InAs/GaSb Ⅱ類(lèi)超晶格長(zhǎng)波紅外探測(cè)器研究進(jìn)展

隨著材料技術(shù)的發(fā)展，InAs/GaSbⅡ類(lèi)超晶格（T2SLs）的優(yōu)越性日益凸顯，特別適用于中長(zhǎng)波紅外（MLWIR）和甚長(zhǎng)波紅外（VLWIR）探測(cè)?；贗nAs/GaSb T2SLs的光電探測(cè)器因具有俄歇復(fù)合速率較低、載流子壽命相對(duì)較長(zhǎng)、以及吸收系數(shù)大等特點(diǎn)，在氣象監(jiān)測(cè)、資源勘探、醫(yī)療診斷、農(nóng)業(yè)等傳感應(yīng)用中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。尤其是大尺寸紅外焦平面陣列（FPA）具有更大的視場(chǎng)、更高的角度分辨率，適合于現(xiàn)場(chǎng)跟蹤和監(jiān)視應(yīng)用，一直倍受人們關(guān)注。

據(jù)麥姆斯咨詢(xún)報(bào)道，近期，昆明理工大學(xué)理學(xué)院和云南大學(xué)物理與天文學(xué)院的科研團(tuán)隊(duì)在《紅外技術(shù)》期刊上發(fā)表了以“InAs/GaSb Ⅱ類(lèi)超晶格長(zhǎng)波紅外探測(cè)器研究進(jìn)展”為主題的文章。該文章第一作者為昆明理工大學(xué)田亞芳實(shí)驗(yàn)師，通訊作者為云南大學(xué)史衍麗研究員。

本文在深入調(diào)研InAs/GaSb T2SLs長(zhǎng)波紅外探測(cè)器結(jié)構(gòu)的發(fā)展基礎(chǔ)上，系統(tǒng)報(bào)道了以GaSb為襯底和以InAs為襯底探測(cè)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究進(jìn)展，從暗電流密度、量子效率（QE）、響應(yīng)波長(zhǎng)等器件性能角度方面對(duì)比分析了各種結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)。

基于GaSb的T2SLs探測(cè)器

以GaSb為襯底的長(zhǎng)波紅外探測(cè)器結(jié)構(gòu)有PIN、PBIBN、NBN以及PBN型等，其吸收區(qū)材料有InAs/GaSb SLs，也有InAs/InAsSb SLs。

圖1給出了在GaSb襯底上生長(zhǎng)的PIN結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)依次包含1 μm的N型InAsSb層、50個(gè)周期的Si摻雜的13ML InAs/7ML GaSb SLs、無(wú)摻雜的2.5 mm的13ML InAs/7ML GaSbSLs吸收區(qū)、50周期的Be摻雜的13ML InAs/7ML GaSb SLs和50 nm的Be摻雜GaSb層。頂部Be摻雜的P-GaSb和底部Si摻雜的N-InAsSb用作電接觸層。

圖1 基于GaSb的PIN結(jié)構(gòu)器件示意圖

經(jīng)K?P模型計(jì)算，在77 K溫度時(shí)，-50 mV的反向偏壓下，該器件的暗電流密度為4.3×10?? A/cm2。研究表明，低偏壓下器件的暗電流主要因產(chǎn)生-復(fù)合過(guò)程而形成，高偏壓下主要由隧穿電流構(gòu)成。在77 K下50%截止波長(zhǎng)只有8 μm，且量子效率低于15%。這是因?yàn)樵摻Y(jié)構(gòu)中載流子壽命很短（約1.5 ns），光生載流子的擴(kuò)散長(zhǎng)度也較短。

產(chǎn)生-復(fù)合和隧穿暗電流與帶隙相關(guān)，可以通過(guò)將較寬的帶隙材料插入空間電荷區(qū)來(lái)有效地抑制它們。特別對(duì)于InAs/GaSb SLs材料，可以利用InAs/GaSb/AlSb等異質(zhì)結(jié)構(gòu)能帶工程設(shè)計(jì)不同的勢(shì)壘結(jié)構(gòu)，在有效抑制T2SLs中暗電流的基礎(chǔ)上提高量子效率?；赥2SLs本征材料的帶電性能和補(bǔ)償摻雜，Chen Jianxin團(tuán)隊(duì)通過(guò)MBE生長(zhǎng)技術(shù)，引入電子勢(shì)壘層和空穴勢(shì)壘層，設(shè)計(jì)出具有雙勢(shì)壘結(jié)構(gòu)PB?IB?N光電探測(cè)器，其結(jié)構(gòu)如圖2(a)所示。

