InAs/GaSb Ⅱ類超晶格長波紅外探測器研究進(jìn)展

田亞芳，史衍麗，李方江

〈綜述與評論〉

InAs/GaSb Ⅱ類超晶格長波紅外探測器研究進(jìn)展

田亞芳1，史衍麗2，李方江1

（1. 昆明理工大學(xué) 理學(xué)院，云南 昆明 650091；2. 云南大學(xué) 物理與天文學(xué)院，云南 昆明 650091）

本文系統(tǒng)報道了基于InAs/GaSb Ⅱ類超晶格（T2SLs）的長波紅外探測器的研究進(jìn)展。從襯底、材料生長以及器件性能角度對比分析了基于GaSb、InAs襯底的各種器件結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)。分析結(jié)果表明，以InAs為襯底、吸收區(qū)材料為InAs/InAs1－Sb、PB1IB2N型的結(jié)構(gòu)為相對優(yōu)化的器件結(jié)構(gòu)設(shè)計，結(jié)合ZnS和Ge的多層膜結(jié)構(gòu)設(shè)計或者重?fù)诫s緩沖層，同時采用電感耦合等離子體（inductively coupled plasma）干法刻蝕工藝，該器件的50%截止波長可達(dá)12mm，量子效率（quantum efficiency）可提升到65%以上，暗電流密度降低至1×10－5A/cm2。并歸納總結(jié)了InAs/GaSb T2SLs長波紅外探測器未來的發(fā)展趨勢。

InAs/GaSbⅡ類超晶格；器件結(jié)構(gòu)；暗電流；量子效率；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

0 前言

隨著材料技術(shù)的發(fā)展，InAs/GaSbⅡ類超晶格（T2SLs）的優(yōu)越性日益凸顯，特別適用于中長波紅外（mid-and long-wave infrared，MLWIR）和甚長波紅外（very long-wave infrared, VLWIR）探測[1-4]?；贗nAs/GaSb T2SLs的光電探測器因具有俄歇復(fù)合速率較低、載流子壽命相對較長、以及吸收系數(shù)大等特點(diǎn)[5-7]，在氣象監(jiān)測、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[8-10]。尤其是大尺寸紅外焦平面陣列（focal plane array, FPA）具有更大的視場、更高的角度分辨率，適合于現(xiàn)場跟蹤和監(jiān)視應(yīng)用，一直倍受人們關(guān)注[11-13]。

由于InAs的晶格常數(shù)（＝6.0584?）與GaSb的晶格常數(shù)（＝6.0959?）非常接近[14]，因此，InAs/GaSb超晶格（SLs）與GaSb、InAs襯底都能緊密匹配。為了降低暗電流提高探測器性能，對基于GaSb的T2SLs探測器與基于InAs的T2SLs探測器，國內(nèi)外在改善器件結(jié)構(gòu)設(shè)計上做過諸多研究。美國西北大學(xué)量子器件中心的Abbas Haddadi等人提出了NBN（PBN）結(jié)構(gòu)[15-17]，上海技術(shù)物理所Chen Jianxin等人采用分子束外延（molecular beam epitaxy, MBE）技術(shù)把結(jié)構(gòu)從最初的PIN（PΠN）改善到現(xiàn)在的PB1IB2N（PB1ΠB2N）結(jié)構(gòu)[18-20]。隨著結(jié)構(gòu)的優(yōu)化探測器性能也得到大幅提升。此外，中科院半導(dǎo)體所的Niu Zhichuan團(tuán)隊(duì)近年來報道了一種NMΠP結(jié)構(gòu)的InAs/GaSb T2SLs長波紅外探測器結(jié)構(gòu)，更是將響應(yīng)波長擴(kuò)展到甚長波段（50%截止波長為15.2mm）[7]。

