综述势垒型InAsInAsSbII类超晶格红外探测器研究进展

　　红外探测技术在卫星侦察、军事制导、天文观测、医疗检测、现代通信等重要领域发挥着关键作用。II类超晶格（T2SLs）红外探测器作为继碲镉汞探测器之后的新一代红外探测材料，在稳定性、可制造性和成本等方面具有独特优势。势垒型InAs/InAsSb T2SLs红外探测器是最具潜力的T2SLs红外探测器之一，近年来其关键性能得到了稳步提高，但仍受吸收系数低、异质外延生长困难和暗电流大等因素的制约。
　　据麦姆斯咨询报道，近日，北京信息科技大学、合肥工业大学、长春理工大学的研究人员组成的团队在《红外与激光工程》期刊上发表了题为＂势垒型InAs/InAsSb II类超晶格红外探测器研究进展＂的综述论文，文中综述了III-V族T2SLs的发展历程，分析了势垒型InAs/InAsSb T2SLs红外探测器的不同势垒结构、关键性能和发展趋势，指出了势垒型InAs/InAsSb T2SLs红外探测器需要解决的关键问题和未来发展方向。
　　II类超晶格
　　超晶格按能带结构分为三种：（1）以GaAs/AlGaAs为代表的I类超晶格，GaAs的禁带完全落入AlGaAs的内部，电子和空穴都被限制在材料GaAs中；（2）以InAs/GaSb为代表的T2SLs，InAs的禁带和GaSb的禁带错开，电子被限制在InAs中，而空穴被限制在GaSb中；（3）以HgTe/CdTe为代表的III类超晶格，其能带结构与I类超晶格类似，但其中一种组成材料为半金属，半金属的厚度对超晶格的能带结构起到了决定性的作用。
　　锑化物T2SLs，通常由窄带系的6.1Å族材料如InAs、GaSb、AlSb、InSb、GaAs和AlAs组成，通过改变周期厚度及材料组分，使得超晶格子带形成的禁带宽度小于组成的材料，吸收波长范围可覆盖短波到甚长波，展现出优异的能带可调节性，在红外探测器及激光器领域有着广泛的应用。目前，InAs/GaSb和InAs/InAsSb T2SLs被广泛认为最具潜力的两种T2SLs材料体系。
　　图1 InAs/InAsSb T2SLs发展路线图
　　势垒型InAs/InAsSb T2SLs红外探测器
　　单极势垒结构能阻挡一种载流子类型（电子或空穴），但允许另一种不受阻碍地流动。单极势垒结构可通过抑制SRH过程降低产生复合（Generation-Recombination，G-R）电流。基本原理是将耗尽层限制在宽带隙势垒材料中，使SRH过程主要发生在宽禁带的势垒区而不是窄禁带的超晶格吸收层中。同时，宽禁带的势垒结构对窄禁带的超晶格吸收层具有钝化作用，有助于进一步减少器件的表面泄漏电流。这种势垒结构很大程度上解决了III-V族半导体红外探测器暗电流过大的问题，其发展历程如图2所示。
　　图2 势垒结构的发展历程
　　nBn结构
　　2006年，S. Maimona等提出了nBn结构，用势垒层代替p–n结的空间电荷区，实验证明该结构能有效地降低暗电流和噪声，提升器件的工作温度，在室温附近具有更高的探测能力。
　　nBn器件及能带结构如图3所示，超晶格吸收层产生光生电子空穴对，势垒层阻挡多数载流子从上电极注入，并允许少数载流子的漂移。
　　图3 nBn器件结构示意图。（a）nBn探测器结构图；（b）nBn结构能带图
　　加州理工学院研究人员创立的美国宇航局喷气推进实验室（Jet Propulsion Laboratory，JPL）和西北大学量子器件研究中心（Center for Quantum Devices，CQD）都对nBn型InAs/InAsSb T2SLs探测器进行了深入研究。JPL探索了nBn探测器在高工作温度下的开启行为，同时也分析了器件在低工作温度下的暗电流特性及载流子输运等问题。2018年，JPL的David Z.Ting等报道了一种基于InAs/InAsSb超晶格的中波高温势垒红外探测器，其采用nBn结构，使用低掺杂的AlAsSb势垒，探测器在150K的温度下，50%截止波长为5.37μm。在4.5μm下的量子效率约为52%，−0.2V反向偏压下的器件暗电流为4.5×10⁻⁵A/cm²。与InAs/GaSb材料相比，势垒型InAs/InAsSb超晶格红外探测器有显著的高工作温度优势，具有很大的潜力。
