綜述：銦砷銻（InAsSb）紅外探測器的研究進(jìn)展

InAs1-xSbx屬于III-V族化合物半導(dǎo)體合金材料，隨Sb組分含量的不同，室溫下可覆蓋3~12μm波長，并且InAsSb材料具有載流子壽命長、吸收系數(shù)大、載流子遷移率高等優(yōu)點(diǎn)，是一種具有廣闊應(yīng)用前景的紅外光電材料。探測器可以在150K甚至近室溫下工作，具有較高的靈敏度和探測率，是低功耗、小型化、高靈敏度和快響應(yīng)中長波紅外探測系統(tǒng)的良好選擇，InAsSb中長波紅外探測器受到廣泛的關(guān)注和研究。當(dāng)前對InAsSb紅外探測器的研究主要集中在以下幾個(gè)方面：在二元GaSb或GaAs襯底上延伸響應(yīng)波長；高溫工作紅外探測器；采用勢壘結(jié)構(gòu)、浸沒透鏡、等離子增強(qiáng)技術(shù)提高紅外探測器性能等。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，昆明物理研究所楊文運(yùn)及其團(tuán)隊(duì)在《紅外技術(shù)》期刊上發(fā)表了題為“銦砷銻紅外探測器的研究進(jìn)展”的綜述文章。通訊作者為楊文運(yùn)研高工，主要從事光電材料與器件研究。

本文首先簡要概述了InAsSb材料的基本性質(zhì)。其次，對國內(nèi)外InAsSb紅外探測器發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行了介紹。最后，對InAsSb紅外探測技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行了總結(jié)與展望。

InAsSb 合金性質(zhì)

相比于HgCdTe材料襯底昂貴、大面積組分不均勻，器件需制冷降低俄歇復(fù)合，InAs1-xSbx的In與As及Sb為共價(jià)鍵結(jié)合，材料穩(wěn)定性均勻性更好，外延生長采用GaSb或GaAs襯底材料，制造成本較低，同時(shí)具有超高的電子遷移率以及很小的有效質(zhì)量，介電常數(shù)較低（≈11.5），室溫下自擴(kuò)散系數(shù)低（≈5.2×10?1?cm2/s）。相比于InAs/GaSb超晶格材料，InAsSb材料的肖克萊-里德復(fù)合壽命更長，InAsSb體材料少數(shù)載流子遷移率各向同性，采用InAs/InAsSb II類超晶格，由于不含有Ga元素，非輻射復(fù)合中心減小，載流子壽命長于InAs/GaSb材料。此外，采用勢壘結(jié)構(gòu)器件可顯著降低器件的肖克萊-里德霍爾復(fù)合暗電流和隧穿電流，提升器件工作溫度。

InAsSb 紅外探測器國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國外研究現(xiàn)狀

早期報(bào)道的InAsSb器件結(jié)構(gòu)主要為簡單的pn結(jié)、p-i-n結(jié)構(gòu)，勢壘型器件（nBn、pBnn、nBnn等）通過抑制吸收層的產(chǎn)生-復(fù)合電流有效降低器件暗電流提高器件工作溫度，近十幾年報(bào)道的InAsSb器件多采用勢壘結(jié)構(gòu)，工作在150~300K。

新加坡南洋理工大學(xué)張道華教授研究團(tuán)隊(duì)在p-i-n異質(zhì)結(jié)的基礎(chǔ)上，在p型接觸層和吸收層之間插入重?fù)诫s寬帶隙的AlGaSb電子勢壘層，進(jìn)而抑制器件暗電流，引入AlInAsSb層能顯著改善界面質(zhì)量，提高器件性能，器件結(jié)構(gòu)及能帶結(jié)構(gòu)如圖1所示。室溫下沒有抗反射膜的探測器、-0.5V偏置電壓、3.5μm處的光譜探測率達(dá)8.9×10?cm·Hz1/2/W。

圖1（a）光電探測器截面結(jié)構(gòu)示意圖，右邊的插圖是一個(gè)350μm正方形臺面結(jié)構(gòu)的光學(xué)顯微鏡圖；（b）室溫零偏壓下結(jié)構(gòu)的能帶結(jié)構(gòu)示意圖

2006年，英國羅徹斯特大學(xué)S. Maimon和G. W. Wicks教授首次提出nBn結(jié)構(gòu)器件，即“n型窄帶隙吸收層-寬帶隙勢壘層-n型窄帶隙接觸層”，勢壘層設(shè)置在少數(shù)載流子收集層附近遠(yuǎn)離光學(xué)吸收層，能帶圖如圖2（a）所示，大的導(dǎo)帶偏移ΔEc阻擋多數(shù)載流子空穴流向接觸區(qū)，減小器件暗電流，較小的價(jià)帶偏移ΔEv使光生少數(shù)載流子空穴在低偏壓下流向未受阻的接觸區(qū)形成光電流。此外，導(dǎo)帶中的大能量勢壘起到自鈍化作用能夠抑制表面漏泄電流。如圖2（b）所示，與傳統(tǒng)pn結(jié)器件相比，相同的工作溫度下，nBn器件具有更高的信噪比。