本文在深入調(diào)研InAs/GaSb T2SLs長波紅外探測器結(jié)構(gòu)的發(fā)展基礎(chǔ)上，系統(tǒng)報道了以GaSb為襯底和以InAs為襯底探測器的結(jié)構(gòu)設(shè)計研究進(jìn)展，從暗電流密度、量子效率（quantum efficiency, QE）、響應(yīng)波長等器件性能角度方面對比分析了各種結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)。結(jié)合ZnS和Ge多層膜的微結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計或者重?fù)诫s緩沖層，同時采用電感耦合等離子體（inductively coupled plasma,ICP）干法刻蝕工藝，總結(jié)了提高InAs/GaSb T2SLs長波紅外探測器性能的最新優(yōu)化方案，并從材料生長、高溫探測、微納結(jié)構(gòu)和多色探測4個方向展望了InAs/GaSb T2SLs長波紅外探測器未來的發(fā)展趨勢。

1 基于GaSb的T2SLs探測器

以GaSb為襯底的長波紅外探測器結(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襯底上生長的PIN結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)依次包含1mm的N型InAsSb層、50個周期的Si摻雜的13ML InAs/7ML GaSb SLs、無摻雜的2.5mm的13ML InAs/7ML GaSb SLs吸收區(qū)、50周期的Be摻雜的13ML InAs/7ML GaSb SLs和50nm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。

經(jīng)K×P模型計算，在77K溫度時，－50mV的反向偏壓下，該器件的暗電流密度為4.3×10－5A/cm2。研究表明，低偏壓下器件的暗電流主要因產(chǎn)生-復(fù)合過程而形成，高偏壓下主要由隧穿電流構(gòu)成。在77K下50%截止波長只有8mm，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1.5ns）[20]，光生載流子的擴(kuò)散長度也較短。

圖1 基于GaSb的PIN結(jié)構(gòu)器件示意圖

產(chǎn)生-復(fù)合和隧穿暗電流與帶隙相關(guān)，可以通過將較寬的帶隙材料插入空間電荷區(qū)（space charge region）來有效地抑制它們[18]。特別對于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)計不同的勢壘結(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MBE生長技術(shù)，引入電子勢壘層和空穴勢壘層，設(shè)計出具有雙勢壘結(jié)構(gòu)PB1IB2N光電探測器[18]，其結(jié)構(gòu)如圖2(a)所示。

在GaSb襯底上生長1.5mm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空穴勢壘區(qū)B1，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電子勢壘區(qū)B2；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0.05mm厚的Be摻雜GaSb作為頂部接觸層。

圖2(b)為雙勢壘PB1IB2N探測器結(jié)構(gòu)的全能帶結(jié)構(gòu)圖。從K×P模型計算得到[18]，InAs/AlSb空穴勢壘層的能帶隙為459meV，與吸收層的導(dǎo)帶偏移為零，即相對于吸收層的價帶偏移約為356meV。

經(jīng)測試該P(yáng)B1IB2N結(jié)構(gòu)的探測器在80K下的100%截止波長為12.5mm，這是覆蓋長波紅外大氣窗口的技術(shù)重要波長。雖然暗電流密度在80K、－50mV的反向偏壓下為1.1×10－3A/cm2，動態(tài)微分電阻面積乘積（）為14.5Wcm2，但是其量子效率提高到了30%，且比探測率*為1.4×1011m·Hz1/2·W－1。

圖2 基于GaSb的PB1IB2N結(jié)構(gòu)的器件示意圖及其能帶結(jié)構(gòu)圖

除了InAs/GaSb T2SLs外，InAs/InAs1－SbT2SLs已被證明比InAs/GaSb具有更長的載流子壽命，并已被提出作為紅外光電探測器的替代方案[16]。與InAs（＝6.0584?）和GaSb（＝6.0959?）相比，InAs和InAs1－Sb（InAs0.45Sb0.55的晶格常數(shù)＝6.3250?）[21]化合物不是緊密晶格匹配的[17]，其組成層厚度的改變必須仔細(xì)考慮InAs1－Sb層，在需要大量Sb的LWIR和VLWIR體系中尤其如此。因此，設(shè)計器件結(jié)構(gòu)時，在保障探測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)量的材料具有較長的少子擴(kuò)散長度，從而實(shí)現(xiàn)高量子效率；此外，還需設(shè)計一個高度可控的勢壘，有效阻擋導(dǎo)帶中的大多數(shù)電子的同時，確保價帶中少數(shù)空穴的自由移動。為解決上述問題，可以在超晶格中加入含Sb組分較大的（＞0.5）的InAs1－Sb合金，同時降低InAs厚度，并通過模擬計算精確控制應(yīng)變平衡，這可以增加電子空穴波函數(shù)的交疊[16]，從而得到較大的吸收系數(shù)；另外，為了在導(dǎo)帶中產(chǎn)生勢壘，在InAs中間插入一層薄薄的AlAs，由于AlAs（＝5.6622?）[22]與InAs（＝6.0584?）材料之間有6.5%的晶格失配，只能使用一個或兩個單層組成的薄層。

