InAs／GaSb II型超晶格紅外探測器的研究進展

宋淑芳，鞏 鋒，周立慶

（華北光電技術(shù)研究所，北京100015）

·綜述與評論·

InAs／GaSb II型超晶格紅外探測器的研究進展

宋淑芳，鞏 鋒，周立慶

（華北光電技術(shù)研究所，北京100015）

InAs／GaSb II型超晶格材料理論上性能優(yōu)于HgCdTe、InSb等紅外探測材料，基于成熟的III－V族化合物材料與器件工藝，使得II型超晶格材料容易滿足均勻大面陣、雙色或多色集成等紅外探測器的要求，因而InAs／GaSb II型超晶格材料將逐步替代HgCdTe、InSb等材料成為第三代紅外探測器的首選材料。本文闡述了InAs／GaSb超晶格紅外探測器的基本原理、以及材料生長和器件結(jié)構(gòu)，并對其研究進展進行了綜述性介紹。

II類超晶格；紅外材料；紅外探測器

1 引 言

HgCdTe紅外探測器以其優(yōu)越的材料性能長期占據(jù)高性能紅外探測器的統(tǒng)治地位，是唯一大規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn)的紅外光探測材料。但是HgCdTe材料也有著自身的缺點［1］：Hg－Te鍵比較弱，易形成Hg空位，以及活動力強的Hg原子，因而影響器件的長期穩(wěn)定性；隧穿電流大，俄歇復(fù)合速率高；用于遠(yuǎn)紅外探測的HgCdTe材料需要高的Hg組分，然而生長時高的Hg蒸氣壓使HgCdTe大面積成分控制困難，均勻性差，限制了其在焦平面陣列中的應(yīng)用。

基于HgCdTe材料的自身缺點，研究人員從來沒有停止尋找性能更優(yōu)越的紅外探測材料，Smith和Mailhiot［2］在1987年首次提出可以利用InAs／GaSb II型超晶格的獨特物理性質(zhì)實現(xiàn)高性能的紅外探測器，這種II型超晶格可以得到與HgCdTe材料相同的光學(xué)性質(zhì)，但它具有HgCdTe材料不可比擬的優(yōu)點［3］：基于Ⅲ－V族材料生長技術(shù)，大面積均勻性好；摻雜容易，無合金漲落，利于大面積焦平面陣列探測器的制作；電子有效質(zhì)量大，隧穿電流小，重空穴帶與輕空穴帶帶隙大，俄歇復(fù)合被抑制，提高了載流子的壽命，有利于探測器獲得更高的工作溫度。目前，InAs／GaSb II型超晶格引起廣泛關(guān)注并得到迅速發(fā)展，被認(rèn)為是第三代紅外探測器的首選材料。

2 InAs／GaSb II型超晶格紅外探測的基本原理

兩種半導(dǎo)體材料A、B形成異質(zhì)結(jié)超晶格時，按照能帶的相對位置可以分成三類［4］。

其中I類超晶格中，材料A的禁帶完全落在材料B的禁帶中，因此電子和空穴都被限制在一種材料中。在II類超晶格中，兩種材料的禁帶并不對準(zhǔn)，電子和空穴分別約束在兩種材料中，電子躍遷的概率較小。III類超晶格中，有一種材料具有零帶隙，它的導(dǎo)帶位于價帶頂之上，組成超晶格后，電子有效質(zhì)量為負(fù)，將形成界面態(tài)。

根據(jù)能帶的相對位置，InAs／GaSb超晶格屬于II型超晶格，當(dāng)InAs／GaSb一層一層的重復(fù)累積起來，而且InAs層和GaSb層足夠薄時，InAs層中的電子波函數(shù)發(fā)生交疊，能級展寬成微帶，GaSb層中產(chǎn)生局域化的重空穴。電子被限制在InAs層中，重空穴大部分被限制在GaSb層中，光躍遷發(fā)生在電子子帶和局域化的重空穴之間，并以此探測紅外輻射，如圖1所示［5］。理論上可以調(diào)整各子層厚度和組分實現(xiàn)一個很寬范圍（3～30μm）的紅外吸收。

圖1 InAs／GaSb超晶格的能帶圖

3 InAs／GaSb超晶格材料的生長

分子束外延（MBE）技術(shù)是InAs／GaSb II型超晶格主要的生長技術(shù)，使用該種生長技術(shù)可以實現(xiàn)外延層厚度、組分、界面控制精度在單原子層水平。