圖2 nBn結(jié)構(gòu)器件：（a）能帶圖；（b）普通（實(shí)線）與nBn器件（虛線）暗電流溫度特性理論曲線

目前，國外從事InAsSb紅外探測器研究的主要有以色列SCD公司、美國噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JetPropulsion Laboratory，JPL）、美國DRS技術(shù)公司和HRL實(shí)驗(yàn)室以及波蘭的Antoni Rogalski課題組等。

2008年以來，以色列SCD公司采用XBn勢壘型器件以抑制器件的暗電流，從而提高器件的工作溫度，器件采用GaSb襯底或GaAs襯底，包括1.5~3μm的n型InAsSb吸收層，0.2~0.35μm的n型AlAsSb勢壘層，0.2~0.5μm的n型InAsSb或p型GaSb接觸層，器件少數(shù)載流子壽命約為700ns，150K下獲得成像清晰的焦平面陣列器件。

美國噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室Alexander Soibel等人制備InAs0.915Sb0.085-AlAs0.1Sb0.9 nBn結(jié)構(gòu)器件，溫度為77~325K時(shí)，器件的量子效率保持不變?yōu)?5%，當(dāng)溫度為150~325K時(shí)，器件暗電流為擴(kuò)散限電流，當(dāng)溫度低于150K時(shí)，產(chǎn)生-復(fù)合電流占支配地位。溫度為77~220K時(shí)器件少數(shù)載流子壽命為300ns，溫度升高器件少數(shù)載流子壽命變短，溫度升高至325K時(shí)，少數(shù)載流子壽命為100ns。300K工作溫度下D*＝1×10?cm·Hz1/2/W，250K工作溫度下D*＝5×10?cm·Hz1/2/W。

美國DRS技術(shù)公司和HRL實(shí)驗(yàn)室報(bào)道了可見光至中波（0.5~5μm）InAsSb高工作溫度、低暗電流大面陣紅外探測器。在GaAs襯底上外延InAsSb材料，采用新型錐體狀吸收層設(shè)計(jì)和AlSb基復(fù)合勢壘層設(shè)計(jì)，降低器件暗電流，探測器D*＞1×101?cm·Hz1/2/W，200K工作溫度下，內(nèi)量子效率＞80%。

美國石溪大學(xué)和陸軍實(shí)驗(yàn)室，在GaSb襯底上MBE外延生長GaInSb和AlInSb緩沖層，消除InAs0.6Sb0.4與GaSb襯底之間的晶格失配，然后生長1μm厚的吸收層，勢壘層采用AlInAsSb四元合金材料，圖3（a）為平衡態(tài)下長波異質(zhì)結(jié)的能帶圖，圖3（b）為偏置電壓下能帶分布，箭頭表示少子空穴輸運(yùn)方向。77K溫度下，光譜探測率2×1011cm·Hz1/2/W（λ=8μm），吸收層InAs0.6Sb0.4的帶隙約為90meV，響應(yīng)波長8~12μm，少數(shù)載流子（空穴）壽命為185ns、擴(kuò)散長度為9μm、遷移率為~103cm2/Vs。

圖3 長波勢壘探測器異質(zhì)結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)示意圖：（a）導(dǎo)帶和價(jià)帶能級；（b）偏置電壓下能帶分布，少子（空穴），箭頭表示少子空穴輸運(yùn)方向

波蘭VIGO公司采用MBE技術(shù)在（100）GaAs襯底上外延In0.74Al0.26Sb緩沖層，實(shí)現(xiàn)InAs0.3Sb0.7體材料生長，在n?接觸層和InAs0.3Sb0.7吸收層之間生長一薄層InAs層，作為空穴勢壘層阻擋空穴從n?接觸層進(jìn)入吸收層。器件結(jié)構(gòu)和能帶示意圖如圖4所示。300K溫度下，器件50%截止波長為14.2μm。

圖4 InAsSb 勢壘型異質(zhì)結(jié)：（a）器件結(jié)構(gòu)；（b）能帶示意圖

目前，InAsSb中波紅外焦平面探測器已出現(xiàn)實(shí)用化商品。最為典型的是以色列SCD公司，2013年，SCD推出第一款nBn中波高溫產(chǎn)品Kinglet，焦平面陣列規(guī)模為640×512，像元中心距為15μm，響應(yīng)波長3.6~4.2μm；2014年，SCD推出第二款nBn中波高溫產(chǎn)品HOTHerclues， 焦平面陣列規(guī)模為1280×1024，像元中心距為15μm，響應(yīng)波長3.4~4.2μm。