圖2 基于GaSb的PB?IB?N結(jié)構(gòu)的器件示意圖及其能帶結(jié)構(gòu)圖

在GaSb襯底上生長(zhǎng)1.5 μm厚的Si摻雜的N型InAs0.91Sb0.09刻蝕停止層；然后是80周期的N型摻雜的16ML InAs/4ML AlSb SLs空穴勢(shì)壘區(qū)B?，緊跟著是300周期輕P型摻雜的15ML InAs/7ML GaSb SLs吸收區(qū)，和60周期的P型摻雜的7ML InAs/7ML GaSb SLs電子勢(shì)壘區(qū)B?；最后是Be摻雜的25周期的15ML InAs/7ML GaSb SLs作為能帶接觸緩沖層，和0.05 μm厚的Be摻雜GaSb作為頂部接觸層。

圖2(b)為雙勢(shì)壘PB?IB?N探測(cè)器結(jié)構(gòu)的全能帶結(jié)構(gòu)圖。從K?P模型計(jì)算得到，InAs/AlSb空穴勢(shì)壘層的能帶隙為459 meV，與吸收層的導(dǎo)帶偏移為零，即相對(duì)于吸收層的價(jià)帶偏移約為356 meV。

經(jīng)測(cè)試該P(yáng)B?IB?N結(jié)構(gòu)的探測(cè)器在80 K下的100%截止波長(zhǎng)為12.5 μm，這是覆蓋長(zhǎng)波紅外大氣窗口的技術(shù)重要波長(zhǎng)。雖然暗電流密度在80 K、-50 mV的反向偏壓下為1.1×10?3 A/cm2，動(dòng)態(tài)微分電阻面積乘積（RA）為14.5 Ωcm2，但是其量子效率提高到了30%，且比探測(cè)率D*為1.4×1011 m·Hz1/2·W?1。

除了InAs/GaSb T2SLs外，InAs/InAs???Sb? T2SLs已被證明比InAs/GaSb具有更長(zhǎng)的載流子壽命，并已被提出作為紅外光電探測(cè)器的替代方案。與InAs（a＝6.0584?）和GaSb（a＝6.0959?）相比，InAs和InAs???Sb?（InAs0.45Sb0.55的晶格常數(shù)a＝6.3250?）化合物不是緊密晶格匹配的，其組成層厚度的改變必須仔細(xì)考慮InAs???Sb?層，在需要大量Sb的LWIR和VLWIR體系中尤其如此。因此，設(shè)計(jì)器件結(jié)構(gòu)時(shí)，在保障探測(cè)器有較高的吸收系數(shù)基礎(chǔ)上，必須提供良好的應(yīng)變平衡，以確保高質(zhì)量的材料具有較長(zhǎng)的少子擴(kuò)散長(zhǎng)度，從而實(shí)現(xiàn)高量子效率；此外，還需設(shè)計(jì)一個(gè)高度可控的勢(shì)壘，有效阻擋導(dǎo)帶中的大多數(shù)電子的同時(shí)，確保價(jià)帶中少數(shù)空穴的自由移動(dòng)。為解決上述問(wèn)題，可以在超晶格中加入含Sb組分較大的（x＞0.5）的InAs???Sb?合金，同時(shí)降低InAs厚度，并通過(guò)模擬計(jì)算精確控制應(yīng)變平衡，這可以增加電子空穴波函數(shù)的交疊，從而得到較大的吸收系數(shù)；另外，為了在導(dǎo)帶中產(chǎn)生勢(shì)壘，在InAs中間插入一層薄薄的AlAs，由于AlAs（a＝5.6622?）與InAs（a＝6.0584?）材料之間有6.5%的晶格失配，只能使用一個(gè)或兩個(gè)單層組成的薄層。

基于上述分析，在抑制暗電流的基礎(chǔ)上提高量子效率和探測(cè)率，對(duì)于GaSb為襯底的探測(cè)器，USA西北大學(xué)提出了吸收區(qū)為InAs/InAs???Sbx材料的NBN（PBN）結(jié)構(gòu)的探測(cè)器。在Te摻雜的N型GaSb晶圓上以MBE方式生長(zhǎng)0.1 μm的GaSb緩沖層和0.5 μm N摻雜InAs0.91Sb0.09緩沖層，以使表面光滑；然后是0.5 μm的N+接觸層；接著是6 μm的輕摻雜N型吸收區(qū)，其材料由每周期28ML InAs/7ML InAs0.45Sb0.55的SLs組成，再是0.5 μm勢(shì)壘層，其材料由每周期6/2/6/7ML的InAs/AlAs/InAs/InAs0.45Sb0.55 SLs組成；最后是0.5 μm的N接觸層。N接觸超晶格的設(shè)計(jì)類(lèi)似于吸收區(qū)SLs的設(shè)計(jì)，采用Si作為N型摻雜劑。該NBN結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 基于GaSb的NBN結(jié)構(gòu)器件示意圖

