銻化物Ⅱ類超晶格中遠紅外探測器的研究進展

謝修敏，徐 強，陳 劍，周 宏,代 千，張 偉，胡衛(wèi)英，宋海智,3*

(1.西南技術(shù)物理研究所，成都 610041； 2.中國兵器科學(xué)研究院,北京 100089; 3.電子科技大學(xué) 基礎(chǔ)與前沿研究院，成都 610054)

引 言

紅外輻射幾乎是一切常見物體的基本特征，特別是環(huán)境溫度在-30℃～1000℃時，常見物體輻射的能量峰值分布在2μm～12μm中遠紅外波段。針對該波段的探測可廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測、工業(yè)安全、隱身探測、高速反導(dǎo)等軍事和民用領(lǐng)域。但是由于水分和二氧化碳的吸收作用，中遠紅外能在大氣中遠程傳播的只有3μm～5μm的中紅外和8μm～12μm的遠紅外兩個波段，因此研制相關(guān)的高性能中遠紅外探測器顯得尤為重要。

目前研究最為廣泛的中遠紅外探測器材料是碲鎘汞(HgCdTe)，已成功研制出了多種響應(yīng)波段且性能優(yōu)異的單元和陣列探測器[1]。HgCdTe紅外探測器的突出性能主要體現(xiàn)在具有很高的量子效率，而且在當(dāng)前制備工藝條件下，暗電流很小。但是HgCdTe材料也存在一些難以克服的缺點，例如Hg與Te之間的價鍵結(jié)合較弱，使得材料的穩(wěn)定性和抗輻照性較差，材料生長過程中組分容易出現(xiàn)偏析,使得材料均勻性變差而難以實現(xiàn)大面陣應(yīng)用，因此有必要尋找HgCdTe在中遠紅外應(yīng)用的替代材料[2]。在此過程中，大家逐漸將目光集中到了容易實現(xiàn)大面積低缺陷材料生長、器件工藝成熟、性能優(yōu)越、產(chǎn)業(yè)化優(yōu)勢明顯的銻化物Ⅱ類超晶格(type-Ⅱ superlattice，T2SL)中遠紅外探測器。

1 銻化物半導(dǎo)體材料

銻化物半導(dǎo)體材料主要包括Al,Ga,In等Ⅲ族元素與Sb構(gòu)成的Ⅲ-Sb二元化合物，以及結(jié)合其它Ⅴ族元素共同構(gòu)成的InGaSb,AlGaSb,InGaAsSb,AlGaAsSb等三元和四元化合物。銻化物半導(dǎo)體塊體材料根據(jù)組分的不同在室溫下的禁帶寬度為1.7eV(AlSb)至0.1eV(InAsSb)，對應(yīng)響應(yīng)波長為0.73μm～12μm，如圖1所示[3]。由于GaSb,AlSb和x值較小的GaAsxSb1-x,InxGa1-xSb,AlAsxSb1-x等三元銻化物的晶格常數(shù)都在6.1?附近，因此它們通常與InAs一起被稱為“6.1? Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體材料”[4]。

圖1 銻化物及常見半導(dǎo)體材料的晶格常數(shù)和禁帶寬度[3]

除了晶格常數(shù)相近，6.1? Ⅲ-V族半導(dǎo)體材料還具有獨特的能帶結(jié)構(gòu)，即不同的材料帶隙差異極大，且導(dǎo)帶和價帶的位置錯落交替，如InSb禁帶完全包含于AlSb之中，而GaSb的價帶則比InAs導(dǎo)帶還高，如圖2所示。由此通過不同的材料相互組合可以形成多樣的Ⅰ類(如AlSb/GaSb等)和Ⅱ類(如InAs/AlSb等禁帶

圖2 6.1? Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體材料能帶結(jié)構(gòu)示意圖(0K)[5]

