非制冷型中長波銦砷銻探測器*

高玉竹，洪 偉，龔秀英，吳廣會(huì)，馮彥斌

（1.同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，上海 201804；2.陜西華星電子工業(yè)公司，西安 712099）

1 引言

非制冷型紅外光子探測器具有高速響應(yīng)、體積小、可靠性好的優(yōu)點(diǎn)，這對(duì)于許多特殊領(lǐng)域中的應(yīng)用是非常吸引人的。目前，在5～12 μm波長范圍，主要使用的光子探測器是制冷型的Ⅱ-Ⅵ族的HgCdTe（碲鎘汞）探測器。但是，由于材料生長過程中的高Hg（汞）蒸汽壓，HgCdTe晶體還存在著結(jié)構(gòu)完整性差、合金組份不均勻等缺點(diǎn)。而工作在這一波段的熱探測器，雖然近年來其性能得到了改善，但是其響應(yīng)速度仍然比光子探測器慢3個(gè)數(shù)量級(jí)以上。

Ⅲ-Ⅴ族InAsSb三元合金具有高溫工作特性好、高電子和空穴遷移率、良好的化學(xué)穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)，因此InAsSb材料的生長和特性及其研制長波紅外光電器件的前景在國際上引起了極大的興趣[1]。但是，波長6.5 μm以上的InAsSb外延層與二元化合物襯底之間的晶格失配度較大（與InAs之間的晶格失配度＞ 6 %，與GaAs之間的晶格失配度為7.2～ 14.6 %）。因此，用常規(guī)技術(shù)很難生長出高質(zhì)量的中長波InAsSb單晶材料。國外用分子束外延（MBE）[2]、金屬有機(jī)化學(xué)氣相淀積（MOCVD）[3]及液相外延（LPE）[4]技術(shù)生長出了8～12 μm波段的InAsSb薄膜，外延層的厚度約為2～10 μm，由于薄的外延層嚴(yán)重受到較大晶格失配的影響，導(dǎo)致這些薄膜中的位錯(cuò)密度高達(dá)107cm-2量級(jí)，降低了探測器的最終性能。

我們用熔體外延（melt epitaxy，簡稱ME）法在InAs及GaAs襯底上生長了長波InAsSb厚膜單晶[5～10]。外延層的厚度達(dá)到數(shù)十至100 μm，這個(gè)厚度有效地抑制了外延層與襯底之間晶格失配的影響，從而使外延層中的位錯(cuò)密度下降到104cm-2量級(jí)，提高了材料的晶體質(zhì)量。本文用ME法在InAs襯底上生長的InAs0.05Sb0.95厚外延層，制作了非制冷型、2～9 μm波段響應(yīng)的光導(dǎo)型探測器。室溫下，浸沒型InAsSb探測器的光譜響應(yīng)特性顯示，在波長6.5 μm處的峰值探測率Dλp*達(dá)到5.4×109cm·Hz1/2·W-1，在波長8.0 μm處的探測率D*為9.3×108cm·Hz1/2·W-1，在9 μm處的D*為1.3×108cm·Hz1/2·W-1，指示了探測器在紅外系統(tǒng)中的可能應(yīng)用。

2 實(shí)驗(yàn)

在液相外延（LPE）生長系統(tǒng)及高純氫氣氛中，在（100）晶向的n-InAs襯底上生長InAsSb外延層。原材料采用99.999 99%的Sb、In及非摻雜的InAs單晶。用熔體外延（ME）法生長InAsSb厚膜單晶的過程見前文[6]。關(guān)鍵點(diǎn)如下：在合適的生長溫度（約500 ℃）下，使熔液與襯底接觸，然后立即將多余的熔液從襯底上推走。重要的是，在生長溫度下，需在襯底表面殘留一層熔液，然后將襯底推到液槽尾部的壓塊下，使這層殘留的熔液在壓塊下以0.5 ℃/min的降溫速率降溫結(jié)晶，生成外延層。外延層的厚度取決于襯底的厚度與石墨舟的襯底槽的深度之差。通常，生長層的厚度可達(dá)數(shù)十至100 μm。生長后的樣品，用Al2O3（三氧化二鋁）粉末研磨、拋光，獲得平整、鏡面光滑的表面。用傅里葉變換紅外光譜儀（FTIR，Nicolet Nexus 670）測量了InAsSb材料的吸收光譜。

基于用ME法生長的InAs0.05Sb0.95厚膜，制作了浸沒型光導(dǎo)探測器。在器件工藝中，徹底去除了InAs襯底，從而消除了外延層與襯底之間晶格失配的影響。在探測器上安裝了Ge浸沒透鏡。靈敏元的面積為0.05 cm×0.05 cm，用In作電極。

在濱松光子公司，室溫下用FTIR光譜儀測試了InAsSb光導(dǎo)型探測器的光譜響應(yīng)，并用溫度為500 K、調(diào)制頻率為1 200 Hz的標(biāo)準(zhǔn)黑體源校準(zhǔn)了探測器的絕對(duì)響應(yīng)率。探測器上的外加偏置電流為10 mA。