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率，對于GaSb為襯底的探測器，USA西北大學(xué)[15]提出了吸收區(qū)為InAs/InAs1－Sb材料的NBN（PBN）結(jié)構(gòu)的探測器。在Te摻雜的N型GaSb晶圓上以MBE方式生長0.1mm的GaSb緩沖層和0.5mmN摻雜InAs0.91Sb0.09緩沖層，以使表面光滑；然后是0.5mm的N+接觸層；接著是6mm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0.5mm勢壘層，其材料由每周期6/2/6/7ML的InAs/AlAs/InAs/InAs0.45Sb0.55SLs組成；最后是0.5mm的N接觸層。N接觸超晶格的設(shè)計類似于吸收區(qū)SLs的設(shè)計，采用Si作為N型摻雜劑。該NBN結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖4為該NBN結(jié)構(gòu)探測器的能帶結(jié)構(gòu)及工作原理示意圖。從圖(a)中可以看出InAs/AlAs/InAs/ InAs0.45Sb0.55SLs勢壘阻止了大多數(shù)電子的輸運(yùn)，同時允許少數(shù)空穴和光生載流子從左邊的有源區(qū)域擴(kuò)散。即在具有勢壘層的超晶格中，產(chǎn)生了能帶對齊和有效帶隙。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)的探測器工作原理及能帶結(jié)構(gòu)示意圖[16]：(a) NBN結(jié)構(gòu)的探測器工作原理示意圖；(b) NBN結(jié)構(gòu)的探測器能帶結(jié)構(gòu)及有效帶隙圖

經(jīng)測試，該NBN結(jié)構(gòu)的探測器在77K時具有10mm的50%截止波長，且其暗電流密度在77K和－90mV偏置電壓下為4.4×10－4A/cm2，而－90mV是器件量子效率飽和的偏置電壓。動態(tài)微分電阻面積乘積在－90mV偏置時達(dá)到其局部最大值119Wcm2。在正面光照和沒有應(yīng)用任何抗反射（anti-reflection）涂層的情況下，該探測器在77K時的飽和量子效率高達(dá)54%，這證實(shí)了材料的高質(zhì)量，同時表明量子效率仍隨著器件厚度的增加而增加，此時不受少子擴(kuò)散長度的限制。另外，該探測器的探測率為2.8×1011cm·Hz1/2·W－1，且在－70～－90mV時保持相對穩(wěn)定[16]。很顯然，該NBN結(jié)構(gòu)探測器的綜合性能明顯高于之前所述的InAs/GaSb SLs探測器，這使得其成為LWIR紅外成像應(yīng)用的理想選擇。