由于InAs層與GaSb層III族元素與V族元素的原子都不相同，因而在界面處可以形成兩種界面類型，即Ga和As原子結(jié)合形成GaAs界面，以及In、Sb原子結(jié)合形成InSb界面，這兩種界面類型分別被稱為GaAs-like界面和InSb-like界面。相比較于GaAs-like界面，InSb-like界面被認(rèn)為更利于紅外探測器性能的提高。由于晶格的失配，GaAs-like界面和InSb-like界面都將在界面處引入了應(yīng)變，從能帶方面考慮，InAs／GaSb II型超晶格中，光躍遷發(fā)生在界面處InAs層電子和GaSb層中空穴。在InSblike界面處，InSb層增加了能帶的alignment，加強了波函數(shù)之間的重疊。但是，在GaAs-like界面處，形成了一個電子和空穴的勢壘層，減少了波函數(shù)的重疊，從而減小了光躍遷的發(fā)生，如圖2所示。因此在InAs／GaSb超晶格生長的過程中，如何實現(xiàn)InSblike界面將是材料生長的難點和重點。

圖2 不同界面InAs／GaSb II型超晶格的能帶圖［6］

4 InAs／GaSb超晶格紅外探測器件結(jié)構(gòu)

目前InAs／GaSb超晶格紅外探測器件的結(jié)構(gòu)主要包括兩種，一種是以pn結(jié)為基礎(chǔ)的光伏型器件，另外一種是在器件結(jié)構(gòu)中沒有pn結(jié)的類光導(dǎo)器件，也叫做單極型器件。

探測器的暗電流是影響探測器性能的主要因素，如何降低暗電流，提高信噪比，是器件結(jié)構(gòu)設(shè)計的出發(fā)點。光伏型光電二極管的暗電流可以表示為：

Idark＝ISRH＋Idiff＋Itun＋Isurf

其中，ISRH是產(chǎn)生復(fù)合電流，與耗盡層中載流子的產(chǎn)生復(fù)合過程有關(guān)；Idiff是擴散電流，與非本征區(qū)的俄歇和輻射過程有關(guān)；Itun是隧穿電流，與載流子的有效質(zhì)量和界面處的勢壘高度有關(guān)；Isurf是表面電流，主要和器件表面的表面態(tài)有關(guān)。針對如何抑制暗電流，簡單介紹的幾種器件結(jié)構(gòu)。

4.1 光伏型器件結(jié)構(gòu)

光伏型器件結(jié)構(gòu)主要包括：德國費朗霍姆實驗室使用的pin結(jié)構(gòu)［7］，美國西北大學(xué)量子器件中心的M結(jié)構(gòu)［8］，美國海軍研究實驗室的W結(jié)構(gòu)［9］，美國西北大學(xué)量子器件中心的雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)［10］和美國加州理工大學(xué)噴氣動力實驗室的CBIRD結(jié)構(gòu)［11］。

4.1.1 pin結(jié)構(gòu)

圖3是pin單色紅外探測器結(jié)構(gòu)圖，在（100）GaSb襯底上，按照順序生長晶格匹配緩沖層、GaSb：Be p型電極接觸層、p型超晶格層、n-i-d超晶格層、n型超晶格層、以及InAs：Si的n型接觸層，利用此結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了I-nAs／GaSb II型超晶格中波單色、雙色紅外焦平面探測器。但是使用該結(jié)構(gòu)器件的暗電流較高、R0A值較低，因此不適用于InAs／GaSb II型超晶格長波紅外焦平面探測器中，需要進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，降低暗電流。

圖3 p-i-n單色紅外探測器結(jié)構(gòu)圖

4.1.2 M結(jié)構(gòu)

在pin器件的結(jié)構(gòu)中，加入M結(jié)構(gòu)層，形成M結(jié)構(gòu)器件，如圖4所示，包括p型的GaSb襯底、GaSb：Be p型緩沖層、p型超晶格層、低摻雜濃度π超晶格區(qū)、M結(jié)構(gòu)超晶格區(qū)、n型超晶格層、以及n型接觸層。M結(jié)構(gòu)是指GaSb層的中間插入了薄的AlSb（幾納米）勢壘層，AlSb勢壘層的插入，增加了電子的有效質(zhì)量，使得π區(qū)的電場減小，隧穿勢壘增加，有效降低了隧穿電流Itun，減小了暗電流，提高了R0A的值，從而可以達到提高器件性能的目的。

圖4 P＋－π－M－N＋結(jié)構(gòu)圖

4.1.3 W結(jié)構(gòu)

W結(jié)構(gòu)的器件基本結(jié)構(gòu)包括：n＋超晶格層、p－W結(jié)構(gòu)超晶格層、p＋W結(jié)構(gòu)超晶格層，如圖5所示，p－W結(jié)構(gòu)超晶格層為光吸收區(qū)。W結(jié)構(gòu)的能帶圖，在兩個InAs電子阱的兩邊各生長AlSb或AlGaInSb勢壘層，勢壘層可以增加局域化的電子和空穴波函數(shù)的重疊，導(dǎo)致帶邊的強紅外吸收，并且利用分步降低禁帶寬度的方法，逐步抑制隧穿電流Itun和產(chǎn)生復(fù)合電流ISRH，降低暗電流，提高器件性能。