3 結(jié)果與討論

圖1示出InAs0.05Sb0.95樣品的吸收光譜。在圖1中，材料的本征吸收邊出現(xiàn)在波長8 μm以后。用InAs0.05Sb0.95外延層制作的光導(dǎo)型探測器，在8 μm以后出現(xiàn)了明顯的光電響應(yīng)（見圖3）。圖2給出 (αhν)2隨hν的變化關(guān)系，其中α是材料的吸收系數(shù)，hν是入射光子能量。在圖2中，通過線性擬合，估算出InAs0.05Sb0.95的禁帶寬度為0.14 eV。三元合金的吸收帶尾現(xiàn)象，可能對(duì)從吸收光譜估算的禁帶寬度有影響[4]。

表1給出了室溫下，浸沒型中長波InAs0.05Sb0.95光導(dǎo)探測器的測試性能。表中，Rd是探測器的電阻，S是信號(hào)電壓，N是噪聲電壓，S/N是信噪比，R(500 K) 是黑體響應(yīng)率，D*(500 K) 是黑體探測率，Rλp是波長6.5 μm處的峰值響應(yīng)率，Dλp*是峰值探測率。黑體D* ≥1.0×109cm·Hz1/2·W-1，峰值探測率Dλp*為2～5×109cm·Hz1/2·W-1。

表1 非制冷型中長波InAs0.05Sb0.95光導(dǎo)型探測器的測試性能

圖1 InAs0.05Sb0.95樣品的吸收光譜

圖2 InAs0.05Sb0.95樣品的 (αhν)2隨 hν的變化關(guān)系

圖3顯示出室溫下，浸沒型InAs0.05Sb0.95光導(dǎo)探測器（樣品編號(hào)為A）的光譜響應(yīng)。探測器A在波長6.5 μm處的峰值響應(yīng)率Rλp為235.4 V/W，導(dǎo)致峰值探測率Dλp* (6.5 μm，1200 Hz) 為5.4×109cm·Hz1/2·W-1，指示了非制冷型中長波紅外光子探測器的高靈敏度。如圖3所示，在波長8.0 μm處的探測率D*為9.3×108cm·Hz1/2·W-1，在9.0 μm處的D*為1.3×108cm·Hz1/2·W-1，在3～5 μm及5～8 μm波段的靈敏度較高，在波長8.0 μm以后仍然觀察到了明顯的光電響應(yīng)。

圖3 室溫下浸沒型InAs0.05Sb0.95光導(dǎo)探測器A的光譜響應(yīng)

我們研制的InAsSb光導(dǎo)型探測器，室溫下在波長8 μm處的光電響應(yīng)明顯高于美國最近發(fā)表的200 K下的Ⅱ-型超晶格InAs/InAsSb光導(dǎo)型探測器[11]。這是由于以下兩點(diǎn)原因：（1）我們的探測器上安裝了鍺浸沒透鏡，由于入射的紅外輻射被透鏡聚焦，從而提高了光敏面上的輻射能量密度，浸沒透鏡使探測器的探測率提高了1個(gè)數(shù)量級(jí)；（2）用熔體外延法生長的窄禁帶InAsSb厚膜具有體單晶的性質(zhì)，由于本征半導(dǎo)體的價(jià)帶及導(dǎo)帶中高的態(tài)密度，導(dǎo)致了對(duì)紅外輻射的強(qiáng)烈吸收，因此更適合制作在室溫下工作的中長波光子探測器[12]。

通常，探測器的截止波長被定義在峰值響應(yīng)的20%處。圖3中InAs0.05Sb0.95探測器的截止波長為8.3 μm，對(duì)應(yīng)的禁帶寬度為0.149 4 eV。InAsxSb1-x三元合金的禁帶寬度Eg與組份x的依存性關(guān)系，用式（1）表示[13]：

用這個(gè)公式計(jì)算出，溫度T =300 K下，當(dāng)x=0.05時(shí)，Eg= 0.150 0 eV，這與從探測器的光譜響應(yīng)測得的禁帶寬度0.149 4 eV較為一致。用ME法生長的InAsSb材料的禁帶寬度變窄現(xiàn)象，主要是由于As原子結(jié)合進(jìn)了晶格，導(dǎo)致材料的晶格壓縮引起的能帶彎曲。此外，晶格中原子的不規(guī)則排列、三元合金的吸收帶尾特性對(duì)材料的禁帶寬度可能也有影響。

4 結(jié)論

基于用ME技術(shù)在InAs襯底上生長的InAs0.05Sb0.95厚膜，制作了非制冷型中長波InAsSb光導(dǎo)型探測器，在探測器上安裝了鍺浸沒透鏡。探測器的光譜響應(yīng)得到的禁帶寬度，與理論計(jì)算得到的禁帶寬度基本上一致，證明了InAsSb材料的禁帶寬度變窄現(xiàn)象。室溫下，浸沒型探測器在波長6.5 μm處的峰值Dλp*達(dá)到5.4×109cm·Hz1/2·W-1，在波長8.0 μm和9 μm處的D*分別為9.3×108cm·Hz1/2·W-1和1.3×108cm·Hz1/2·W-1，測量結(jié)果顯示InAsSb探測器具有優(yōu)良的性能和廣闊的應(yīng)用前景。

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