2 基于InAs的T2SLs探測器

盡管取得諸多進(jìn)展，InAs/GaSb T2SLs光電探測器仍然存在少數(shù)載流子壽命短的問題。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[23-24]，而SRH復(fù)合又是由材料缺陷引起的。因此，對于器件應(yīng)用而言非常迫切需要生長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單分子層來平衡應(yīng)變[14]。此外，基于GaSb的InAs/GaSb SLs的典型生長溫度約為400℃[20]，如此低的生長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，開始了基于InAs襯底的InAs/GaAsSb SLs探測器的研究[25-26]。通過在InAs襯底上生長T2SLs材料，不需要刻意的界面設(shè)計來平衡層之間的應(yīng)變，這更容易生長高質(zhì)量的材料，且能夠顯著提高T2SLs材料的生長溫度（約480℃）[14]。較高的生長溫度有利于促進(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，InAs層厚度主要決定了T2SLs探測器的截止波長，通過在InAs襯底上生長SLs，在每個周期內(nèi)增加InAs層厚度以擴(kuò)大截止波長將非常簡單[20]。因此，基于InAs的InAs/ GaAsSb SLs可以作為長波長和超長波長紅外探測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)[20]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襯底上生長的T2SLs器件，其結(jié)構(gòu)從下到上依次為：首先是1.0mm厚的Si摻雜InAs緩沖層，然后是0.5mm厚的Si摻雜20ML InAs/9ML GaAsSb SLs，接著是2.5mm厚的非摻雜20ML InAs/9ML GaAsSb SLs吸收區(qū)，最后是0.5mm厚的Be摻雜20ML InAs/9ML GaAsSb SLs，并在其表面覆蓋50nm摻Be的GaSb接觸層。該P(yáng)IN結(jié)構(gòu)如圖5(a)所示。

應(yīng)用K×P模型計算InAs/GaAs0.09Sb0.91超晶格的能帶結(jié)構(gòu)如圖5(b)所示[14]，InAs導(dǎo)帶底部位于GaAs0.09Sb0.91價帶頂部下方，帶偏移能量為70meV[14]。因此，InAs/GaAs0.09Sb0.91異質(zhì)結(jié)構(gòu)仍然保持“斷隙”的Ⅱ類超晶格能帶結(jié)構(gòu)，這使得我們可以通過使用與InAs/InAsSb超晶格相比相對較薄的InAs層來實(shí)現(xiàn)截止波長。

經(jīng)測試，該P(yáng)IN結(jié)構(gòu)器件在80K時具有10mm的50%截止波長，且其暗電流密度和零偏置電阻面積（0）在80K和－30mV偏置電壓下分別為4.01×10－5A/cm2、36.9Wcm2。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%截止波長要比基于InAs的PIN器件的短2mm?？梢灶A(yù)見，在截止波長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（10ns）比基于GaSb的（1.5ns）器件高出近7倍[20]，而基于InAs的器件的缺陷密度比基于GaSb的器件低了一個數(shù)量級以上[14]。所以，基于GaSb器件的產(chǎn)生-復(fù)合（generation-recombination）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80K時量子效率為45%左右，探測率為7.4×1010cm·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[13]對以InAs為襯底、器件結(jié)構(gòu)PB1IB2N（PB1ΠB2N）的InAs/GaAsSb長波紅外探測展開了研究，并研制出了大尺寸（320×256）高性能的FPA。在80K時，該探測器100%截止波長為9.5mm，在－0.02V偏壓下器件顯示出1.7×10－5A/cm2的均勻暗電流和1.5×103Wcm2的動態(tài)微分電阻面積（）。在400ms積分時間、300K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20.7mK和99.2%[13]。該高性能FPA進(jìn)一步驗(yàn)證了基于InAs的InAs/GaAsSb T2SLs在LWIR檢測中的可行性。

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)[6,9,27]。然而為了匹配讀出電路（readout integrated circuit, ROIC）的不同極性，還應(yīng)設(shè)計基于InAs襯底的N-on-P極性的器件結(jié)構(gòu)。此外，InAs/GaSb T2SLs長波紅外探測器器件除了以MBE的方式生長外，還可以以金屬有機(jī)化學(xué)氣象沉積（metal-organic chemical vapor deposition, MOCVD）的方式生長，且該方式的生長溫度高（530℃）[28]，有利于生長高質(zhì)量的器件材料。2020年中科院蘇州納米研究所的Teng Yan等人[29]報道了利用MOCVD在InAs襯底上生長InAs/GaSb T2SLs，實(shí)現(xiàn)了具有N-on-P極性的高性能長波紅外探測器，以滿足不同外圍電路的需求。在MOCVD生長的InAs基InAs/GaSb T2SLs探測器中，鋅（Zn）被作為P型摻雜劑，但由于其高擴(kuò)散率[30]可能會破壞異質(zhì)結(jié)并降低器件性能（造成高泄漏電流），因此在P型區(qū)域生長后插入未摻雜的T2SLs間隔層，以防止Zn擴(kuò)散到勢壘層。