國內(nèi)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)對InAsSb光電子探測器的研究與國際先進(jìn)水平存在較大的差距，大部分的研究集中在材料的制備、表征、材料特性分析上，極少數(shù)對制備的探測器性能進(jìn)行了表征分析

2010年，同濟(jì)大學(xué)高玉竹等人采用熔體外延技術(shù)在InAs襯底上獲得了50μm厚層的InAsSb外延層，用該材料制作了光導(dǎo)探測器，在探測器上安裝了鍺（Ge）浸沒透鏡。非制冷條件下，InAs0.06Sb0.94探測器在波長8.0μm及9.0μm處的探測率D*分別為1.3×10?cm·Hz1/2/W 及2.8×10?cm·Hz1/2/W，而在波長6.5μm處，InAs0.06Sb0.94和InAs0.02Sb0.98的峰值探測率D*均大于1.0×10?cm·Hz1/2/W，可應(yīng)用在紅外探測和成像領(lǐng)域。

基于銻化物材料MOCVD生長的基礎(chǔ)，2016年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)寧振動(dòng)博士探索InAs1-xSbx體材料nBn結(jié)構(gòu)中波紅外探測器的制備并對制備的器件進(jìn)行簡單的測試分析。器件設(shè)計(jì)采用與GaSb襯底晶格匹配的InAs0.91Sb0.09作為有源區(qū)，而勢壘材料則選擇InP0.63Sb0.37。器件在77K及300K時(shí)的截止波長分別為4.29μm和5.35μm；在-0.8V偏壓下，77K的黑體歸一化探測率最高為1.2×10?cm·Hz1/2/W。

2019年，中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所張璇等人研究了InAsSb薄膜材料的生長及InAs0.91Sb0.09/AlAs0.08Sb0.92nBn結(jié)構(gòu)中波紅外探測器性能，-0.2V偏壓300K，器件的量子效率為~63.4%，峰值探測率為2.3×10?cm·Hz1/2/W。

2020年，謝浩博士采用液相外延技術(shù)（LPE）制備InAs1-xSbx基pBin器件結(jié)構(gòu)室溫中波紅外探測器，x=0.06和x=0.11兩種Sb組分探測器，室溫下的暗電流密度分別為1.4A/cm2、1.7A/cm2，峰值探測率分別為1.39×10?cm·Hz1/2/W、1.2×10?cm·Hz1/2/W。

2020年，昆明物理研究所鄧功榮等人引入AlAsSb/AlSb復(fù)合勢壘，成功制備XCBn結(jié)構(gòu)的InAsSb 640×512中波紅外焦平面探測器，150K、-0.4V偏置電壓，暗電流密度~3.9×10??A/cm2，探測器峰值探測率為1.06×1012cm·Hz1/2/W，器件結(jié)構(gòu)及熱成像圖如圖5所示。

圖5 XCBn結(jié)構(gòu)器件：（a）器件結(jié)構(gòu)；（b）仿真得到能帶圖；（c）150-205K焦平面器件熱成像圖

總結(jié)與展望

綜上所述，本文簡要概述了InAsSb材料的基本性質(zhì)，表明其是一種具有廣闊應(yīng)用前景的中長波紅外光電探測材料。InAs0.91Sb0.09材料與GaSb襯底和AlAsSb寬帶隙材料晶格完全匹配，國外以nBn結(jié)構(gòu)為代表的中波高溫工作InAs0.91Sb0.09焦平面陣列技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成熟并獲得了廣泛的應(yīng)用；而在國內(nèi)，InAsSb焦平面陣列的研究起步較晚，還未能實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用。未來的工作應(yīng)集中在：一是提升InAsSb外延薄膜材料質(zhì)量優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)，提高器件性能，進(jìn)一步提高器件的工作溫度，實(shí)現(xiàn)TEC制冷，器件規(guī)模向更大焦平面陣列發(fā)展。二是繼續(xù)探索InAsSb、Ga1-yInySb或者Al1-yInySb等高質(zhì)量緩沖層生長方法以消除高Sb組分長波InAs1-xSbx薄膜與GaSb襯底之間的晶格失配，使光譜響應(yīng)范圍向長波范圍拓展。深入研究InAsSb材料及新型結(jié)構(gòu)器件的物理特性，對推進(jìn)InAsSb焦平面探測器的發(fā)展具有重要作用。

審核編輯：湯梓紅