圖5 W結(jié)構(gòu)的能帶圖和結(jié)構(gòu)圖

4.1.4 雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)

雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)是n區(qū)超晶格和p區(qū)超晶格只響應(yīng)中波，i型超晶格吸收區(qū)可吸收長波，因此在探測長波信號時，只有i區(qū)產(chǎn)生光生載流子，降低n區(qū)和p區(qū)轉(zhuǎn)型的區(qū)域面積，從而達到減小表面漏電流Isurf的目的。從圖6可知，表面漏電流Isurf被極大抑制，可以提高器件性能。

圖6 雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)示意圖

4.1.5 CBIRD結(jié)構(gòu)

CBIRD結(jié)構(gòu)（如圖7所示）主要包括電子勢壘層（eB）、紅外吸收層、空穴勢壘層（hB），每層的載流子濃度分別為p＝1×1016cm－3，p＝1×1016cm－3，n＝1×1016cm－3，InAs0.91Sb0.09生長在eB層下面，作為底接觸層，hB層作為頂接觸層。在頂部加上正向偏壓后，電壓主要落在eB層和底接觸層的交界處，遠(yuǎn)離了紅外吸收區(qū)域，從而減少了暗電流，同時不影響光生載流子引入的光電流，吸收層中的光生電子可以很容易到達hB層，過剩的空穴可以和底接觸層注入到吸收層的電子復(fù)合，因而減小了產(chǎn)生復(fù)合電流ISRH和隧穿電流Itun，器件的性能得到了提高。

圖7 CBIRD結(jié)構(gòu)的能帶圖和器件結(jié)構(gòu)圖

4.2 類光導(dǎo)型（單極型）器件的結(jié)構(gòu)

類光導(dǎo)型（單極型）器件的結(jié)構(gòu)主要包括美國新墨西哥大學(xué)高技術(shù)材料中心的nBn結(jié)構(gòu)［12］和美國西北大學(xué)量子器件中心的pMp結(jié)構(gòu)［13］。

4.2.1 nBn結(jié)構(gòu)

nBn結(jié)構(gòu)包括n型吸收層、寬禁帶勢壘層和一個薄n型層，能帶結(jié)構(gòu)如圖8（a）所示，勢壘層的主要作用是阻止多子電流的通過，允許少子電流的通過。n型吸收層的厚度是光吸收長度的1到2倍，勢壘層的厚度是50到100 nm，薄n型層是一個電極接觸層（與歐姆接觸）。器件的結(jié)構(gòu)如圖8（b）所示。nBn結(jié)構(gòu)不存在耗盡層，可以基本上消除了產(chǎn)生復(fù)合電流ISRH，從而減小了噪聲，提高了器件的工作溫度。同樣利用nBn結(jié)構(gòu)的器件，表面電流Isurf也可以基本消除，省去了鈍化的工藝步驟，性能優(yōu)于pin器件。

圖8 nBn結(jié)構(gòu)的能帶圖和器件結(jié)構(gòu)圖

4.2.2 pMp結(jié)構(gòu)

pMp結(jié)構(gòu)包括p型的超晶格吸收區(qū)、寬禁帶M結(jié)構(gòu)層、p型接觸層，如圖9所示。M層的導(dǎo)帶和吸收區(qū)的導(dǎo)帶的位置相同，但是M層的價帶位置遠(yuǎn)低于吸收區(qū)的價帶，因此對p型的超晶格吸收區(qū)形成了多子空穴的勢壘。和nBn結(jié)構(gòu)相似，pMp結(jié)構(gòu)減少了產(chǎn)生電流ISRH和表面電流Isurf，pMp結(jié)構(gòu)和nBn結(jié)構(gòu)都是少子的單極器件，但是pMp結(jié)構(gòu)少子為電子，而nBn結(jié)構(gòu)少子為空穴，由于與空穴相比，電子有更長的擴散長度和更高的遷移率，光生載流子的收集更有效，因而利用pMp結(jié)構(gòu)有很高的量子效率。而且由于p型吸收區(qū)，空穴隧穿過勢壘層的幾率很小，隧穿電流Itun也得到了極大的抑制。

圖9 pMp結(jié)構(gòu)的能帶示意圖

5 InAs／GaSb II型超晶格紅外探測器的研究進展

InAs／GaSb II型超晶格紅外探測器主要經(jīng)歷了以下三個發(fā)展階段：

（1）1987年，Smith和Mailhiot首次提出可以利用InAs／GaSb II型超晶格的獨特物理性質(zhì)實現(xiàn)高性能的紅外探測器，從理論上預(yù)研了在甚長波波段的性能主要優(yōu)于碲鎘汞材料，從此InAs／GaSb II型超晶格成為研究的熱點；