通過MOCVD生長在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：200nm厚的P-MWSL接觸層（＝1×1018cm－3），200nm厚的未摻雜的MWSL間隔層，200nm厚的N-MWSL勢壘層（＝2×1016cm－3），1.0mm厚的N-LWSL吸收區(qū)（＝2×1016cm－3），最后是20nm厚的高摻雜頂部接觸層（＝1×1018cm－3）。其中，P-MWSL和N-MWSL由6ML InAs/8ML GaSb SLs組成，截止波長為4mm；N-LWSL吸收區(qū)由20ML InAs/8ML GaSb SLs組成，截止波長為10mm。

圖6 基于InAs的N-on-P極性結(jié)構(gòu)器件示意圖

經(jīng)測試，該N-on-P極性的器件在80K時100%截止波長為12mm，－0.1V偏壓下，暗電流密度為6.0×10－4A/cm2，探測率為8.3×1010cm·Hz1/2·W－1?？梢?，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%）。

3 量子效率和暗電流的改進(jìn)

對于LWIR光電探測器來說，量子效率和暗電流是實(shí)現(xiàn)高探測率的兩個關(guān)鍵參數(shù)。T2SLs光電探測器電學(xué)性能雖然可以通過增加勢壘層的結(jié)構(gòu)設(shè)計而得到很大的改善，但仍存在吸收系數(shù)有限、反射損失等問題[31]，這使得難以實(shí)現(xiàn)高量子效率，同時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，同時從制備工藝方面進(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[31]通過實(shí)驗(yàn)和模擬計算的方法，研究一組不同吸收區(qū)厚度的基于InAs襯底的InAs/GaAsSb T2SLs LWIR探測器時，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)了一個高QE（大于65%）的基于InAs的T2SLs LWIR探測器，該探測器吸收區(qū)域薄至3.55mm，且沒有任何AR涂層。該研究結(jié)果提供了一種簡單而有效的方法來提高薄膜光電探測器的光學(xué)吸收，尤其是對于吸收系數(shù)低的材料。此基于InAs的InAs/GaAsSb探測器為如圖7所示的PBIBN結(jié)構(gòu)。

在480℃溫度下，以MBE方式在N型InAs襯底上生長1.2mmSi摻雜（＝2×1018cm－3）的InAs緩沖層，然后是35周期Si摻雜（＝1.5×1017cm－3）的13ML InAs/5ML GaAsSb N型SLs，一個空穴勢壘和梯度勢壘，3.55mm厚的Be摻雜（＝2.5×1015cm－3）的22ML InAs/9ML GaAsSb SLs吸收區(qū)，一個電子勢壘和20周期Be摻雜（＝1×1017cm－3）的22ML InAs/9ML GaAsSb P型SLs，最后在其頂部添加一薄的Be摻雜（＝1×1018cm－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（physical vapor deposition, PVD）方法在去除襯底之后的緩沖層表面沉積多層薄膜，使探測器與多層薄膜結(jié)合形成F-P腔共振，通過入射光與探測器的耦合激發(fā)共振效應(yīng)，能調(diào)控器件50%的截止波長[32]；同時，多層薄膜也會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）或它們的組合對長波紅外輻射沒有吸收或吸收微弱，因此長波InAs/GaSb T2SLs紅外FPA的設(shè)計和生長多采用由ZnS和Ge組成的多層薄膜結(jié)構(gòu)[32]。