錯位型和InAs/GaSb等禁帶錯開型)能帶結(jié)構(gòu)，為銻化物超晶格開展能帶工程設(shè)計提供了豐富的操作空間[5]。

2 銻化物T2SL

將構(gòu)成Ⅰ類和Ⅱ類能帶結(jié)構(gòu)的銻化物薄膜材料交替生長即可形成Ⅰ類和Ⅱ類兩種超晶格結(jié)構(gòu)。其中以InAs/GaSb為代表的禁帶錯開型T2SL中InAs層的導(dǎo)帶低于GaSb層的價帶，因此該結(jié)構(gòu)的電子主要集中在InAs層，空穴主要集中在GaSb層，由此實現(xiàn)了電子和空穴的物理隔離，從而使其表現(xiàn)出許多獨特的性質(zhì)[6]。與體材料不同，由于T2SL的各層厚度(亞納米至幾納米)小于該材料中電子的德布羅意波長(幾十納米)，相鄰薄層中的電子(空穴)波函數(shù)將發(fā)生重疊，從而使各層中原本分立的能級相互作用形成微帶(第一導(dǎo)帶E1、第一重空穴帶(heavy hole，HH)HH1、第一輕空穴帶(light hole，LH)LH1等)。銻化物T2SL紅外探測器即利用電子在微帶間躍遷來實現(xiàn)對紅外入射光的探測，如圖3所示[7]。

圖3 InAs/GaSb禁帶錯開型T2SL能帶結(jié)構(gòu)示意圖[7]

對任何利用電子躍遷原理工作的光子型探測器而言，隨著工作溫度的升高，最終的性能極限都將受限于其中載流子的俄歇復(fù)合。而基于禁帶錯開型銻化物T2SL的紅外探測器由于理論上實現(xiàn)了電子和空穴的物理隔離，這樣可以極大地抑制俄歇復(fù)合，降低與之相關(guān)的暗電流，提高工作溫度，突破HgCdTe紅外探測器所能達到的性能極限，使其具有超越HgCdTe探測器性能的潛力。

除此之外，與其它紅外探測器相比，銻化物T2SL的優(yōu)勢還有：(1)由于對紅外入射光的響應(yīng)屬于帶間躍遷，因此可以吸收正入射，相比于量子阱探測器具有更高的量子效率和更加廣泛的應(yīng)用場景；(2)銻化物T2SL的電子有效質(zhì)量較大(如InAs/GaSb T2SL材料的電子有效質(zhì)量為0.03m0，是HgCdTe的3倍，其中m0為電子靜止質(zhì)量)，因此理論隧穿電流更小，可獲得的探測率更高；(3)銻化物T2SL的帶隙不依賴于材料自身的禁帶寬度，可通過簡單地改變材料的組分和各薄層厚度來調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)從2μm短波紅外到32μm超遠紅外波長的響應(yīng)，特別適用于制備針對不同波段的單色、雙色及多色中遠紅外探測器件[8]。

理論計算結(jié)果顯示，在相同工作溫度下，銻化物T2SL探測率比HgCdTe更高，如圖4所示[9]。圖中的實線和虛線分別為HgCdTe和銻化物T2SL在不同溫度下對不同入射波長的熱限制探測率理論值，可見在相同溫度下銻化物T2SL探測器的理論性能優(yōu)于HgCdTe。圖4中同時給出了國外相關(guān)實驗室報道的銻化物T2SL中遠紅外探測器探測率的實測結(jié)果?？梢钥吹?實測值與理論計算結(jié)果相比還有較大差異，甚至遜色于當(dāng)前HgCdTe的工程實驗數(shù)據(jù)，說明目前銻化物T2SL中遠紅外探測器在結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料生長以及器件工藝等方面還需進一步完善，特別是在低背景摻雜超晶格材料生長、表面鈍化工藝優(yōu)化以及新型勢壘結(jié)構(gòu)設(shè)計方面。

圖4 銻化物T2SL和HgCdTe探測器的探測率對比[9]

3 銻化物T2SL探測器結(jié)構(gòu)