圖4為該NBN結(jié)構(gòu)探測(cè)器的能帶結(jié)構(gòu)及工作原理示意圖。從圖(a)中可以看出InAs/AlAs/InAs/InAs0.45Sb0.55 SLs勢(shì)壘阻止了大多數(shù)電子的輸運(yùn)，同時(shí)允許少數(shù)空穴和光生載流子從左邊的有源區(qū)域擴(kuò)散。即在具有勢(shì)壘層的超晶格中，產(chǎn)生了能帶對(duì)齊和有效帶隙。圖(b)中的彩色矩形表示材料的禁帶寬度。

圖4 具有NBN結(jié)構(gòu)的探測(cè)器工作原理及能帶結(jié)構(gòu)示意圖：(a) NBN結(jié)構(gòu)的探測(cè)器工作原理示意圖；(b) NBN結(jié)構(gòu)的探測(cè)器能帶結(jié)構(gòu)及有效帶隙圖

經(jīng)測(cè)試，該NBN結(jié)構(gòu)的探測(cè)器在77 K時(shí)具有10 μm的50%截止波長(zhǎng)，且其暗電流密度在77 K和-90 mV偏置電壓下為4.4×10?? A/cm2，而-90 mV是器件量子效率飽和的偏置電壓。動(dòng)態(tài)微分電阻面積乘積RA在-90 mV偏置時(shí)達(dá)到其局部最大值119 Ωcm2。在正面光照和沒(méi)有應(yīng)用任何抗反射（anti-reflection）涂層的情況下，該探測(cè)器在77 K時(shí)的飽和量子效率高達(dá)54%，這證實(shí)了材料的高質(zhì)量，同時(shí)表明量子效率仍隨著器件厚度的增加而增加，此時(shí)不受少子擴(kuò)散長(zhǎng)度的限制。另外，該探測(cè)器的探測(cè)率為2.8×1011 cm·Hz1/2·W?1，且在-70~-90 mV時(shí)保持相對(duì)穩(wěn)定。很顯然，該NBN結(jié)構(gòu)探測(cè)器的綜合性能明顯高于之前所述的InAs/GaSb SLs探測(cè)器，這使得其成為L(zhǎng)WIR紅外成像應(yīng)用的理想選擇。

基于InAs的T2SLs探測(cè)器

盡管取得諸多進(jìn)展，InAs/GaSb T2SLs光電探測(cè)器仍然存在少數(shù)載流子壽命短的問(wèn)題。研究表明，T2SLs結(jié)構(gòu)中少數(shù)載流子壽命短主要是由Shockley-Read-Hall（SRH）復(fù)合引起的，而SRH復(fù)合又是由材料缺陷引起的。因此，對(duì)于器件應(yīng)用而言非常迫切需要生長(zhǎng)具有高晶體完美度的低缺陷超晶格材料。傳統(tǒng)的InAs/GaSb超晶格大多生長(zhǎng)在GaSb襯底上，由于InAs在GaSb襯底上受到拉伸應(yīng)變，通常在InAs/GaSb界面上插入InSb單分子層來(lái)平衡應(yīng)變。此外，基于GaSb的InAs/GaSb SLs的典型生長(zhǎng)溫度約為400℃，如此低的生長(zhǎng)溫度是缺陷密度高和少數(shù)載流子壽命短的主要原因。

為了獲得高質(zhì)量的T2SLs材料并提高SRH壽命，開(kāi)始了基于InAs襯底的InAs/GaAsSb SLs探測(cè)器的研究。通過(guò)在InAs襯底上生長(zhǎng)T2SLs材料，不需要刻意的界面設(shè)計(jì)來(lái)平衡層之間的應(yīng)變，這更容易生長(zhǎng)高質(zhì)量的材料，且能夠顯著提高T2SLs材料的生長(zhǎng)溫度（約480℃）。較高的生長(zhǎng)溫度有利于促進(jìn)二維外延，提高晶體質(zhì)量，還可以有效降低SRH復(fù)合概率，提高少數(shù)載流子壽命。同時(shí)，InAs層厚度主要決定了T2SLs探測(cè)器的截止波長(zhǎng)，通過(guò)在InAs襯底上生長(zhǎng)SLs，在每個(gè)周期內(nèi)增加InAs層厚度以擴(kuò)大截止波長(zhǎng)將非常簡(jiǎn)單。因此，基于InAs的InAs/GaAsSb SLs可以作為長(zhǎng)波長(zhǎng)和超長(zhǎng)波長(zhǎng)紅外探測(cè)器的另一種材料選擇。

