚度非常小，因而這些異質結不再是互相孤立的，從整體上就出現(xiàn)了一些單個異質結所不具備的新的特性。
現(xiàn)代防御技術·探測跟蹤技術李輝，王子濱：多量子阱紅外焦平面陣列研制進展現(xiàn)代防御技術2006年第34卷第1期超晶格中人為的周期性結構使它的能帶結構也出現(xiàn)相應的周期性，表現(xiàn)為禁帶時窄時寬的周期性。于是，可以使用各種超晶格材料，利用它所具有的不同的能帶結構，制造出符合特殊需要的各種新型超晶格器件。也可以說，半導體器件的研制工作從此由雜質工程進入能帶工程這個更廣闊的新天地。
超晶格可以有多種形式的結構。如果窄禁帶材料（它形成勢阱）的寬度很小，可以和電子的德布羅意波長相比，而寬禁帶材料（它形成勢壘）的寬度較大，使兩個相鄰勢阱中的電子波函數不能相互耦合，則這種超晶格稱為多量子阱結構。目前，MQWIRFPA主要采用GaAs/Al GaAs超晶格材料。
22現(xiàn)代薄膜生長技術［1～3］
超晶格材料的薄層厚度基本上是原子間距的數量級，要實現(xiàn)這種具有微觀尺度上的多層結構，并且相鄰薄層之間不允許有不同成分之間的混雜，只有采用現(xiàn)代薄膜生長技術才能實現(xiàn)?，F(xiàn)代薄膜生長技術主要有液相外延（LPE）、金屬有機化學汽相淀積（MOCVD）和分子束外延（MBE）等技術。
液相外延就是讓單晶襯底在飽和溶液或過飽和溶液中生長一層取向和襯底一致的單晶薄層，在結構上它是原來單晶的延續(xù)，但材料組分可以不同。液相外延是一種比較簡單可靠的生長方法，它的優(yōu)點是容易控制和容易避免沾污，但在生長薄層時在技術上有一定難度。即使這樣，用液相外延也做出了層厚為幾十埃的GaAs/Al GaAs超晶格結構。以化學汽相淀積為基礎發(fā)展起來的金屬有機化學汽相淀積技術，用金屬有機物三甲基鎵和三甲基鋁作為Ⅲ族元素Ga和Al的源，氫化砷作為Ⅴ族元素As的源，做出了層厚為幾十埃的GaAs/Al GaAs超晶格結構。
分子束外延是后來發(fā)展起來的一種最先進的外延生長技術，它是在超高真空系統(tǒng)中把源的原子束直接射向襯底，在襯底上凝結生長外延層。它的生長率很慢，生長溫度很低，它可以在原子的尺度上控制外延層的厚度和摻雜。用分子束外延技術可以生長出厚度僅為1~2個原子層，均勻性很好的超晶格結構。由于外延層的化學成分和摻雜劑的濃度都可以方便地由源成分的配比加以控制，使用分子束外延能夠制造出各種不同結構的超晶格材料。
23MQW探測元特性［1～3］
在用GaAs/Al GaAs超晶格材料做成的MQWIRFPA中，GaAs是量子阱，Al GaAs是勢壘。在GaAs量子阱中形成分立的子能級。MQWIRFPA受到紅外輻射的時候，量子阱中的電子從子能級受到激發(fā)并在電場作用下形成光電流的微觀過程很復雜，這需要用量子力學來描述。但是，從宏觀上來說，我們可以用輸出信號電流和噪聲電流來描述MQW探測元特性。通過簡單推導可以得到：
信號電流S=eφηG,
噪聲電流In＝4eIG1－1〖〗2NWG,
式中：e是電子電荷；φ是入射光子數；η是量子效率，是入射光波長的函數；G是光電導增益；I是通過探測元的直流電流，NW是探測元中量子阱數目。
對于實際情況，信噪比S〖〗In≈η〖〗2eG〖〗I對于NW=40和G=0.25的典型情況，用此近似式計算信噪比帶來的誤差約為5%。I中包括光電流和漏電流。在工作溫度比較低和比較大的情況下，光電流占優(yōu)勢，在這種情況下：S〖〗In≈η〖〗2 由此可見，這個時候量子效率η是唯一重要的參數。
24紅外入射耦合方式［1，2，4］
