0 引言

红外波段大致可以分为短波红外（SWIR，1～3 μm）、中波红外（MWIR，3～5 μm）、长波红外（LWIR，8～12 μm）、甚长波红外（VLWIR，＞14 μm）[1]。目前能实现长波红外探测的材料主要包括 HgCdTe（MCT）、量子阱（QWIP）和InAs/GaSb二类超晶格（Type-II）。长波红外探测器在军事和民用方面的重要应用涵盖航天、国防、生物医学、环保等诸多领域[2]。其中对于弹道导弹防御、气象监测等空间红外系统具有关键作用[3]。

漏电断路器在建筑电气设计中时一个必不可少的部分，在漏电断路器的选择时必须加强对额定动作电流的限定。①应严格按照标准来限定漏电断路器的电击能量，以防系统末端出现漏电的安全隐患；②做好漏电断路的保护工作是减少电路损坏减少电气火灾发生的有效对策；③漏电断路器的选择也不能大意，应该遵循既定的原则，并且慎重考虑漏电断路器的合理安装地点，以便发挥漏电保护器的作用；④应该清楚地低压配电系统的实际情况，并且在选择漏电断路器型号的时候也应该考虑多方面做出有效的选择。

机器人学是为塔里木大学本科机械电子工程专业开设的一门专业基础课程，目前教学过程以教学大纲为指引，用传统的教师灌输式教学为学生讲授课程内容，学生课后死记硬背。事实证明，这种教学方法限制了学生的创新潜力，形成思维定式，未能激发出学生的敏锐思维和创新动力，从而影响了学生理解掌握课程的主要知识点，同时对学生的动手操作能力及创新技能培养造成一定的影响[3]。经深入调研分析归纳，教学中发现一些突出问题。

InAs/GaSb II类超晶格红外探测器因其独特的物理特性近年来得到迅速发展而备受人们的关注，其特点是改变超晶格的周期厚度，能量带隙可从0.3 eV调节至0.1 eV以下，相应的红外响应截止波长可在3～30 μm连续可调[4-5]。与 QWIP材料相比，Type-II类超晶格利用“带间跃迁”，能够吸收正入射，量子效率更高；与MCT材料相比，电子有效质量大，可以抑制一部分隧穿电流，从而可以降低暗电流[2]。并且InAs/GaSb超晶格基于III-V族材料生长技术，容易掺杂，没有合金涨落，大面积均匀性好，成本低[6]。在长波红外波段，MCT成本非常昂贵，材料和工艺难度急剧增大[2]，而且理论计算表明，在相同的工作温度下，II类超晶格器件性能在长波波段远远好于MCT（如下图1所示）[7]。因此，InAs/GaSb II类超晶格探测器在长波段具有非常明显的优势。图2是美国天基红外系统， 它覆盖了包含甚长波在内的全部红外波段[8]。

随着分子束外延（MBE）材料生长技术的进步，人们能够研制出高质量的超晶格材料和探测器。2003年，第一个概念性的超晶格焦平面探测器研制成功[9]，2005年德国报道了截止波长为5μm的高性能超晶格焦平面探测器[10]。2006 年，长波红外超晶格焦平面探测器研制成功[11]。2008 年美国西北大学率先研制出M型结构的InAs/GaSb II类超晶格甚长波焦平面红外探测器，该器件在77 K条件下50%截止波长为14.3 μm，量子效率37%，R0A值为 2.1Ω·cm2[12]。目前 II类超晶格红外探测器朝着长波、甚长波、双色、大面阵探测方向发展。

  

图 1 不同温度和波长下，II类超晶格和HgCdTe探测器的理论探测率Fig.1 The predical detectivity of Type-II and P-on-n HgCdTe photodiodes as functions of wavelength and temperature

  

图2 各种地球轨道上的天基红外系统，根据目标温度特征选择红外探测器Fig.2 Space-based infraredsystems in variousearth orbits,where infrared detectors to be selected according to the temperature characteristics of targets

1 实验

理论研究表明，改变InAs、GaSb的厚度，以及InAs/GaSb的组成成分，可以改变材料的能带结构，从而获得3～30μm 内任意波长的探测。基于II类超晶格能带的可调节性，通过减小禁带宽度，实现长波、甚长波探测。M型超晶格势垒结构是抑制器件暗电流的主要技术手段，本文中的长波器件采用PπMN结构，即在GaSb势垒层中插入AlSb来调节材料的禁带宽度，“M”型结构置于吸收层和 n型接触层之间，以抑制长波探测器的隧穿电流。器件具体结构如图3所示[13-14]。

  

图3 长波器件结构示意图Fig.3 Schematic diagram of the LWIR structure

本文中焦平面探测器为 320×256的阵列结构，像元中心距为30 μm×30 μm，并附带有不同面积的测试器件结构。芯片的制备主要包括微台面成型、器件表面钝化、金属化、高密度铟柱制备、高精度倒装焊以及衬底去除等工艺。台面成型采用干法加湿法腐蚀工艺，目的是减少干法刻蚀中等离子体带来的电学损伤，表面光滑、低损伤的台面刻蚀侧壁如图4所示。阳极硫化和ZnS物理钝化的方法有机结合，在降低暗电流的同时增加了器件的稳定性。探测器的单一光敏元和公共电极结构如图5所示，图6为封装后的红外焦平面芯片示意图。