（2）20世紀(jì)90年代開始，隨著分子束外延技術(shù)的成熟，材料質(zhì)量逐步提高，獲得了具有器件質(zhì)量的外延材料，基于高質(zhì)量的外延材料，在90年代后期到本世紀(jì)初提出了包括p-i-n、M結(jié)構(gòu)、W結(jié)構(gòu)、雙異質(zhì)結(jié)等器件結(jié)構(gòu)，目的在于降低暗電流，提高器件的性能，使其達到實用化的標(biāo)準(zhǔn)；

（3）當(dāng)研究發(fā)展到了一定階段，有了實際的應(yīng)用空間，便開始了商業(yè)化的進程，2006年，德國費朗霍姆FraunhoferIAF和AIM實驗室合作首次實現(xiàn)中紅外雙色（藍色通道λ為3～4μm，紅色通道λ為4～5.4μm）288×384焦平面陣列探測，并將其應(yīng)用于歐洲大型運輸機Airbus A400M的導(dǎo)彈預(yù)警上［14］，是InAs／GaSb II型超晶格紅外探測器開始走向?qū)嵱没臉?biāo)志；2009年，美國政府啟動了一個為期四年的“FastFPA”項目［15］，聯(lián)合海軍研究室（ARL）、Teledyne成像公司（NRL／TIS）、美國加州大學(xué)噴氣動力實驗室（JPL）、雷聲公司（RVS）、美國西北大學(xué)量子器件中心（NU－QDC）以及MIP科技（NWU／MPT）等多年從事紅外探測器研究和生產(chǎn)的研究機構(gòu)和公司，共同進行“FastFPA”項目的研發(fā)，旨在推動InAs／GaSb II型超晶格紅外焦平面陣列的工業(yè)化進程，最終實現(xiàn)小面陣長波焦平面陣列、大面陣長波焦平面陣列、中等面陣中波／長波雙色焦平面陣列等三個系列的產(chǎn)品，目前已經(jīng)獲得了階段性的進展。

我國InAs／GaSb II型超晶格紅外探測器的研究工作落后于西方發(fā)達國家，開始于2005年，主要的研究小組是中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所的牛智川等［16］和馬文全［17］小組、中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所陳建新和何力小組［18］、昆明物理研究所史衍麗小組［19］。2012年6月中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所馬文全小組的研究取得了重大突破，獲得了具有國際水平高質(zhì)量的外延材料，此外還研制出改變偏壓極性實現(xiàn)雙色探測器件［20］。

6 小 結(jié)

本文綜述了InAs／GaSb II型超晶格紅外探測器的基本工作原理、以及材料生長和器件結(jié)構(gòu)，并且簡單介紹了研究進展。通過上面的總結(jié)我們不難發(fā)現(xiàn)，國外許多與軍方密切相關(guān)的科研單位一直從事InAs／GaSb II型超晶格紅外探測器的研發(fā)工作，取得了很大的進展，相應(yīng)的產(chǎn)品相繼出現(xiàn)，并且近幾年來，項目的研制不斷得到國家政府在人力和財力方面的大力支持，相信在不久的將來該項技術(shù)將逐步成熟化產(chǎn)品化，最終會占據(jù)紅外探測器的統(tǒng)治地位。但是，我國在該項目的研究，目前還處在起步的階段，沒有相關(guān)的產(chǎn)品報道，因此開展該項目的研究迫在眉睫。

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Research progress of InAs／GaSb type II super-lattice infrared detector

SONG Shu-fang，GONG Feng，ZHOU Li-qing
（North China Research Institute of Electro-optics，Beijing 100015，China）

InAs／GaSb type II super-lattice is a novel infrared material with the theoretical promise of better performance than MCT and InSb.In view of thematurity of III-V compoundmaterials growth and device technology，it is easy to obtain InAs／GaSb type IIsuper-latticematerial for uniform large formats and dual／multiple color infrared detectors. At present，InAs／GaSb type II super-latticematerial is regarded as a primarymaterial for the third generation infrared detectors，which may gradually replace MCT and InSb.The basic theory，the research onmaterials growth and device structure of InAs／GaSb type IIsuper-lattice infrared detector are presented.Research progress of InAs／GaSb type II super-lattice infrared detector is summarized.

type IIsuper-lattice；infrared material；infrared detector

TN215

A

10.3969／j.issn.1001-5078.2014.02.0

1001-5078（2014）02-0117-05

宋淑芳（1971－），女，博士，高級工程師，主要從事Ⅲ－Ⅴ族半導(dǎo)體光電材料器件的設(shè)計、制備和測試。E-mail：sfsong＠center.njtu.edu.cn

2013-01-29；

2013-02-20