從前面的分析可以知道，要想提高MQWIRFPA的信噪比，就要提高量子效率η，而η與紅外入射光的方向有關。MQW紅外探測器的一個重要特點，是它的光吸收強度正比于入射光子垂直于量子阱的電場分量。也就是說，垂直于量子阱入射的光子，由于它們的電場完全處于量子阱平面內，它們不會被吸收。雖然由于有二級效應發(fā)生，可能會出現(xiàn)弱吸收。一種解決辦法是想方設法讓紅外入射光與量子阱成45°角，例如讓紅外光入射面與量子阱平面成45°角。由于入射面是一個拋光面，實驗表明紅外入射耦合不夠均勻。另外一種解決辦法是采用衍射柵。
為了把垂直入射的光子的方向改變?yōu)橛欣谖盏慕嵌?，可以在探測器另一端制造一個衍射柵。衍射柵有金屬衍射柵和介質衍射柵兩種。金屬衍射柵的制造，是先在量子阱材料表面蒸發(fā)上一層金屬薄膜，然后采用光刻技術刻蝕出衍射柵。介質柵的制造，是采用光刻技術在量子阱材料表面上直接刻蝕出衍射柵。衍射柵的結構有線性柵、二維柵、隨機柵等各種形式。
3MQWIRFPA研制實例
美國陸軍研究實驗室的W.A.Beck等人［3］就曾經用GaAs/Al GaAs超晶格材料研制出較大陣列規(guī)模的256×256 MQWIRFPA和截止波長為149 μm的128×128 MQWIRFPA，表1和表2分別給出它們的一些重要參數。
表1256×256 MQWIRFPA相關參數
Table 1Properties of 256×256 MQWIRFPA
參數名稱〖〗參數值陣列規(guī)?！肌?56×256像元間距〖〗38 μm×38 μm像元尺寸〖〗28 μm×28 μm光學耦合〖〗隨機柵峰值波長〖〗8.5 μm截止波長（50%）〖〗8.9 μm非均勻性〖〗0.05%量子效率〖〗6.9%探測率D*（70 K）〖〗2.3×1011 cm·Hz1/2·W-1噪聲等效溫差NEDT（70 K）〖〗40 mK
表2128×128 MQWIRFPA相關參數
Table 2Properties of 128×128 MQWIRFPA
參數名稱〖〗參數值陣列規(guī)?！肌?28×128像元間距〖〗50 μm×50 μm像元尺寸〖〗38 μm×38 μm光學耦合〖〗隨機柵峰值波長〖〗14.2 μm截止波長（50%）〖〗14.9 μm非均勻性〖〗0.2%量子效率〖〗3%探測率D*（55 K）〖〗1.6×1010 cm·Hz1/2·W-1噪聲等效溫差NEDT（55 K）〖〗30 mK美國噴氣推進實驗室的S.D.Gunapala等人［5］用GaAs/Al GaAs超晶格材料能夠做出工作波長從6 μm到25 μm的各種大陣列規(guī)模、特性均勻的MQWIRFPA。例如他們研制的10~16 μm寬帶640×512 GaAs/Al GaAS MQWIRFPA，像元間距為25 μm，像元實際尺寸為23 μm×23 μm。探測器陣列是由33層GaAs和把它們隔開的Al GaAs層組成，每個Al GaAs層厚度為575。每個GaAs層中包括3個量子阱，每個量子阱的厚度不同，它們響應的峰值波長分別為13，14和15 μm。3個量子阱之間的Al GaAs勢壘厚度為75。在所有的量子阱和陣列兩端的接觸層中都摻入Si，提供導電載流子。探測器陣列上面做有隨機反射器，隨機反射器上覆蓋Au/Ge和Au，用作歐姆接觸和反射面。探測器陣列采用的硅讀出電路是640×512 CMOS多路轉換器，它們之間通過銦柱連接起來，形成混合結構。
圖1，圖2和圖3分別給出經測試得到的這個10~16 μm寬帶640×512 MQWIRFPA的響應率R與波長、探測率D*與溫度和噪聲等效溫度NEDT與溫度之間的曲線圖。此外，測試得到它的量子效率為9.5%。
俄羅斯科學院西伯利亞分院半導體物理研究所［6］用GaAs/ Al GaAs超晶格材料制造MQWIRFPA。像元間距為50 μm，像元實際尺寸為40 μm×40 μm。他們是采用50個周期的GaAs勢阱和Al GaAs勢壘結構，加上衍射柵。陣列兩側是1 μm厚的摻Si的GaAs導電接觸，再加上用Ge/Au/Ni/Au做成的歐姆接觸。探測器陣列采用的硅讀出電