為了進(jìn)行應(yīng)變補(bǔ)償，Chen Jianxin團(tuán)隊(duì)在GaSb層中引入9%的As，得到與InAs襯底晶格匹配的GaAs0.09Sb0.91三元化合物。在480℃溫度下，采用MBE技術(shù)在未摻雜的N型InAs襯底上生長(zhǎng)的T2SLs器件，其結(jié)構(gòu)從下到上依次為：首先是1.0 μm厚的Si摻雜InAs緩沖層，然后是0.5 μm厚的Si摻雜20ML InAs/9ML GaAsSb SLs，接著是2.5 μm厚的非摻雜20MLInAs/9ML GaAsSb SLs吸收區(qū)，最后是0.5 μm厚的Be摻雜20ML InAs/9ML GaAsSb SLs，并在其表面覆蓋50 nm摻Be的GaSb接觸層。該P(yáng)IN結(jié)構(gòu)如圖5(a)所示。

圖5 基于InAs的PIN結(jié)構(gòu)的器件示意圖及其能帶結(jié)構(gòu)圖

應(yīng)用K?P模型計(jì)算InAs/GaAs0.09Sb0.91超晶格的能帶結(jié)構(gòu)如圖 5(b)所示，InAs導(dǎo)帶底部位于GaAs0.09Sb0.91價(jià)帶頂部下方，帶偏移能量為70 meV。因此，InAs/GaAs0.09Sb0.91異質(zhì)結(jié)構(gòu)仍然保持“斷隙”的Ⅱ類(lèi)超晶格能帶結(jié)構(gòu)，這使得我們可以通過(guò)使用與InAs/InAsSb超晶格相比相對(duì)較薄的InAs層來(lái)實(shí)現(xiàn)截止波長(zhǎng)。

經(jīng)測(cè)試，該P(yáng)IN結(jié)構(gòu)器件在80 K時(shí)具有10 μm的50%截止波長(zhǎng)，且其暗電流密度和零偏置電阻面積（R?A）在80 K和-30 mV偏置電壓下分別為4.01×10?? A/cm2、36.9 Ωcm2。很明顯，在相同器件結(jié)構(gòu)、暗電流密度相當(dāng)?shù)那闆r下，基于GaSb的PIN器件的50%截止波長(zhǎng)要比基于InAs的PIN器件的短2 μm?？梢灶A(yù)見(jiàn)，在截止波長(zhǎng)相同且工作溫度也相同的情況下，基于GaSb的PIN器件的暗電流密度要比基于InAs的PIN器件的高許多。其原因在于，基于InAs的器件的載流子壽命（10 ns）比基于GaSb的（1.5 ns）器件高出近7倍，而基于InAs的器件的缺陷密度比基于GaSb的器件低了一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。所以，基于GaSb器件的產(chǎn)生-復(fù)合電流密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于基于InAs器件的GR電流密度，GaSb基器件的高陷阱輔助隧穿電流主要是由于其缺陷密度高于InAs基器件。另外，該器件在80 K時(shí)量子效率為45%左右，探測(cè)率為7.4×101? cm·Hz1/2·W?1。

隨著外延和制造技術(shù)的發(fā)展，在以上的PIN結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)之上，2020年該團(tuán)隊(duì)的Huang Min等人對(duì)以InAs為襯底、器件結(jié)構(gòu)PB?IB?N（PB?ΠB?N）的InAs/GaAsSb長(zhǎng)波紅外探測(cè)展開(kāi)了研究，并研制出了大尺寸（320×256）高性能的FPA。在80 K時(shí)，該探測(cè)器100%截止波長(zhǎng)為9.5 μm，在-0.02 V偏壓下器件顯示出1.7×10?? A/cm2的均勻暗電流和1.5×103 Ωcm2的動(dòng)態(tài)微分電阻面積（RA）。在400 μs積分時(shí)間、300 K背景和F/2.0光學(xué)條件下，F(xiàn)PA的噪聲等效溫差和可操作性分別為20.7 mK和99.2%。該高性能FPA進(jìn)一步驗(yàn)證了基于InAs的InAs/GaAsSb T2SLs在LWIR檢測(cè)中的可行性。

