勢壘型InAs/InAsSb T2SLs紅外探測器研究進(jìn)展

紅外探測技術(shù)在衛(wèi)星偵察、軍事制導(dǎo)、天文觀測、醫(yī)療檢測、現(xiàn)代通信等重要領(lǐng)域發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

II類超晶格（T2SLs）紅外探測器作為繼碲鎘汞探測器之后的新一代紅外探測材料，在穩(wěn)定性、可制造性和成本等方面具有獨(dú)特優(yōu)勢。

勢壘型InAs/InAsSb T2SLs紅外探測器是最具潛力的T2SLs紅外探測器之一，近年來其關(guān)鍵性能得到了穩(wěn)步提高，但仍受吸收系數(shù)低、異質(zhì)外延生長困難和暗電流大等因素的制約。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近日，北京信息科技大學(xué)、合肥工業(yè)大學(xué)、長春理工大學(xué)的研究人員組成的團(tuán)隊在《紅外與激光工程》期刊上發(fā)表了題為“勢壘型InAs/InAsSb II類超晶格紅外探測器研究進(jìn)展”的綜述論文，文中綜述了III-V族T2SLs的發(fā)展歷程，分析了勢壘型InAs/InAsSb T2SLs紅外探測器的不同勢壘結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵性能和發(fā)展趨勢，指出了勢壘型InAs/InAsSb T2SLs紅外探測器需要解決的關(guān)鍵問題和未來發(fā)展方向。

II類超晶格

超晶格按能帶結(jié)構(gòu)分為三種：

（1）以GaAs/AlGaAs為代表的I類超晶格，GaAs的禁帶完全落入AlGaAs的內(nèi)部，電子和空穴都被限制在材料GaAs中；

（2）以InAs/GaSb為代表的T2SLs，InAs的禁帶和GaSb的禁帶錯開，電子被限制在InAs中，而空穴被限制在GaSb中；

（3）以HgTe/CdTe為代表的III類超晶格，其能帶結(jié)構(gòu)與I類超晶格類似，但其中一種組成材料為半金屬，半金屬的厚度對超晶格的能帶結(jié)構(gòu)起到了決定性的作用。

銻化物T2SLs，通常由窄帶系的6.1?族材料如InAs、GaSb、AlSb、InSb、GaAs和AlAs組成，通過改變周期厚度及材料組分，使得超晶格子帶形成的禁帶寬度小于組成的材料，吸收波長范圍可覆蓋短波到甚長波，展現(xiàn)出優(yōu)異的能帶可調(diào)節(jié)性，在紅外探測器及激光器領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。目前，InAs/GaSb和InAs/InAsSb T2SLs被廣泛認(rèn)為最具潛力的兩種T2SLs材料體系。

圖1 InAs/InAsSb T2SLs發(fā)展路線圖

勢壘型InAs/InAsSb T2SLs紅外探測器

單極勢壘結(jié)構(gòu)能阻擋一種載流子類型（電子或空穴），但允許另一種不受阻礙地流動。單極勢壘結(jié)構(gòu)可通過抑制SRH過程降低產(chǎn)生復(fù)合（Generation-Recombination，G-R）電流。

基本原理是將耗盡層限制在寬帶隙勢壘材料中，使SRH過程主要發(fā)生在寬禁帶的勢壘區(qū)而不是窄禁帶的超晶格吸收層中。

同時，寬禁帶的勢壘結(jié)構(gòu)對窄禁帶的超晶格吸收層具有鈍化作用，有助于進(jìn)一步減少器件的表面泄漏電流。

這種勢壘結(jié)構(gòu)很大程度上解決了III-V族半導(dǎo)體紅外探測器暗電流過大的問題，其發(fā)展歷程如圖2所示。

圖2 勢壘結(jié)構(gòu)的發(fā)展歷程

nBn結(jié)構(gòu)

2006年，S. Maimona等提出了nBn結(jié)構(gòu)，用勢壘層代替p–n結(jié)的空間電荷區(qū)，實驗證明該結(jié)構(gòu)能有效地降低暗電流和噪聲，提升器件的工作溫度，在室溫附近具有更高的探測能力。

nBn器件及能帶結(jié)構(gòu)如圖3所示，超晶格吸收層產(chǎn)生光生電子空穴對，勢壘層阻擋多數(shù)載流子從上電極注入，并允許少數(shù)載流子的漂移。