注：響應峰值為13.5 μm，截止波長為15.4 μm。
圖1在溫度為55 K時的響應率曲線
Fig.1Responsivity spectrum at temperature 55 K
圖2在偏壓為-2.5 V時的探測率曲線
Fig.2Detectivity as a function of temperature
at bias voltage -2.5 V
圖3在偏壓為-2.5 V時的噪聲等效溫差曲線
Fig.3Noise equivalent temperature difference as a function of temperature at bias voltage -2.5 V
路是CMOS/CCD多路轉換器，它們之間也是通過銦柱連接起來，形成混合結構。俄羅斯研制的這個128×128 MQWIRFPA的工作溫度范圍為45~65 K。在工作溫度為54 K和65 K時，它的NEDT分別為0.021 K和0.06 K。
4雙色MQWIRFPA研制實例［3，7~9］
在美國陸軍研究實驗室的領導下，美國BAE系統(tǒng)公司在研制雙色MQWIRFPA方面居世界領先水平。該公司是在直徑為762 cm（3英寸）的GaAs襯底上，用MBE技術制造320×240雙色MQWIRFPA。實際結構包括2個MQW區(qū)域，由重摻雜歐姆接觸層把它們分隔開。320×240長波（LW）MQWIRFPA在上層，320×240中波（MW）MQWIRFPA在下層。實際制作時，是在未摻雜的GaAs襯底上依次外延重摻雜Si的GaAs歐姆層作為MWMQWIRFPA的引出線；MWMQWIRFPA，重摻雜Si的GaAs歐姆層作為2個探測器陣列共用引出線；LWMQWIRFPA，重摻雜Si的GaAs歐姆層作為LWMQWIRFPA的引出線。LWMQWIRFPA區(qū)域是20個周期的GaAs/ AlGaAs多量子阱結構。MWMQWIRFPA區(qū)域是20個周期的In GaAs/Al GaAs多量子阱結構，其中In GaAs為勢阱，Al GaAs為勢壘。2個區(qū)域中的GaAs勢阱和In GaAs勢阱都摻Si。用作勢壘的Al GaAs未摻雜，厚度為550~600。
最后是把2個單色探測器與一個640×480 CMOS讀出電路結合在一起構成混合結構。640×480 CMOS讀出電路是由洛克希德·馬丁公司研制的。按照設計，這個雙色MQWIRFPA的MWIR響應峰值位于波長為4.7 μm處，LWIR響應峰值是位于波長為8.6μm處。
圖4給出測量得到的320×240雙色MQWIRFPA的光譜響應曲線。從圖中可見，MWIR響應峰值所處的波長位置比設計預計的波長值要大些。這使得MWIR響應有相當部分處于3~5 μm大氣傳輸窗口之外。下一步，BAE系統(tǒng)公司將采用InP代替GaAs作為襯底，并采取其他有關措施，可以解決這個問題。
雙色MQWIRFPA的LWIR探測器的工作溫度最好不超過65 K，MWIR探測器的工作溫度最好不超過95 K。在工作溫度低于65 K的情況下，2個波段探測器的NEDT值相近，在30和40 mK之間。工作溫度只要不超過95 K，MWIR探測器的NEDT值仍然維持在這個范圍之內。
參考文獻：
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Fig.4Normalized response spectrum for
the dualband MQWIRFPA
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