由于GaSb和InAs的材料性質(zhì)，以上這些利用InAs襯底作為N接觸的器件自然采用了P-on-N極性結(jié)構(gòu)。然而為了匹配讀出電路（ROIC）的不同極性，還應(yīng)設(shè)計(jì)基于InAs襯底的N-on-P極性的器件結(jié)構(gòu)。此外，InAs/GaSb T2SLs長(zhǎng)波紅外探測(cè)器器件除了以MBE的方式生長(zhǎng)外，還可以以金屬有機(jī)化學(xué)氣象沉積（MOCVD）的方式生長(zhǎng)，且該方式的生長(zhǎng)溫度高（530℃），有利于生長(zhǎng)高質(zhì)量的器件材料。2020年中科院蘇州納米研究所的Teng Yan等人報(bào)道了利用MOCVD在InAs襯底上生長(zhǎng)InAs/GaSb T2SLs，實(shí)現(xiàn)了具有N-on-P極性的高性能長(zhǎng)波紅外探測(cè)器，以滿(mǎn)足不同外圍電路的需求。在MOCVD生長(zhǎng)的InAs基InAs/GaSb T2SLs探測(cè)器中，鋅（Zn）被作為P型摻雜劑，但由于其高擴(kuò)散率可能會(huì)破壞異質(zhì)結(jié)并降低器件性能（造成高泄漏電流），因此在P型區(qū)域生長(zhǎng)后插入未摻雜的T2SLs間隔層，以防止Zn擴(kuò)散到勢(shì)壘層。

通過(guò)MOCVD生長(zhǎng)在InAs襯底上的具有N-on-P極性的InAs/GaSb器件結(jié)構(gòu)如圖6所示，從下到上依次包含：200 nm厚的P-MWSL接觸層（P＝1×101? cm?3），200 nm厚的未摻雜的MWSL間隔層，200 nm厚的N-MWSL勢(shì)壘層（N＝2×101?cm?3），1.0 μm厚的N-LWSL吸收區(qū)（N＝2×101? cm?3），最后是20 nm厚的高摻雜頂部接觸層（N＝1×101? cm?3）。其中，P-MWSL和N-MWSL由6ML InAs/8ML GaSb SLs組成，截止波長(zhǎng)為4 μm；N-LWSL吸收區(qū)由20ML InAs/8ML GaSb SLs組成，截止波長(zhǎng)為10 μm。

圖6 基于InAs的N-on-P極性結(jié)構(gòu)器件示意圖

經(jīng)測(cè)試，該N-on-P極性的器件在80 K時(shí)100%截止波長(zhǎng)為12 μm，-0.1 V偏壓下，暗電流密度為6.0×10?? A/cm2，探測(cè)率為8.3×101? cm·Hz1/2·W?1?？梢?jiàn)，該器件表現(xiàn)出了與P-on-N器件相當(dāng)?shù)男阅?。但是，其量子效率并不高?4%）。

量子效率和暗電流的改進(jìn)

對(duì)于LWIR光電探測(cè)器來(lái)說(shuō)，量子效率和暗電流是實(shí)現(xiàn)高探測(cè)率的兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。T2SLs光電探測(cè)器電學(xué)性能雖然可以通過(guò)增加勢(shì)壘層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而得到很大的改善，但仍存在吸收系數(shù)有限、反射損失等問(wèn)題，這使得難以實(shí)現(xiàn)高量子效率，同時(shí)還需要盡可能地減小暗電流。為了提高器件性能，除了以上從器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上進(jìn)行優(yōu)化之外，還可以從物理光學(xué)的角度引入微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，同時(shí)從制備工藝方面進(jìn)行優(yōu)化，如刻蝕，以提高器件性能。

