基于銻化物Ⅱ類超晶格InAs/InAsSb的研究進展

新型材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計是提高紅外探測器性能的有效途徑。銻基Ⅱ類超晶格InAs/InAsSb作為紅外光敏材料時結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，且具有低暗電流、高溫工作特性以及優(yōu)越的光電轉(zhuǎn)化效率，是研制高溫工作紅外探測器的理想材料。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，陜西理工大學(xué)機械工程學(xué)院葉偉副教授課題組在《激光與光電子學(xué)進展》期刊上發(fā)表了以“銻基Ⅱ類超晶格InAs/InAsSb紅外探測器的研究進展”為主題的綜述文章。葉偉副教授主要從事新能源材料與器件的研究工作，研究方向為功能材料與器件（光、電子器件）、儲能材料與器件（電池、電容器）、傳感器、固體潤滑、材料表面改性、真空設(shè)備等。

這項研究綜述了基于銻化物Ⅱ類超晶格InAs/InAsSb的研究進展，介紹了現(xiàn)階段應(yīng)用在典型單極勢壘結(jié)構(gòu)中的兩種紅外探測器性能，并對銻化物Ⅱ類超晶格InAs/InAsSb探測器的發(fā)展進行展望。

銻化物InAs/InAsSbⅡ型超晶格（T2SL）的研究進展

在半導(dǎo)體超晶格材料體系中，基于Ⅲ-V族半導(dǎo)體的超晶格材料是人們的研究熱點，其帶隙在0.1~1.7eV之間，可作為紅外波段光電子器件的材料，也可應(yīng)用在工業(yè)檢測、監(jiān)控、測溫、醫(yī)學(xué)以及光電搜索、偵探、氣象衛(wèi)星和氣候監(jiān)測等方面。

InAsSb、InAlSb制備探測器的工藝相對簡單、成本較低，是高溫工作紅外探測器領(lǐng)域的重要材料。InAsSb材料具有Ⅲ-V族半導(dǎo)體中最小的帶隙，但InAs1?xSbx材料的能量并沒有完全控制在中等成分范圍內(nèi)，因此，InAsSb在較低溫度（77K）和8~14μm波長范圍內(nèi)工作時沒有足夠小的帶隙。為了解決上述問題，人們設(shè)計出一種新的Ⅲ-V族InAs/InAsSb T2SL結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)由若干交錯的薄晶體層組成，通過Ⅱ類能帶排列，T2SL的有效能帶比單個材料組成的結(jié)構(gòu)更窄，可以保持晶格匹配或應(yīng)變平衡條件，從而實現(xiàn)窄帶隙目的。在中波紅外（MWIR）和長波紅外（LWIR）探測器中用InAs/InAsSb T2SL作為吸收層時，可使探測器表現(xiàn)出優(yōu)異的工作性能。

圖1 InAs和InAsSb的能帶對齊示意圖：（a）低Sb組分和有序排列的InAs1?xSbx超晶格結(jié)構(gòu)；（b）生長在InAs襯底上的InAs/InAs0. 93Sb0.07結(jié)構(gòu)；（c）兩個躍遷的質(zhì)量降低結(jié)果。

將Ga原子引入InAs層中，可改善材料的吸收效率和光學(xué)性能，形成InGaAs/InAsSb T2SL結(jié)構(gòu)。InGaAs/InAsSb T2SL是一種新型本征吸收窄禁帶半導(dǎo)體材料，生長在晶格匹配的InP或GaSb襯底上，具有靈活的設(shè)計空間，可實現(xiàn)整個紅外波段內(nèi)響應(yīng)光譜的調(diào)節(jié)。此外，研究人員還提出一類新的銻化物，即Ⅱ類四元合金超晶格結(jié)構(gòu)材料，進一步完善了超晶格材料體系。

銻化物InAs/InAsSbT2SL應(yīng)用的典型勢壘結(jié)構(gòu)

InAs/InAsSbT2SL紅外探測器的結(jié)構(gòu)主要有PIN光電二極管和勢壘結(jié)構(gòu)光電探測器。PIN光電二極管主要由P型、無意摻雜I層和N型半導(dǎo)體材料組成。勢壘光電探測器包括NBN結(jié)構(gòu)、PBN結(jié)構(gòu)、p-π-M-n結(jié)構(gòu)、pMp結(jié)構(gòu)等。為了減小器件的暗電流，人們提出了不同類型勢壘結(jié)構(gòu)的探測器。對于Ⅲ-V族半導(dǎo)體化合物，可根據(jù)實際目的設(shè)計出符合需要的材料結(jié)構(gòu)，以抑制擴散、帶間隧穿和復(fù)合電流的產(chǎn)生。

圖2 器件的結(jié)構(gòu)示意圖：（a）NBN結(jié)構(gòu)探測器；（b）理想NBN結(jié)構(gòu)在反偏壓下的能帶圖。

圖3 器件結(jié)構(gòu)示意圖：（a）P+-N-N+結(jié)構(gòu)探測器；（b）PBN結(jié)構(gòu)探測器；（c）雙勢壘PBN結(jié)構(gòu)探測器。

圖4 器件的能帶結(jié)構(gòu)示意圖：（a）PBP結(jié)構(gòu)；（b）CBIRD結(jié)構(gòu)。

銻化物InAs/InAsSb T2SL作為紅外探測器高溫工作下的理想材料，在不同應(yīng)用領(lǐng)域中將會有許多關(guān)鍵的挑戰(zhàn)。近年來，人們對Ⅲ-V族材料外延生長理論和工藝的研究使T2SL技術(shù)有了顯著的進展。此外，InAs/InAsSb超晶格的提出，避免了引入Ga后在禁帶中產(chǎn)生復(fù)合中心，有效提高了少數(shù)載流子壽命，且隨著Ⅱ超晶格技術(shù)及理論的不斷完善，銻化物超晶格紅外波焦平面技術(shù)在可操作性、均勻性、穩(wěn)定性以及可擴展性上的優(yōu)勢將更明顯?；阡R化物Ⅱ類超晶格InAs/InAsSb的雪崩探測器（APD）目前尚處于探索階段，但具有一定的發(fā)展?jié)摿?，該研究對基于銻化物第三代向第四代紅外探測器的發(fā)展具有重要研究意義和實用價值。

該項目獲得了陜西省教育廳專項科學(xué)研究計劃（No.17JK0144, No.18JK0151）和陜西理工大學(xué)人才啟動項目（No.SLGQD2017-19）的支持。

審核編輯 ：李倩