　　pBn结构
　　基于nBn结构，2010年，Andrew等提出了具有能在零偏置状态下工作的pBn势垒探测器。pBn结构如图4（a）所示，由n型掺杂吸收层，n型掺杂InAs/InAsSb势垒层和p型掺杂接触层组成。在pBn结构中，p-n结位于重掺杂p型材料和低掺杂n型势垒之间的界面处，其能带结构如图4（b）所示。与nBn结构一样，由于耗尽区主要存在于势垒中，pBn结构仍然可以有效减少与SRH中心相关的G-R暗电流，并且不会明显穿透窄带隙n型吸收材料。
　　图4 pBn器件结构示意图。（a）pBn探测器结构图；（b）pBn结构能带图
　　2020年，昆明物理研究所的Deng等人报道了基于InAs/InAsSb T2SLs的pBn FPA器件，实现了50%截止波长为4.8μm，最高工作温度达到185K。在无防反射涂层的情况下，平均量子效率为57.8%。工作偏压为−400mV时，暗电流密度达到5.39×10⁻⁵A/cm²。2022年，西北大学西部能源光子技术国家重点实验室和中国科学院半导体研究所联合报道了使用AlAsSb/InAsSb超晶格势垒结构的pBn中波红外光电探测器，在150K下的截止波长约为5.0µm。在150K和−100mV外加偏压下，光电探测器的暗电流密度为1.2×10⁻⁴A/cm²，峰值响应率(~4.1µm)下的量子效率为29%，比探测率为1.2×10¹¹cm· Hz 1/2  /W。相比于nBn型结构，pBn需要较小的工作电压，有效降低了器件量子效率对偏压的依赖性，在低功耗、高动态响应的红外探测器中有着重要的应用前景。
　　CBIRD结构
　　2009年，David Z.Ting等提出一种p型超晶格吸收层被一对电子和空穴单极势垒包围的长波长InAs/GaSb红外探测器结构，即互补势垒红外探测器（CBIRD）。使用p型InAs/GaSb T2SLs吸收层，InAs/GaSb T2SLs电子势垒和InAs/AlSb T2SLs空穴势垒结构，可有效解决表面漏电流问题并实现器件量子效率的提升，器件结构如图5所示。但对于p型InAs/InAsSb T2SLs吸收层的CBIRD，量子效率的提升具有较大的挑战。
　　图5 p-CBIRD能带结构图
　　2021年，JPL使用CBIRD结构制备势垒型红外探测器，该结构实现了截止波长从10.0~15.3μm的覆盖范围，其中使用渐变n型InAs/InAsSb T2SLs吸收层和p型InAs/InAsSb T2SLs吸收层组合的互补势垒红外探测器结构（pn-CBIRD），其能带结构图如图6所示。在该类器件中，采用空穴扩散长度所允许的厚度构造n型吸收层，然后在其上叠加p型吸收层，实现了较高的量子效率。在60K，50%截止波长13.3µm的pn-CBIRD InAs/InAsSb T2SLs的暗电流为6.6×10⁻⁵A/cm²，最大QE为~53%。13.3µm截止pn-CBI-RD样品在30K温度，比探测率为9.9×10¹⁰cm·Hz 1/2  /W，显示出良好的器件性能。
　　图6 pn-CBIRD能带结构图
　　通过对比使用n型吸收层、p型和n型组合吸收层或p型吸收层的三种互补势垒红外探测器结构，具有p型和n型组合吸收层的pn-CBIRD结构可以实现最小蚀刻深度，实现较小暗电流，三种互补势垒结构拍摄的画面如图7所示。其中n-CBIRD，在77K，0.15V反偏下，截止波长为10.0µm的QE为~25%。而p-CBIRD和pn-CBIRD的QE为~35%，由于使用p型吸收层，p-CBIRD和pn-CBIRD的QE比n-CBIRD要高约10%。
　　图7 JPL CBIRD FPA成像
　　势垒型InAs/InAsSb T2SLs红外探测器关键性能研究进展