為提高器件的量子效率，Zhou Yi等人通過(guò)實(shí)驗(yàn)和模擬計(jì)算的方法，研究一組不同吸收區(qū)厚度的基于InAs襯底的InAs/GaAsSb T2SLs LWIR探測(cè)器時(shí)，觀察到了高量子效率（高于65%）。研究發(fā)現(xiàn)增強(qiáng)的光學(xué)響應(yīng)主要?dú)w因于高N摻雜InAs緩沖層與T2SLs之間的折射率差異，引起多重反射和雙層薄膜干涉，形成諧振腔效應(yīng)，這不僅增加了入射光的傳播路徑，而且在某些波長(zhǎng)處大大降低了表面反射損失，從而導(dǎo)致光在SLs材料中的收集，并有效地增強(qiáng)光吸收。此外，該研究工作通過(guò)調(diào)整InAs緩沖層的摻雜濃度進(jìn)一步降低緩沖層的折射率，成功實(shí)現(xiàn)了一個(gè)高QE（大于65%）的基于InAs的T2SLs LWIR探測(cè)器，該探測(cè)器吸收區(qū)域薄至3.55 μm，且沒(méi)有任何AR涂層。該研究結(jié)果提供了一種簡(jiǎn)單而有效的方法來(lái)提高薄膜光電探測(cè)器的光學(xué)吸收，尤其是對(duì)于吸收系數(shù)低的材料。此基于InAs的InAs/GaAsSb探測(cè)器為如圖7所示的PBIBN結(jié)構(gòu)。

圖7 高摻雜緩沖層的PBIBN結(jié)構(gòu)器件示意圖

在480℃溫度下，以MBE方式在N型InAs襯底上生長(zhǎng)1.2 μm Si摻雜（N＝2×101? cm?3）的InAs緩沖層，然后是35周期Si摻雜（N＝1.5×101? cm?3）的13ML InAs/5ML GaAsSb N型SLs，一個(gè)空穴勢(shì)壘和梯度勢(shì)壘，3.55 μm厚的Be摻雜（N＝2.5×101? cm?3）的22ML InAs/9ML GaAsSb SLs吸收區(qū)，一個(gè)電子勢(shì)壘和20周期Be摻雜（P＝1×101? cm?3）的22ML InAs/9ML GaAsSb P型SLs，最后在其頂部添加一薄的Be摻雜（P＝1×101? cm?3）InAs接觸層。

除了以重?fù)诫s緩沖層的方式在緩沖層與T2SLs之間形成大的折射率差、引起多重反射和雙層薄膜干涉、從而有效地增強(qiáng)光吸收之外，還可以采用物理氣相沉積（PVD）方法在去除襯底之后的緩沖層表面沉積多層薄膜，使探測(cè)器與多層薄膜結(jié)合形成F-P腔共振，通過(guò)入射光與探測(cè)器的耦合激發(fā)共振效應(yīng)，能調(diào)控器件50%的截止波長(zhǎng)；同時(shí)，多層薄膜也會(huì)影響入射光在器件表面的反射，從而提高了器件光譜響應(yīng)。由于硫化鋅（ZnS）和鍺（Ge）或它們的組合對(duì)長(zhǎng)波紅外輻射沒(méi)有吸收或吸收微弱，因此長(zhǎng)波InAs/GaSb T2SLs紅外FPA的設(shè)計(jì)和生長(zhǎng)多采用由ZnS和Ge組成的多層薄膜結(jié)構(gòu)。

SHI Rui等人通過(guò)仿真與實(shí)驗(yàn)的方法建立的多層膜結(jié)構(gòu)的器件模型如圖 8所示。在該模型中，采用完全匹配層（PML）作為分析電磁散射問(wèn)題的吸收邊界條件，且在相鄰像素之間使用周期邊界條件。器件的電極材料為金（Au），本征吸收材料為14ML InAs/7ML GaSb的T2SLs，采用PVD方法在InAsSb緩沖層表面沉積了由ZnS和Ge組成的多層涂層。實(shí)驗(yàn)表明，與沒(méi)有多層薄膜的FPA相比，多層薄膜使其響應(yīng)峰位置從8.7 μm和10.3 μm擴(kuò)展到9.8 μm和11.7 μm，50%響應(yīng)截止波長(zhǎng)從11.6 μm移動(dòng)到12.3 μm，并且在波長(zhǎng)為12 μm處的響應(yīng)強(qiáng)度增加了69%?？梢?jiàn)，優(yōu)化的多層薄膜不僅可以調(diào)控FPA的響應(yīng)波長(zhǎng)，還可以增強(qiáng)光譜響應(yīng)，這種微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為實(shí)現(xiàn)更高靈敏度和更高成像能力的長(zhǎng)波紅外探測(cè)器提供了更好的平臺(tái)。