銻化物T2SL中遠紅外探測器結(jié)構(gòu)主要包括基于PN結(jié)的光伏型器件，以及沒有PN結(jié)的類光導(dǎo)器件[10]。光伏型銻化物T2SL探測器結(jié)構(gòu)主要有PIN結(jié)構(gòu)[11-12]、W結(jié)構(gòu)[13-14]、M結(jié)構(gòu)[15-18]、雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)[19]、互補勢壘紅外探測器(complementary barrier infrared detector，CBIRD)結(jié)構(gòu)[20]、PBIBN結(jié)構(gòu)[21]等；類光導(dǎo)器件結(jié)構(gòu)主要有NBN結(jié)構(gòu)[22-25]和PMP結(jié)構(gòu)[23,26]。

其中PIN超晶格結(jié)構(gòu)即將傳統(tǒng)PIN的P,I,N層均替換成設(shè)計好單層厚度、總厚度和摻雜濃度的銻化物T2SL材料。銻化物超晶格最常用的P型摻雜為Be，N型摻雜為Si。采用PIN結(jié)構(gòu)的銻化物T2SL探測器已經(jīng)在部分中波紅外單元及陣列探測器中得到應(yīng)用，但是由于該結(jié)構(gòu)中沒有引入勢壘層，高性能器件對材料生長工藝要求極高，目前制備的器件一般暗電流較大，性能不佳。2007年，美國西北大學(xué)NGUYEN等人[11]采用PIN結(jié)構(gòu)制備了響應(yīng)波長覆蓋3μm～11μm的中遠紅外探測器，其量子效率隨吸收區(qū)寬度的增加而顯著增大，而R0A值(其中R0為探測器零偏壓下的電阻，A為光敏面積)受吸收區(qū)寬度影響不大。對于吸收區(qū)寬度為6μm的器件，峰值量子效率為54%(9.15μm)，但其暗電流較大，R0A值較??；對于50%截止波長11μm的探測器件，R0A值僅為12Ω·cm2。

W結(jié)構(gòu)最初用于中紅外激光器中以增加輸出效率，后來被引入到了紅外探測器結(jié)構(gòu)中。W結(jié)構(gòu)為在常規(guī)T2SL的InAs/Ga(In)Sb/InAs結(jié)構(gòu)兩端各插入一層薄的AlSb或AlGaInSb電子勢壘層。勢壘層將InAs層中的電子波函數(shù)限制在Ga(In)Sb空穴勢阱周圍，從而增加了電子和空穴波函數(shù)的重疊，增加了探測器的量子效率。2006年,AIFER等人[13]采用W結(jié)構(gòu)制備了T2SL遠紅外探測器，其在液氮溫度下具有較高的量子效率。隨后該團隊進一步采用該結(jié)構(gòu)結(jié)合吸收區(qū)能帶漸變的結(jié)構(gòu)設(shè)計[14]，極大地降低了暗電流，制備了在78K下響應(yīng)截止波長10.5μm的長波紅外探測器，多個器件的R0A中位數(shù)達到了216Ω·cm2，接近當(dāng)時最好的HgCdTe探測器的水平。

通過在PIN結(jié)構(gòu)的吸收區(qū)和N區(qū)之間加入InAs/GaSb/AlSb/GaSb/InAs的M結(jié)構(gòu)超晶格勢壘層，即可得到M結(jié)構(gòu)的銻化物T2SL。M結(jié)構(gòu)超晶格勢壘層的引入增加了載流子的有效質(zhì)量和價帶的不連續(xù)性，削弱了耗盡區(qū)的擴散和隧穿效應(yīng)，提高了R0A值。2007年,NGUYEN等人[15]首次從理論上確認了在PIN結(jié)構(gòu)中引入M結(jié)構(gòu)超晶格勢壘層的可行性，并隨后在實驗上驗證了M結(jié)構(gòu)對探測器性能的提升作用[16-17]。他們通過在PIN結(jié)構(gòu)的InAs/GaSb超晶格探測器中引入厚度為500nm的M結(jié)構(gòu)超晶格勢壘層，得到的探測器在77K下的響應(yīng)截止波長為10.5μm，R0A為200Ω·cm2，比沒有M結(jié)構(gòu)勢壘層時高1個數(shù)量級。

雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)通過巧妙設(shè)計各超晶格結(jié)構(gòu)，兩端采用寬帶隙的N區(qū)和P區(qū)超晶格使其對遠紅外入射光完全透明，而中間的窄帶隙超晶格吸收區(qū)可響應(yīng)遠紅外入射光，因此降低了表面效應(yīng)對探測器的影響。2008年,DELAUNAY等人[19]首次報道了這種結(jié)構(gòu)的長波紅外探測器，其響應(yīng)截止波長為11μm，兩端接觸層帶隙對應(yīng)波長為5μm，采用SiO2鈍化對探測器的性能幾乎沒有造成影響，但側(cè)壁電阻率增加了1個數(shù)量級。由該結(jié)構(gòu)制成的焦平面陣列的在81K和61K下的噪聲等效溫差分別為26mK和19mK，量子效率高于50%。

CBIRD結(jié)構(gòu)由底部接觸層、InAs/GaSb電子勢壘層、InAs/GaSb吸收層、InAs/AlSb空穴勢壘層以及頂部接觸層組成。在零偏壓或正偏壓下，吸收層中的光生電子通過擴散/漂移可以很容易通過空穴勢壘層而被頂部接觸層吸收；過剩的空穴則通過介電弛豫重新分布，并與底部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)合電流和隧穿電流。2009年，TING等人[20]基于此結(jié)構(gòu)成功研制了截止波長9.9μm長波紅外探測器，-0.2V偏壓、77K下的暗電流密度低至9.99×10-6A/cm2，在沒有鍍增透膜的情況下峰值響應(yīng)度(7μm，8.5μm)達到了1.5A/W。

PBIBN結(jié)構(gòu)為在PIN結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，在吸收層與兩端接觸層之間分別插入電子和空穴勢壘層。該結(jié)構(gòu)的吸收層、接觸層和勢壘層均采用InAs/GaSb超晶格，只是組成各部分的超晶格薄層厚度不同而形成不同的能帶分布，因而有利于提高材料生長均勻性，有效抑制暗電流。2010年,GAUTAM等人[21]采用此結(jié)構(gòu)制備的遠紅外探測器在77K溫度、-0.25V偏壓下的響應(yīng)截止波長為10.8μm，暗電流密度僅為1.2mA/cm2。

NBN結(jié)構(gòu)主要由薄的窄帶隙N型接觸層、寬帶隙電子勢壘層和厚的窄帶隙N型吸收層組成，因此電極兩側(cè)的多子(電子)被勢壘層隔開而光生少子(空穴)能夠自由移動。NBN結(jié)構(gòu)由于不存在耗盡層，因此基本上可以消除間接復(fù)合效應(yīng)(shockley-read-hall，SRH)產(chǎn)生的復(fù)合電流和表面電流，提高探測器的工作溫度。2007年,RODRIGUEZ等人[22]報道了基于銻化物T2SL的NBN型結(jié)構(gòu)的紅外探測器，其在0.2V偏壓、300K溫度下的截止波長為5.2μm，對4.5μm入射波長的量子效率約為18%，由散粒噪聲限制的探測率約為1.0×109cm·Hz1/2·W-1。隨后該團隊又于2010年[24]基于NBN結(jié)構(gòu)成功研制了長波紅外探測器，其在0.1V偏壓、77K溫度下對7μm入射光的探測率為7.15×109cm·Hz1/2·W-1，0.2V偏壓下的量子效率為21.3%，響應(yīng)度為1.28A/W。由于目前基于NBN結(jié)構(gòu)的中紅外探測器中的電子勢壘層依然采用的是AlGaSb塊體材料，整個結(jié)構(gòu)的價帶連續(xù)性不是很好，光響應(yīng)依然和偏壓有關(guān)，這一定程度上限制了該結(jié)構(gòu)性能的發(fā)揮。