圖3 nBn器件結(jié)構(gòu)示意圖。（a）nBn探測器結(jié)構(gòu)圖；（b）nBn結(jié)構(gòu)能帶圖

加州理工學(xué)院研究人員創(chuàng)立的美國宇航局噴氣推進(jìn)實驗室（Jet Propulsion Laboratory，JPL）和西北大學(xué)量子器件研究中心（Center for Quantum Devices，CQD）都對nBn型InAs/InAsSb T2SLs探測器進(jìn)行了深入研究。JPL探索了nBn探測器在高工作溫度下的開啟行為，同時也分析了器件在低工作溫度下的暗電流特性及載流子輸運(yùn)等問題。

2018年，JPL的David Z.Ting等報道了一種基于InAs/InAsSb超晶格的中波高溫勢壘紅外探測器，其采用nBn結(jié)構(gòu)，使用低摻雜的AlAsSb勢壘，探測器在150K的溫度下，50%截止波長為5.37μm。在4.5μm下的量子效率約為52%，?0.2V反向偏壓下的器件暗電流為4.5×10??A/cm2。與InAs/GaSb材料相比，勢壘型InAs/InAsSb超晶格紅外探測器有顯著的高工作溫度優(yōu)勢，具有很大的潛力。

pBn結(jié)構(gòu)

基于nBn結(jié)構(gòu)，2010年，Andrew等提出了具有能在零偏置狀態(tài)下工作的pBn勢壘探測器。pBn結(jié)構(gòu)如圖4（a）所示，由n型摻雜吸收層，n型摻雜InAs/InAsSb勢壘層和p型摻雜接觸層組成。在pBn結(jié)構(gòu)中，p-n結(jié)位于重?fù)诫sp型材料和低摻雜n型勢壘之間的界面處，其能帶結(jié)構(gòu)如圖4（b）所示。與nBn結(jié)構(gòu)一樣，由于耗盡區(qū)主要存在于勢壘中，pBn結(jié)構(gòu)仍然可以有效減少與SRH中心相關(guān)的G-R暗電流，并且不會明顯穿透窄帶隙n型吸收材料。

圖4 pBn器件結(jié)構(gòu)示意圖。（a）pBn探測器結(jié)構(gòu)圖；（b）pBn結(jié)構(gòu)能帶圖

2020年，昆明物理研究所的Deng等人報道了基于InAs/InAsSb T2SLs的pBn FPA器件，實現(xiàn)了50%截止波長為4.8μm，最高工作溫度達(dá)到185K。在無防反射涂層的情況下，平均量子效率為57.8%。工作偏壓為?400mV時，暗電流密度達(dá)到5.39×10??A/cm2。

2022年，西北大學(xué)西部能源光子技術(shù)國家重點(diǎn)實驗室和中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所聯(lián)合報道了使用AlAsSb/InAsSb超晶格勢壘結(jié)構(gòu)的pBn中波紅外光電探測器，在150K下的截止波長約為5.0μm。在150K和?100mV外加偏壓下，光電探測器的暗電流密度為1.2×10??A/cm2，峰值響應(yīng)率(~4.1μm)下的量子效率為29%，比探測率為1.2×1011cm·Hz1/2/W。

相比于nBn型結(jié)構(gòu)，pBn需要較小的工作電壓，有效降低了器件量子效率對偏壓的依賴性，在低功耗、高動態(tài)響應(yīng)的紅外探測器中有著重要的應(yīng)用前景。

CBIRD結(jié)構(gòu)

2009年，David Z.Ting等提出一種p型超晶格吸收層被一對電子和空穴單極勢壘包圍的長波長InAs/GaSb紅外探測器結(jié)構(gòu)，即互補(bǔ)勢壘紅外探測器（CBIRD）。