对焦平面阵列附带的测试器件进行了77K下的电流-电压（I-V）和黑体响应测试。单个光敏元的I-V测试结果如图7和表1所示。从中可以看出，器件在反偏－0.05 V时暗电流密度为1.03×10-2A/cm2，零偏下的结阻抗为 2.4 Ω·cm2，最大动态电阻为114 Ω·cm2，达到了 文献上报道的水平[12,16]。

  

图4 超晶格台面刻蚀示意图Fig.4 Images of mesa sidewalls after etching for superlattic

2 器件特性测试分析

2.1 线列测试结果

三是德育教育要实现灌输启发与实践育人相结合。我们应坚持实践育人的基本途径，努力做到课堂内外相结合、学校内外相结合，学习实践相结合，为每一名寄宿生布置月假期间的道德作业和劳动作业，引导学生在道德和劳动实践中实现学校德育教育的拓展和深化。再者我们要善于开发德育的生活化教育资源，创造条件让学生走进军营，真真切切地体会内务军事化、规范化管理的魅力，同时这也是对学生进行爱国主义和国防教育的生动实践。

  

图5 超晶格光敏元器件剖面示意图Fig.5 Cross section schematic of InAs/GaSb superlattice

  

图 6320×256红外焦平面阵列与Si读出电路之间的倒焊互联技术示意图：(a)台面型二极管的In柱SEM照片，(b)In柱互联技术[15]，(c)Si读出电路的In柱形貌，(d)封装后的320×256阵列芯片Fig.6 HybridIR focal planearray(FPA)for 320×256with independently optimized signal detection and readout:(a)SEM photo shows mesa photodiodes array with indium bumps;(b)indium bump technique;(c)indium bumpfor thesilicon readout chip;(d)integrated IR arrays of 320×256format

  

图7 面积为30 μm×30 μm器件的暗电流和动态电阻特性Fig.7 Current-Voltage curve and Resistant-Voltage performance for a 30μm×30 μm pixel at 77 K

 

表1 长波探测器线列器件暗电流动态电阻测试结果Table 1 The linear arrayof Resistant-Voltage and Current-Voltageresult for LWIR device

 

器件的光谱响应由傅里叶红外光谱仪（FT-IR）在77K温度下测试得到，结合器件的黑体响应，可以计算得到器件的电流响应谱，如图8所示。图中可以看出器件的峰值响应率为2.6A/W，10%截止波长为14μm，通过测得的响应光谱和黑体电流响应率，计算得到器件的峰值量子效率为35%。

  

图 8PπMN结构的探测器响应光谱和量子效率Fig.8 The response spectra and quantum efficiency of PπMN structure

2.2 面阵成像

采用红外焦平面测试系统，完成了320×256长波红外焦平面探测器的测试和演示成像，表2、表3为焦平面探测器的性能，器件的峰值探测率为1×1010 cmHz1/2W－1，70 K下噪声等效温差（NETD）为50.8 mK。对于 P-π-M-n结构的器件，从表3可以看出，随着焦平面温度降低，暗电流变小，响应增大，噪声变小，噪声等效温差（NETD）减小，焦平面温度从70K降至60K时，器件性能有明显提高，响应信号由0.21V增加至0.25V，噪声由0.71 mV减小为0.46 mV，NETD由50.8 mK减小为24.3 mK。主要是“M”型结构能消除俄歇复合过程中电子空穴对的分裂，同时，AlSb的加入，阻止了毗连InAs势阱中电子的相互作用，降低了隧穿的几率，很好的抑制了产生复合电流和隧 穿电流[13-14,17]；温 度从60 K到53 K时器件性能变化不大，可能是由于占主导的隧穿电流所至。图9为红外焦平面探测器在焦温70 K时的成像演示。图9(a)为人面像，图 9(b)为手握经过液氮浸泡的金属杯所成的像，成像结果显示该红外焦平面探测器具有优良的光电性能。

 

表2 320×256长波红外焦平面探测器的性能Table 2 Performance of the 320×256 format for LWIR at 70K

 

 

表3 320×256 长波红外焦平面探测器不同焦温下测试结果Table 3 The characteration obtained from video frames with 320×256 of 30 μm pixels at different FPA temperature

 

  

图9 焦温70 K时焦平面所成的像Fig.9 Infrared images obtained using a LWIR type-II FPA at 70 K

3 结论

基于分子束外延材料技术和微台面阵列工艺技术，制备了320×256面阵规模的InAs/GaSb II类超晶格长波红外焦平面探测器。通过电感耦合等离子体技术，化学湿法腐蚀的方法，电子束蒸发等技术，得到了光敏元尺寸为30 μm×30 μm的焦平面阵列。通过对器件的测试，探测器10%截止波长为14 μm。器件的峰值响应率为 2.6 A/W，平均峰值探测率 Dλ*为1×1010 cmHz1/2W－1，器件的峰值量子效率为 35%。采用红外焦平面测试系统对研制的 320×256超晶格长波红外焦平面探测器进行了测试分析，并成功进行了实验室演示成像，为今后发展大规模、多色、高性能的超晶格焦平面探测器奠定了基础。

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