SHI Rui等人通過仿真與實(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（perfect matched layer, PML）作為分析電磁散射問題的吸收邊界條件，且在相鄰像素之間使用周期邊界條件[32]。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，與沒有多層薄膜的FPA相比，多層薄膜使其響應(yīng)峰位置從8.7mm和10.3mm擴(kuò)展到9.8mm和11.7mm，50%響應(yīng)截止波長從11.6mm移動到12.3mm，并且在波長為12mm處的響應(yīng)強(qiáng)度增加了69%[32]?？梢姡瑑?yōu)化的多層薄膜不僅可以調(diào)控FPA的響應(yīng)波長，還可以增強(qiáng)光譜響應(yīng)，這種微結(jié)構(gòu)設(shè)計為實(shí)現(xiàn)更高靈敏度和更高成像能力的長波紅外探測器提供了更好的平臺。

圖7 高摻雜緩沖層的PBIBN結(jié)構(gòu)器件示意圖

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[32]

InAs/GaSb T2SLs雖然被認(rèn)為是第三代高性能LWIR探測器FPA的最佳候選材料[33-34]，但FPA的臺面型結(jié)構(gòu)使得探測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。表面電流來自于探測器側(cè)壁表面，被認(rèn)為是來自于臺面形成過程中周期性晶體結(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)率類型反轉(zhuǎn)[35]。濕法刻蝕和干法刻蝕均可用于InAs/GaSb超晶格FPA的臺面形成，而消除壁面游離Sb和GaSb是優(yōu)化刻蝕工藝的關(guān)鍵[36]。研究認(rèn)為，在濕法刻蝕過程中，游離Sb會在表面形成，從而在表面產(chǎn)生電流通道[37]；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1×10－5A/cm，而且還能得到接近垂直的光滑側(cè)壁，這對于具有小像素間距的大陣列FPA是非常必要的[38]。

綜上所述，基于GaSb與基于InAs的InAs/GaSb T2SLs長波紅外探測器，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)，對應(yīng)于不同器件性能。基于以上5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)對比如表1所示。表中所有性能參數(shù)均是在75～80K溫度范圍內(nèi)測得。需要特別說明的是，InAs-substrate的PB1IB2N結(jié)構(gòu)的探測器暗電流密度和量子效率是器件經(jīng)過了微結(jié)構(gòu)處理和ICP刻蝕工藝之后測得的。

從表中可以看出，對基于GaSb的探測器而言，PB1IB2N結(jié)構(gòu)器件的量子效率高出PIN結(jié)構(gòu)器件的一倍，但同時其暗電流密度明顯增大；而NBN結(jié)構(gòu)探測器的綜合性能顯著高于前兩者。此外，InAs/GaSbⅡ類超晶格長波紅外探測的結(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PB1IB2N結(jié)構(gòu)，其截止波長、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T2SLs材料時，不需要刻意的界面設(shè)計來平衡層之間的應(yīng)變，這使得生長高質(zhì)量的材料相對于在GaSb襯底上的更容易，且能夠提高T2SLs材料的生長溫度，較高的生長溫度有利于促進(jìn)二維外延，提高晶體質(zhì)量；同時，InAs層厚度主要決定了T2SLs探測器的截止波長，通過在InAs襯底上生長SLs，在每個周期內(nèi)增加InAs層厚度以擴(kuò)大截止波長也變得相對簡單。

表1 不同結(jié)構(gòu)的GaSb/InAs探測器性能參數(shù)對比

4 發(fā)展趨勢

InAs/GaSb T2SLs長波紅外探測器在短短十幾年內(nèi)取得了快速發(fā)展，隨著新型器件結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新、材料生長技術(shù)的優(yōu)化和器件制備工藝的完善，InAs/GaSb T2SLs紅外探測器在性能提升、高溫工作、多色探測等方面將得到進(jìn)一步的發(fā)展：