使用p型InAs/GaSb T2SLs吸收層，InAs/GaSb T2SLs電子勢壘和InAs/AlSb T2SLs空穴勢壘結(jié)構(gòu)，可有效解決表面漏電流問題并實現(xiàn)器件量子效率的提升，器件結(jié)構(gòu)如圖5所示。

但對于p型InAs/InAsSb T2SLs吸收層的CBIRD，量子效率的提升具有較大的挑戰(zhàn)。

圖5 p-CBIRD能帶結(jié)構(gòu)圖

2021年，JPL使用CBIRD結(jié)構(gòu)制備勢壘型紅外探測器，該結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了截止波長從10.0~15.3μm的覆蓋范圍，其中使用漸變n型InAs/InAsSb T2SLs吸收層和p型InAs/InAsSb T2SLs吸收層組合的互補(bǔ)勢壘紅外探測器結(jié)構(gòu)（pn-CBIRD），其能帶結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。

在該類器件中，采用空穴擴(kuò)散長度所允許的厚度構(gòu)造n型吸收層，然后在其上疊加p型吸收層，實現(xiàn)了較高的量子效率。在60K，50%截止波長13.3μm的pn-CBIRD InAs/InAsSb T2SLs的暗電流為6.6×10??A/cm2，最大QE為~53%。13.3μm截止pn-CBI-RD樣品在30K溫度，比探測率為9.9×101?cm·Hz1/2/W，顯示出良好的器件性能。

圖6 pn-CBIRD能帶結(jié)構(gòu)圖

通過對比使用n型吸收層、p型和n型組合吸收層或p型吸收層的三種互補(bǔ)勢壘紅外探測器結(jié)構(gòu)，具有p型和n型組合吸收層的pn-CBIRD結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)最小蝕刻深度，實現(xiàn)較小暗電流，三種互補(bǔ)勢壘結(jié)構(gòu)拍攝的畫面如圖7所示。其中n-CBIRD，在77K，0.15V反偏下，截止波長為10.0μm的QE為~25%。而p-CBIRD和pn-CBIRD的QE為~35%，由于使用p型吸收層，p-CBIRD和pn-CBIRD的QE比n-CBIRD要高約10%。

圖7JPL CBIRD FPA成像

勢壘型InAs/InAsSb T2SLs紅外探測器關(guān)鍵性能研究進(jìn)展 目前，InAs/InAsSb T2SLs在中波紅外探測方面有著十分優(yōu)秀的表現(xiàn)，高工作溫度下的量子效率與MCT探測器相當(dāng)。

在長波方面，與更為成熟的InAs/GaSb T2SLs相比，InAs/InAsSb T2SLs具有更易于生長,更長的少數(shù)載流子壽命等優(yōu)點(diǎn)，但I(xiàn)nAs/InAsSb T2SLs需要更長的超晶格周期來實現(xiàn)相同的截止波長。

同時，在長波波段，InAs/InAsSb T2SLs在生長方向上空穴遷移率低于InAs/GaSb T2SLs，進(jìn)一步降低了少子擴(kuò)散長度。而InAs/InAsSb T2SLs的電子遷移率明顯優(yōu)于空穴遷移率，因此，為了提高量子效率，長波需要采用p型InAs/InAsSb T2SLs作為吸收層，相關(guān)性能指標(biāo)仍處于研發(fā)初期。

總體來說，目前InAs/InAsSb T2SLs在高溫工作中波紅外探測器上優(yōu)勢明顯，為進(jìn)一步提升勢壘型InAs/InAsSb T2SLs紅外探測器性能，研究人員對其暗電流和探測率等關(guān)鍵性能參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)研究。

近年來，中波InAs/InAsSb T2SLs紅外探測器的暗電流變化趨勢如圖8所示，在150~160K的條件下，器件的暗電流已經(jīng)接近Rule 07。這些具有如此低暗電流密度的勢壘型InAs/InAsSb T2SLs將在高溫工作的中波紅外探測器方面極具競爭潛力。

圖8 中波InAs/InAsSb T2SLs暗電流變化趨勢

近年來，報道的中波InAs/InAsSb T2SLs探測率如圖9所示。總體上，中波InAs/InAsSb T2SLs探測率在1011~1012cm·Hz1/2/W，相關(guān)的提升機(jī)制有待進(jìn)一步探索。