PMP結(jié)構(gòu)與NBN結(jié)構(gòu)相對應(yīng)，由薄的窄帶隙P型接觸層、寬帶隙M結(jié)構(gòu)空穴勢壘層和厚的窄帶隙P型吸收層組成。和NBN結(jié)構(gòu)類似，PMP結(jié)構(gòu)同樣能夠減小產(chǎn)生復(fù)合電流和表面漏電流，只是NBN結(jié)構(gòu)的少子為空穴，而PMP結(jié)構(gòu)的少子為電子，且M結(jié)構(gòu)空穴勢壘層也為超晶格結(jié)構(gòu)，更能發(fā)揮帶隙靈活可調(diào)的優(yōu)勢。與空穴相比，光生電子的收集效率更高，因此理論上基于PMP結(jié)構(gòu)探測器的量子效率也更高，性能更優(yōu)。此外由于PMP結(jié)構(gòu)的吸收區(qū)為P型摻雜，空穴的有效質(zhì)量遠大于電子，隧穿通過空穴勢壘層的幾率很小，因此隧穿電流也能得到極大的抑制。2009年，NGUYEN等人[23]報道了基于PMP結(jié)構(gòu)的T2SL遠紅外探測器，其在77K溫度、50mV偏壓下的響應(yīng)截止波長為14μm，暗電流密度為3.3mA/cm2，峰值響應(yīng)度為1.4A/W(9.6μm)，探測率為4×1010cm·Hz1/2·W-1。

基于以上改進的銻化物T2SL結(jié)構(gòu)，人們已經(jīng)成功研制了多種中遠紅外焦平面探測器。例如，2010年，美國西北大學(xué)RAZEGHI團隊首次在GaAs襯底上，分別采用M結(jié)構(gòu)和PMP結(jié)構(gòu)制備了320×256陣列規(guī)模的銻化物T2SL中紅外和遠紅外焦平面探測器，并得到了高質(zhì)量的成像圖，如圖5所示[26]。

圖5 美國西北大學(xué)在GaAs襯底上制備的320×256陣列規(guī)模的銻化物T2SL焦平面探測器成像效果圖[26]

2017年，中國科學(xué)院半導(dǎo)體所NIU團隊采用M結(jié)構(gòu)制備了320×256陣列規(guī)模的銻化物T2SL超遠紅外焦平面探測器，其在77K下的50%截止波長為15.2μm，-20mV偏壓下的峰值探測率達到了5.89×1010cm·Hz1/2·W-1，并得到了包含桌面倒影的清晰圖像，如圖6所示[27]。

2018年，美國西北大學(xué)RAZEGHI團隊又基于NBN結(jié)構(gòu)制備了向短波紅外擴展響應(yīng)的320×256陣列規(guī)模的銻化物T2SL焦平面探測器，其在150K溫度、-400mV偏壓下對1.78μm入射波長的探測率高達2.82×1012cm·Hz1/2·W-1；在300K溫度、-200mV偏壓下對1.78μm入射波長的探測率仍然達到了8.55×109cm·Hz1/2·W-1，說明在室溫下依然具有很高的應(yīng)用價值。圖7為該探測器在不同溫度下的成像效果圖[28]。

圖6 中國科學(xué)院半導(dǎo)體所制備的320×256陣列規(guī)模的M結(jié)構(gòu)超遠紅外銻化物T2SL焦平面探測器成像圖[27]

圖7 美國西北大學(xué)制備的基于NBN結(jié)構(gòu)的向短波紅外擴展響應(yīng)的320×256陣列規(guī)模的銻化物T2SL焦平面探測器在不同工作溫度下的成像效果圖[28]

作者所在團隊系統(tǒng)總結(jié)了銻化物T2SL結(jié)構(gòu)與暗電流的關(guān)聯(lián)關(guān)系[29]，成功研制了響應(yīng)波長覆蓋2μm～12μm的T2SL中遠紅外寬光譜探測器，120K下平均探測率高于1×1011cm·Hz1/2·W-1。

除此之外，美國噴氣推進實驗室、雷神公司，德國夫瑯和費實驗室、AIM(Infrarot-Module GmbH)等單位均對銻化物T2SL中遠紅外探測器進行了深入研究，研究成果在世界范圍處于先進水平，且產(chǎn)品已在部分中遠紅外成像和預(yù)警裝備上得到了應(yīng)用。