　　目前，InAs/InAsSb T2SLs在中波红外探测方面有着十分优秀的表现，高工作温度下的量子效率与MCT探测器相当。在长波方面，与更为成熟的InAs/GaSb T2SLs相比，InAs/InAsSb T2SLs具有更易于生长,更长的少数载流子寿命等优点，但InAs/InAsSb T2SLs需要更长的超晶格周期来实现相同的截止波长。同时，在长波波段，InAs/InAsSb T2SLs在生长方向上空穴迁移率低于InAs/GaSb T2SLs，进一步降低了少子扩散长度。而InAs/InAsSb T2SLs的电子迁移率明显优于空穴迁移率，因此，为了提高量子效率，长波需要采用p型InAs/InAsSb T2SLs作为吸收层，相关性能指标仍处于研发初期。总体来说，目前InAs/InAsSb T2SLs在高温工作中波红外探测器上优势明显，为进一步提升势垒型InAs/InAsSb T2SLs红外探测器性能，研究人员对其暗电流和探测率等关键性能参数进行了详细研究。
　　近年来，中波InAs/InAsSb T2SLs红外探测器的暗电流变化趋势如图8所示，在150~160K的条件下，器件的暗电流已经接近Rule 07。这些具有如此低暗电流密度的势垒型InAs/InAsSb T2SLs将在高温工作的中波红外探测器方面极具竞争潜力。
　　图8 中波InAs/InAsSb T2SLs暗电流变化趋势
　　近年来，报道的中波InAs/InAsSb T2SLs探测率如图9所示。总体上，中波InAs/InAsSb T2SLs探测率在10¹¹~10¹²cm·Hz 1/2  /W，相关的提升机制有待进一步探索。
　　图9 中波InAs/InAsSb T2SLs探测率变化趋势
　　InAs/InAsSb T2SLs红外焦平面发展历程及未来发展方向
　　国外有许多研究InAs/InAsSb T2SLs的机构，其中以美国喷气推进实验室（JPL）和美国西北大学量子器件中心（CQD）两家机构为主。在国内，昆明物理研究所、中国科学院半导体研究所和中国空空导弹研究院等对InAs/InAsSb T2SLs开展了较多研究，但性能指标与欧美国家仍有较大差距。
　　势垒型InAs/InAsSb T2SLs红外探测器能有效抑制暗电流，提升器件的工作温度。目前，中波势垒型InAs/InAsSb FPA的工作温度已经超过InSb探测器工作温度，极大地减少了制冷机的尺寸和重量需求。InAs/InAsSb T2SLs的理论性能可以超越MCT探测器，但尚未被实验报道。现阶段势垒型InAs/InAsSb T2SLs红外探测器主要有以下几点问题及发展方向：
　　势垒型InAs/InAsSb T2SLs红外探测器波长覆盖范围较小，受限于较低的吸收系数及较短的空穴扩散长度，现在报道的势垒型InAs/InAsSb T2SLs红外探测器基本都处于中波波段，仅JPL设计出性能良好的长波、甚长波势垒型InAs/InAsSb T2SLs红外探测器，但器件性能仍与InAs/GaSb T2SLs红外探测器有一定的差距。如何设计出吸收系数高，少子扩散长度大是InAs/InAsSb T2SLs所面临的重大挑战及发展方向。
　　势垒结构设计与外延生长是低暗电流势垒型InAs/InAsSb T2SLs红外探测器面临的重大挑战。结构简单满足高可靠性要求的导带势垒有待进一步研究。
　　势垒型InAs/InAsSb T2SLs红外探测器缺乏高质量钝化技术，尤其对于p型吸收层的势垒型器件，器件的侧壁表面pn结导致暗电流较高。相比于MCT红外探测器，势垒型InAs/InAsSb T2SLs红外探测器的暗电流还未达到可替代水平，研究降低表面漏电流的方法未来的一个重要发展方向。
　　结论
　　红外探测技术在航天航空、导弹制导，生物医疗等多种领域里发挥着重要作用，暗电流、探测率和工作温度等关键参数决定了红外探测器的适用范围。为保证探测精度、探测范围和探测效率，必须采取有效的方法减小器件暗电流，提高探测率和工作温度。势垒型InAs/InAsSb T2SLs由于较长的少子寿命，较大的缺陷态容忍度，较为简单的外延生长过程，是InAs/GaSb T2SLs的有力竞争者。势垒型InAs/InAsSb T2SLs红外探测器由最初的nBn型单极势垒到现在的pn-CBIRD的双极势垒，实现了中波和长波波段的高效探测。目前，在中波波段，InAs/InAsSb T2SLs已经实现了与InAs/GaSb T2SLs相匹敌甚至更优的器件性能。但在长波和甚长波波段仍有较大的发展空间。未来，势垒型InAs/InAsSb T2SLs红外探测器需要解决吸收系数低、载流子扩散长度短、Sb组分偏析、势垒结构生长难度大等问题。
　　论文信息：
　　doi: 10.3788/IRLA20220667