圖8 多層薄膜結(jié)構(gòu)的器件模型：(a) 3D結(jié)構(gòu)示意圖；(b) 背入射的中心截面圖

InAs/GaSb T2SLs雖然被認(rèn)為是第三代高性能LWIR探測(cè)器FPA的最佳候選材料，但FPA的臺(tái)面型結(jié)構(gòu)使得探測(cè)器表面電流不可忽視，該表面電流是暗電流的重要組成部分。表面電流來(lái)自于探測(cè)器側(cè)壁表面，被認(rèn)為是來(lái)自于臺(tái)面形成過(guò)程中周期性晶體結(jié)構(gòu)的突然終止，導(dǎo)致側(cè)壁表面附近的能帶彎曲，使得多數(shù)載流子積聚或電導(dǎo)率類(lèi)型反轉(zhuǎn)。濕法刻蝕和干法刻蝕均可用于InAs/GaSb超晶格FPA的臺(tái)面形成，而消除壁面游離Sb和GaSb是優(yōu)化刻蝕工藝的關(guān)鍵。研究認(rèn)為，在濕法刻蝕過(guò)程中，游離Sb會(huì)在表面形成，從而在表面產(chǎn)生電流通道；而電感耦合等離子體（ICP）干法刻蝕由于其各向異性，在刻蝕過(guò)程中能去除游離的Sb和GaSb，從而減少暗電流，且提高ICP的溫度有助于刻蝕副產(chǎn)品汽化，防止游離Sb和GaSb在側(cè)壁表面形成。此外，在170℃的ICP刻蝕不僅可以使器件暗電流密度降到1×10?? A/cm，而且還能得到接近垂直的光滑側(cè)壁，這對(duì)于具有小像素間距的大陣列FPA是非常必要的。

綜上所述，基于GaSb與基于InAs的InAs/GaSb T2SLs長(zhǎng)波紅外探測(cè)器，目前基本上有以上5種典型器件結(jié)構(gòu)及相應(yīng)材料參數(shù)。不同的材料和不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)，對(duì)應(yīng)于不同器件性能?；谝陨?種典型器件結(jié)構(gòu)及相應(yīng)材料參數(shù)，整理性能參數(shù)對(duì)比如表 1所示。表中所有性能參數(shù)均是在75~80 K溫度范圍內(nèi)測(cè)得。需要特別說(shuō)明的是，InAs-substrate的PB?IB?N結(jié)構(gòu)的探測(cè)器暗電流密度和量子效率是器件經(jīng)過(guò)了微結(jié)構(gòu)處理和ICP刻蝕工藝之后測(cè)得的。

表1 不同結(jié)構(gòu)的GaSb/InAs探測(cè)器性能參數(shù)對(duì)比

從表中可以看出，對(duì)基于GaSb的探測(cè)器而言，PB?IB?N結(jié)構(gòu)器件的量子效率高出PIN結(jié)構(gòu)器件的一倍，但同時(shí)其暗電流密度明顯增大；而NBN結(jié)構(gòu)探測(cè)器的綜合性能顯著高于前兩者。此外，InAs/GaSbⅡ類(lèi)超晶格長(zhǎng)波紅外探測(cè)的結(jié)構(gòu)，從最初的以GaSb為襯底的PIN結(jié)構(gòu)發(fā)展到現(xiàn)在的以InAs為襯底的PB?IB?N結(jié)構(gòu)，其截止波長(zhǎng)、暗電流密度及量子效率均有顯著的改善。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的主要原因是在InAs襯底上生長(zhǎng)T2SLs材料時(shí)，不需要刻意的界面設(shè)計(jì)來(lái)平衡層之間的應(yīng)變，這使得生長(zhǎng)高質(zhì)量的材料相對(duì)于在GaSb襯底上的更容易，且能夠提高T2SLs材料的生長(zhǎng)溫度，較高的生長(zhǎng)溫度有利于促進(jìn)二維外延，提高晶體質(zhì)量；同時(shí)，InAs層厚度主要決定了T2SLs探測(cè)器的截止波長(zhǎng)，通過(guò)在InAs襯底上生長(zhǎng)SLs，在每個(gè)周期內(nèi)增加InAs層厚度以擴(kuò)大截止波長(zhǎng)也變得相對(duì)簡(jiǎn)單。

發(fā)展趨勢(shì)

InAs/GaSb T2SLs長(zhǎng)波紅外探測(cè)器在短短十幾年內(nèi)取得了快速發(fā)展，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，InAs/GaSb T2SLs紅外探測(cè)器在性能提升、高溫工作、多色探測(cè)等方面將得到進(jìn)一步的發(fā)展：