圖9 中波InAs/InAsSb T2SLs探測率變化趨勢

InAs/InAsSb T2SLs紅外焦平面發(fā)展歷程及未來發(fā)展方向

國外有許多研究InAs/InAsSb T2SLs的機(jī)構(gòu)，其中以美國噴氣推進(jìn)實驗室（JPL）和美國西北大學(xué)量子器件中心（CQD）兩家機(jī)構(gòu)為主。在國內(nèi)，昆明物理研究所、中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所和中國空空導(dǎo)彈研究院等對InAs/InAsSb T2SLs開展了較多研究，但性能指標(biāo)與歐美國家仍有較大差距。 勢壘型InAs/InAsSb T2SLs紅外探測器能有效抑制暗電流，提升器件的工作溫度。

目前，中波勢壘型InAs/InAsSb FPA的工作溫度已經(jīng)超過InSb探測器工作溫度，極大地減少了制冷機(jī)的尺寸和重量需求。InAs/InAsSb T2SLs的理論性能可以超越MCT探測器，但尚未被實驗報道。

現(xiàn)階段勢壘型InAs/InAsSb T2SLs紅外探測器主要有以下幾點(diǎn)問題及發(fā)展方向： 勢壘型InAs/InAsSb T2SLs紅外探測器波長覆蓋范圍較小，受限于較低的吸收系數(shù)及較短的空穴擴(kuò)散長度，現(xiàn)在報道的勢壘型InAs/InAsSb T2SLs紅外探測器基本都處于中波波段，僅JPL設(shè)計出性能良好的長波、甚長波勢壘型InAs/InAsSb T2SLs紅外探測器，但器件性能仍與InAs/GaSb T2SLs紅外探測器有一定的差距。

如何設(shè)計出吸收系數(shù)高，少子擴(kuò)散長度大是InAs/InAsSb T2SLs所面臨的重大挑戰(zhàn)及發(fā)展方向。 勢壘結(jié)構(gòu)設(shè)計與外延生長是低暗電流勢壘型InAs/InAsSb T2SLs紅外探測器面臨的重大挑戰(zhàn)。結(jié)構(gòu)簡單滿足高可靠性要求的導(dǎo)帶勢壘有待進(jìn)一步研究。

勢壘型InAs/InAsSb T2SLs紅外探測器缺乏高質(zhì)量鈍化技術(shù)，尤其對于p型吸收層的勢壘型器件，器件的側(cè)壁表面pn結(jié)導(dǎo)致暗電流較高。相比于MCT紅外探測器，勢壘型InAs/InAsSb T2SLs紅外探測器的暗電流還未達(dá)到可替代水平，研究降低表面漏電流的方法未來的一個重要發(fā)展方向。

結(jié)論

紅外探測技術(shù)在航天航空、導(dǎo)彈制導(dǎo)，生物醫(yī)療等多種領(lǐng)域里發(fā)揮著重要作用，暗電流、探測率和工作溫度等關(guān)鍵參數(shù)決定了紅外探測器的適用范圍。為保證探測精度、探測范圍和探測效率，必須采取有效的方法減小器件暗電流，提高探測率和工作溫度。

勢壘型InAs/InAsSb T2SLs由于較長的少子壽命，較大的缺陷態(tài)容忍度，較為簡單的外延生長過程，是InAs/GaSb T2SLs的有力競爭者。勢壘型InAs/InAsSb T2SLs紅外探測器由最初的nBn型單極勢壘到現(xiàn)在的pn-CBIRD的雙極勢壘，實現(xiàn)了中波和長波波段的高效探測。

目前，在中波波段，InAs/InAsSb T2SLs已經(jīng)實現(xiàn)了與InAs/GaSb T2SLs相匹敵甚至更優(yōu)的器件性能。但在長波和甚長波波段仍有較大的發(fā)展空間。未來，勢壘型InAs/InAsSb T2SLs紅外探測器需要解決吸收系數(shù)低、載流子擴(kuò)散長度短、Sb組分偏析、勢壘結(jié)構(gòu)生長難度大等問題。

審核編輯：劉清