4 銻化物T2SL中遠紅外雪崩探測器

由于銻化物T2SL具有超越HgCdTe探測器性能的潛力，基于此結(jié)構(gòu)用于探測微弱中紅外信號的雪崩光電探測器(avalanche photodetector，APD)也開始受到了關(guān)注和研究。最早的銻化物APD是日本富士通公司的MIURA等人[30]于1989年報道的AlGaSb，其響應(yīng)波長為近紅外波段的1.3μm～1.5μm。隨后關(guān)于銻化物APD又有零星報道，且響應(yīng)波長逐漸向更長的波長方向移動。目前對銻化物APD研究最多的是美國麻省理工學(xué)院(MIT)林肯實驗室和伊利諾伊大學(xué)。2007年，美國MIT林肯實驗室的DUERR等人[31]首次報道了工作在蓋革模式下的銻化物(InGaAsSb/AlGaAsSb)APD，其響應(yīng)截止波長為2μm。2008年，該團隊又首次報道了響應(yīng)波長達到中紅外波段，工作在蓋革模式下的銻化物(AlGaAsSb)APD，其對中波3.39μm響應(yīng)靈敏[32]。隨后在2010年，該團隊分別采用InGaAsSb和InAsSb作為吸收層制備了響應(yīng)短波(2μm)和中紅外波長(3.4μm)的工作在蓋革模式下用于光子計數(shù)的APD，并用該短波紅外APD制成了32×32的焦平面陣列，且實現(xiàn)了激光3維成像，如圖8和圖9所示[33]。

圖8 美國林肯實驗室制備的32×32銻化物APD焦平面探測器[33]

圖9 32×32銻化物APD焦平面探測器在蓋革模式下的3維成像圖[33]

對于銻化物T2SL APD，2007年，美國伊利諾伊大學(xué)的MALLICK等人[34]首次報道了采用InAs/GaSb T2SL的中紅外APD，其在77K下的響應(yīng)截止波長為4.14μm，-20V偏壓下的倍增增益達到了600。同年，該團隊通過優(yōu)化工藝減小了探測器噪聲，提高了探測器性能，將響應(yīng)截止波長延伸到了4.92μm，其增益為300時的過剩噪聲因子在0.8～1.2之間，并確認了倍增區(qū)為單電子注入[35]。2009年，該團隊通過改變超晶格結(jié)構(gòu)，使空穴主導(dǎo)雪崩過程，期望利用空穴較大的有效質(zhì)量以減小隧穿電流。這部分工作將APD的響應(yīng)截止波長延伸到了6.3μm，但該探測器的其它性能指標(biāo)還有待提升[36]。2011年，英國謝菲爾德大學(xué)的DANIEL等人[37]報道了采用InGaAs/GaAsSb T2SL作為吸收層，InAlAs為倍增層的APD結(jié)構(gòu)，其吸收截止波長為2.5μm，對于2μm入射光的響應(yīng)度為0.47A/W，且擊穿電壓對溫度不敏感。2013年，美國伊利諾伊大學(xué)的HUANG等人[38]進一步設(shè)計了一種雙載流子高增益低噪聲的InAs/GaSb T2SL結(jié)構(gòu)，但只給出了該結(jié)構(gòu)的性能仿真結(jié)果，未見相關(guān)實驗結(jié)果報道。除此之外，銻化物T2SL中紅外APD鮮見其他團隊的報道。實際上在整個世界范圍，該研究領(lǐng)域也尚處于剛剛起步的階段，距離實際應(yīng)用還有很大的距離；銻化物T2SL遠紅外APD則尚無人涉獵。

5 結(jié)束語

銻化物T2SL材料由于其特殊的能帶結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的器件性能，在需求日益緊迫和廣泛的中遠紅外探測領(lǐng)域具有極大的發(fā)展空間和應(yīng)用前景。銻化物T2SL中遠紅外探測器材料結(jié)構(gòu)和性能影響因素已經(jīng)有了較為充分的研究，且在國際國內(nèi)都實現(xiàn)了較大規(guī)模焦平面陣列的應(yīng)用演示，但在針對中遠紅外波段微弱光雪崩探測方面還有很長的路要走。