高性能銻化物超晶格中紅外探測(cè)器研究進(jìn)展

中紅外探測(cè)技術(shù)作為一種重要的被動(dòng)探測(cè)手段，在各個(gè)領(lǐng)域都有著非常重要的作用。高性能的制冷型紅外探測(cè)器材料主要包括HgCdTe（MCT）、InSb體材料、Sb化物II類(lèi)超晶格和量子阱探測(cè)器等。Sb化物II類(lèi)超晶格材料同時(shí)具有俄歇復(fù)合率低、電子有效質(zhì)量大、材料均勻性好等特點(diǎn)，InAs/GaSb超晶格是最早研究的II類(lèi)超晶格結(jié)構(gòu)，基于該結(jié)構(gòu)的Sb化物焦平面性能迅速提升，已接近或超過(guò)MCT和InSb探測(cè)器。

其中，以InAs/InAsSb超晶格材料為基礎(chǔ)的無(wú)Ga型Sb化物II類(lèi)超晶格探測(cè)器，由于去除了Ga原子的缺陷，具有更高的少子壽命，有利于提高探測(cè)器性能。此外，使用光子晶體結(jié)構(gòu)，進(jìn)行表面光學(xué)性能調(diào)控，可以提高器件的響應(yīng)度，從而降低材料吸收區(qū)厚度，降低器件暗電流。暗電流的降低和響應(yīng)度的提升，進(jìn)一步優(yōu)化了探測(cè)器的性能，進(jìn)而提高器件工作溫度，進(jìn)一步降低探測(cè)系統(tǒng)的體積、重量和功耗。研究表明：使用光子晶體結(jié)構(gòu)可以在不改變外延材料結(jié)構(gòu)的前提下，提高器件量子效率，實(shí)現(xiàn)響應(yīng)光譜的展寬，在實(shí)際應(yīng)用中具有重要的意義。

據(jù)麥姆斯咨詢(xún)報(bào)道，近期，中國(guó)科學(xué)院大學(xué)半導(dǎo)體研究所牛智川研究員、吳東海研究員課題組在《紅外與激光工程》期刊上發(fā)表了以“高性能銻化物超晶格中紅外探測(cè)器研究進(jìn)展”為主題的綜述文章。通訊作者為吳東海研究員，吳東海研究員主要從事銻化物半導(dǎo)體低維材料和紅外光電器件方面的研究工作。

這項(xiàng)研究綜述和討論了InAs/InAsSb 超晶格探測(cè)器和光子晶體結(jié)構(gòu)探測(cè)器材料生長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要技術(shù)問(wèn)題，詳細(xì)介紹了兩種提高中紅外探測(cè)器性能的方案及國(guó)內(nèi)外的研究進(jìn)展。

各研究機(jī)構(gòu)報(bào)道的無(wú)Ga型II超晶格、HgCdTe、InAs/GaSb二類(lèi)超晶格及其他III-V族紅外探測(cè)器在77K溫度時(shí)的少數(shù)載流子壽命

InAs/GaSb超晶格中存在著嚴(yán)重的SRH復(fù)合，研究發(fā)現(xiàn)，與Ga有關(guān)的本征缺陷在禁帶中心附近引入了缺陷能級(jí)形成的復(fù)合中心是導(dǎo)致SRH機(jī)制主要原因，因此，無(wú)Ga型的InAs/InAsSb超晶格結(jié)構(gòu)被提出。與更成熟的InAs/GaSb II類(lèi)超晶格相比，InAs/InAsSb II類(lèi)超晶格生長(zhǎng)相對(duì)容易。

InAs/InAsSb II類(lèi)超晶格紅外探測(cè)器通常使用nBn型器件結(jié)構(gòu)。但是，在nBn勢(shì)壘結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，為了抑制擴(kuò)散電流，會(huì)有意對(duì)n型接觸層進(jìn)行重?fù)诫s，同時(shí)吸收層保持在低摻雜水平，這將導(dǎo)致吸收層和接觸層之間的費(fèi)米能級(jí)不同，出現(xiàn)一個(gè)空穴壘，導(dǎo)致探測(cè)器光響應(yīng)的偏壓依賴(lài)性，降低探測(cè)器性能。而p+-B-n勢(shì)壘結(jié)構(gòu)，采用AlAsSb/InAsSb超晶格勢(shì)壘，解決了探測(cè)器光響應(yīng)的偏壓依賴(lài)性問(wèn)題。

能帶結(jié)構(gòu)示意圖：(a) InAs/InAs0.45Sb0.55吸收區(qū)能帶結(jié)構(gòu)；(b) AlAs0.45Sb0.55/InAs0.45Sb0.55勢(shì)壘層能帶結(jié)構(gòu)；(c) p+-B-n器件能帶結(jié)構(gòu)示意圖

除了采用能帶調(diào)控方法提高Sb化物紅外探測(cè)器性能之外，光學(xué)調(diào)控也是非常有效的一種方法。光學(xué)調(diào)控通常采用表面微納結(jié)構(gòu)，如光子晶體、陷光結(jié)構(gòu)、表面等離子體增強(qiáng)等，調(diào)控入射光的空間分布。通過(guò)在紅外探測(cè)器表面制備表面微納結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)器件對(duì)紅外光的吸收和響應(yīng)譜變化。

不同的光學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：(a) 金光子晶體結(jié)構(gòu)；(b) 納米天線(xiàn)結(jié)構(gòu)；(c) 沉積型Ge金屬光柵結(jié)構(gòu)

InAs/InAsSb超晶格紅外探測(cè)器研究在短短幾年時(shí)間內(nèi)取得的快速進(jìn)展，充分說(shuō)明了InAs/InAsSb超晶格在實(shí)現(xiàn)高溫工作探測(cè)器方面具有的發(fā)展?jié)摿?，但充分發(fā)揮該材料體系的優(yōu)越性能仍然面臨很大的技術(shù)挑戰(zhàn)，例如：如何進(jìn)一步提高InAs/InAsSb超晶格材料的吸收系數(shù)，如何向短波方向拓展該材料體系的截止波長(zhǎng)以及如何發(fā)展有效可靠的器件鈍化技術(shù)等等。

未來(lái)InAs/InAsSb超晶格紅外探測(cè)器仍具備較大的發(fā)展空間，包括：設(shè)計(jì)勢(shì)壘型探測(cè)器結(jié)構(gòu)，抑制探測(cè)器暗電流，進(jìn)一步提高探測(cè)器工作溫度；通過(guò)在器件表面制備微結(jié)構(gòu)，提高器件的吸收效率；發(fā)展新型表面鈍化技術(shù)，例如ALD沉積Al2O3材料等，抑制探測(cè)器表面漏電流等等。隨著新型器件結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新、材料生長(zhǎng)技術(shù)的優(yōu)化和器件制備工藝的完善，相信Sb化物II類(lèi)超晶格探測(cè)器性能將得到提高和穩(wěn)定，在更多的應(yīng)用領(lǐng)域展現(xiàn)其優(yōu)異的性能。

該項(xiàng)目獲得科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2018YFA0209104，2019YFA070104）的支持。該研究第一作者為中國(guó)科學(xué)院大學(xué)半導(dǎo)體研究所助理研究員郝宏玥，主要從事銻化物半導(dǎo)體紅外光電探測(cè)芯片方面的研究。

審核編輯 ：李倩