面向高工作温度应用的带间级联红外光电器件

目前红外光电焦平面探测器工作在低温、甚至深低温条件下，需要给探测器配备金属杜瓦营造真空环境并用制冷机给杜瓦组件提供制冷，红外焦平面制冷组件的重量和功耗主要来自于杜瓦和制冷机，并且与工作温度密切关联。提高器件工作温度对于降低红外系统的体积、重量和成本是十分重要的。高温工作探测器是第三代红外焦平面发展的重要方向之一，对于提高光电系统的适用性和可靠性具有广泛而深远的意义，可以极大地推动红外技术在微型无人机、车载平台、便携式手持装备等小型化设备上的应用。

高工作温度下红外探测器暗电流主要来自于产生-复合暗电流和扩散电流。带间级联探测器结合了势垒结构与多级吸收区结构的特点，通过多量子阱弛豫和隧穿实现光生载流子单方向输运，可以有效降低来自PN结耗尽区的产生-复合暗电流；利用多级短吸收区结构，在扩散长度很短的情况下仍然可以有效地收集光生载流子，从而可以提高探测器在高工作温度下的探测性能。

据麦姆斯咨询报道，近期，中国科学院上海技术物理研究所（以下简称“上海技物所”）红外成像材料与器件重点实验室周易研究员和陈建新研究员课题组在《红外与毫米波学报》期刊上发表了以“面向高工作温度应用的带间级联红外光电器件”为主题的综述文章。周易研究员长期从事超晶格红外探测核心元器件的研制工作，陈建新研究员主要从事InAs/GaSb II类超晶格红外探测器及新型红外光电器件的研究工作。

带间级联探测器能带结构示意图

带间级联红外探测器是一种基于锑化物超晶格材料的多吸收区级联结构，采用锑化物InAs/Ga（As）Sb超晶格作为吸收区，以InAs/Al（As）Sb多量子阱构成声子共振散射驰豫区，以Ga（As）Sb/Al（As）Sb多量子阱构成隧穿区。

这项研究重点总结分析了目前上海技物所在高工作温度带间级联探测器、高带宽中红外带间级联探测器以及高转换效率中红外带间级联发光器件的研究进展。在带间级联探测器方面，上海技物所在高工作温度下，制备了320×256规模的中波带间级联探测器焦平面阵列，135K工作温度下NETD为34.3mK，145K工作温度下可以获得较为清晰的红外热成像。制备了浸没透镜后10级器件的响应率，在浸没透镜和减反膜的作用下，响应率提高了7.5倍左右，室温下5μm处的探测率达到了4.7×109 cm·Hz1/2/W。对带间级联探测器的频率响应特性进行了研究，40μm尺寸器件在-5V偏压下3dB带宽可以达到5.06GHz。对中红外带间级联发光器件进行了研究，5级带间级联发光器件300K工作温度和350mA注入电流下电光转化效率为0.06%，发光功率密度达到0.73W/cm2。

带间级联LED能带结构示意图

该项目获得国家自然科学基金（61904183、61974152、62104237、62004205）、中国科学院青年创新促进会会员资助（Y202057）、上海市科技启明星计划（20QA1410500）、上海市扬帆计划（21YF1455000）的支持。该研究的第一作者为上海技物所柴旭良，主要从事带间级联光电子器件领域的研究。

审核编辑 ：李倩