1）生長(zhǎng)機(jī)理探索，MBE生長(zhǎng)技術(shù)優(yōu)化。InAs/GaSb T2SLs長(zhǎng)波紅外探測(cè)器性能主要受制于材料質(zhì)量而非理論預(yù)測(cè)。面對(duì)AlSb、GaSb、InSb等Sb化物的反常生長(zhǎng)速率，探索Sb化物的MBE生長(zhǎng)機(jī)理已成為提高器件性能亟待解決的問(wèn)題；同時(shí)需要進(jìn)一步優(yōu)化MBE生長(zhǎng)技術(shù)，提高生長(zhǎng)溫度，降低材料缺陷密度，提升材料的生長(zhǎng)質(zhì)量，從而降低器件的暗電流和提高量子效率。

2）采用光學(xué)調(diào)控，發(fā)展鈍化技術(shù)。除了在能帶結(jié)構(gòu)及材料生長(zhǎng)領(lǐng)域進(jìn)行不斷的研究以?xún)?yōu)化器件性能外，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，提高器件對(duì)紅外光的吸收和相應(yīng)光譜的變化；另外，還需發(fā)展新型鈍化技術(shù)，進(jìn)一步抑制探測(cè)器表面漏電，對(duì)于FPA尤其需要尋找更合適的鈍化工藝。

3）發(fā)展HOT器件，實(shí)現(xiàn)高溫探測(cè)。現(xiàn)有的InAs/GaSb T2SLs長(zhǎng)波紅外探測(cè)器均是制冷型器件，體積大使得移動(dòng)受限，同時(shí)成本也高。已有報(bào)道實(shí)現(xiàn)了室溫下（300 K）InAs/GaSb T2SLs短波紅外探測(cè)器的應(yīng)用，但實(shí)現(xiàn)高溫（150 K）乃至室溫下的長(zhǎng)波探測(cè)，InAs/GaSb T2SLs紅外探測(cè)器仍然面臨很大的技術(shù)挑戰(zhàn)。

4）拓寬成像譜域，實(shí)現(xiàn)多色探測(cè)。InAs/GaSb T2SLs紅外探測(cè)器不僅在改進(jìn)單色探測(cè)器性能方面逐步成熟，同時(shí)，在雙色紅外探測(cè)成像方面也取得一系列的進(jìn)展。多色探測(cè)能同時(shí)得到不同波段的光譜信息，顯著提高對(duì)目標(biāo)物的識(shí)別與跟蹤，且該技術(shù)還能夠提供先進(jìn)的彩色處理算法以進(jìn)一步提高靈敏度，使其高于單色成像儀。InAs/GaSb T2SLs多色長(zhǎng)波紅外探測(cè)器的產(chǎn)業(yè)化具備廣闊的前景，將成為新一代紅外探測(cè)系統(tǒng)最有力的競(jìng)爭(zhēng)者。

總結(jié)

InAs/GaSb T2SLs長(zhǎng)波紅外探測(cè)器的襯底材料有GaSb和InAs兩種，本文系統(tǒng)報(bào)道了基于這兩種襯底的器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究進(jìn)展。器件結(jié)構(gòu)從最初的PIN（PΠN）發(fā)展到現(xiàn)在的NBN（PBN）和PB?IB?N（PB?ΠB?N）結(jié)構(gòu)，其吸收區(qū)材料從InAs/GaSb改善到InAs/InAs???Sb?或InAs/GaAs???Sb?，隨著器件結(jié)構(gòu)的優(yōu)化探測(cè)器性能也得到大幅提升。綜合考慮截止波長(zhǎng)、暗電流和量子效率等相關(guān)因素，以InAs為襯底、吸收區(qū)材料為InAs/InAs???Sb?、結(jié)構(gòu)為PB?IB?N型的長(zhǎng)波紅外探測(cè)器體現(xiàn)出較好的器件性能。再結(jié)合ZnS和Ge多層膜的微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或者重?fù)诫s緩沖層，同時(shí)采用ICP干法刻蝕工藝，該器件的50%截止波長(zhǎng)達(dá)到12 μm，量子效率提升到65%以上，暗電流密度降低到1×10??A/cm2。與此同時(shí)，與Sb基能帶工程相關(guān)的物理學(xué)將給InAs/GaSb T2SLs長(zhǎng)波紅外探測(cè)器結(jié)構(gòu)帶來(lái)新的性能提升，對(duì)應(yīng)的FPA在可操作性、空間均勻、可擴(kuò)展性等方面將表現(xiàn)越來(lái)越出色。

這項(xiàng)研究獲得云南貴金屬實(shí)驗(yàn)室科技計(jì)劃項(xiàng)目（YPML-2022050220）的資助和支持。

審核編輯：湯梓紅