1）生長機(jī)理探索，MBE生長技術(shù)優(yōu)化。InAs/GaSb T2SLs長波紅外探測器性能主要受制于材料質(zhì)量而非理論預(yù)測。面對AlSb、GaSb、InSb等Sb化物的反常生長速率[39]，探索Sb化物的MBE生長機(jī)理已成為提高器件性能亟待解決的問題；同時需要進(jìn)一步優(yōu)化MBE生長技術(shù)，提高生長溫度，降低材料缺陷密度，提升材料的生長質(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)及材料生長領(lǐng)域進(jìn)行不斷的研究以優(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)[40]、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)一步抑制探測器表面漏電，對于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。現(xiàn)有的InAs/ GaSb T2SLs長波紅外探測器均是制冷型器件，體積大使得移動受限，同時成本也高。已有報道[41]實(shí)現(xiàn)了室溫下（300K）InAs/GaSb T2SLs短波紅外探測器的應(yīng)用，但實(shí)現(xiàn)高溫（150K）乃至室溫下的長波探測，InAs/GaSb T2SLs紅外探測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。InAs/GaSb T2SLs紅外探測器不僅在改進(jìn)單色探測器性能方面逐步成熟，同時，在雙色紅外探測[17]成像方面也取得一系列的進(jìn)展。多色探測能同時得到不同波段的光譜信息，顯著提高對目標(biāo)物的識別與跟蹤，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多色長波紅外探測器的產(chǎn)業(yè)化具備廣闊的前景，將成為新一代紅外探測系統(tǒng)最有力的競爭者。

5 總結(jié)

InAs/GaSb T2SLs長波紅外探測器的襯底材料有GaSb和InAs兩種，本文系統(tǒng)報道了基于這兩種襯底的器件結(jié)構(gòu)設(shè)計的研究進(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PB1IB2N（PB1ΠB2N）結(jié)構(gòu)，其吸收區(qū)材料從InAs/GaSb改善到InAs/InAs1－Sb或InAs/GaAs1－Sb，隨著器件結(jié)構(gòu)的優(yōu)化探測器性能也得到大幅提升。綜合考慮截止波長、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/InAs1－Sb、結(jié)構(gòu)為PB1IB2N型的長波紅外探測器體現(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)計或者重?fù)诫s緩沖層，同時采用ICP干法刻蝕工藝，該器件的50%截止波長達(dá)到12mm，量子效率提升到65%以上，暗電流密度降低到1×10－5A/cm2。與此同時，與Sb基能帶工程相關(guān)的物理學(xué)將給InAs/GaSb T2SLs長波紅外探測器結(jié)構(gòu)帶來新的性能提升[42]，對應(yīng)的FPA在可操作性、空間均勻、可擴(kuò)展性等方面將表現(xiàn)越來越出色。

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Research Progress of InAs/GaSb Type-II Superlattice Long-wave Infrared Detector

TIAN Yafang1，SHI Yanli2，LI Fangjiang1

(1.,,650091,;2.,,650091,)

In this study, the research progress of long-wave infrared detectors based on InAs/GaSb type-II superlattices (T2SLs) is systematically reported. The advantages and disadvantages of various device structures based on GaSb and InAs substrates are compared and analyzed from the perspective of substrate, material growth, and device performance. The results show that the structure of the device with InAs as the substrate, InAs/InAs1-xSbas the absorber material, and PB1IB2N type is a relatively optimized design. Combining the multilayer structure design of ZnS and Ge, a heavy doping buffer layer, and the inductively coupled plasma (ICP) dry etching process, the 50% cutoff wavelength of the device can achieve 12mm, the quantum efficiency (QE) can be increased to more than 65%, and the dark current density can be reduced to 1×10-5A/cm2. Finally, the future development trend of InAs/GaSb T2SLs long-wave infrared detectors is summarized.

InAs/GaSb type-II superlattices, device structure, dark current, quantum efficiency, structure optimization

TN213

A

1001-8891(2023)08-0799-09

2023-05-05；

2023-08-07.

田亞芳（1978-），女，湖北赤壁人，實(shí)驗(yàn)師，研究方向?yàn)榘雽?dǎo)體光電材料與器件。E-mail：xntyf@sohu.com。

史衍麗（1969-），女，山東鄆城人，研究員，博導(dǎo)，研究方向?yàn)榘雽?dǎo)體光電器件物理與器件研究。E-mail：ylshikm@hotmail.com。

云南貴金屬實(shí)驗(yàn)室科技計劃項(xiàng)目（YPML-2022050220）。