高性能锑化物超晶格中红外探测器研究进展

中红外探测技术作为一种重要的被动探测手段，在各个领域都有着非常重要的作用。高性能的制冷型红外探测器材料主要包括HgCdTe（MCT）、InSb体材料、Sb化物II类超晶格和量子阱探测器等。Sb化物II类超晶格材料同时具有俄歇复合率低、电子有效质量大、材料均匀性好等特点，InAs/GaSb超晶格是最早研究的II类超晶格结构，基于该结构的Sb化物焦平面性能迅速提升，已接近或超过MCT和InSb探测器。

其中，以InAs/InAsSb超晶格材料为基础的无Ga型Sb化物II类超晶格探测器，由于去除了Ga原子的缺陷，具有更高的少子寿命，有利于提高探测器性能。此外，使用光子晶体结构，进行表面光学性能调控，可以提高器件的响应度，从而降低材料吸收区厚度，降低器件暗电流。暗电流的降低和响应度的提升，进一步优化了探测器的性能，进而提高器件工作温度，进一步降低探测系统的体积、重量和功耗。研究表明：使用光子晶体结构可以在不改变外延材料结构的前提下，提高器件量子效率，实现响应光谱的展宽，在实际应用中具有重要的意义。

据麦姆斯咨询报道，近期，中国科学院大学半导体研究所牛智川研究员、吴东海研究员课题组在《红外与激光工程》期刊上发表了以“高性能锑化物超晶格中红外探测器研究进展”为主题的综述文章。通讯作者为吴东海研究员，吴东海研究员主要从事锑化物半导体低维材料和红外光电器件方面的研究工作。

这项研究综述和讨论了InAs/InAsSb 超晶格探测器和光子晶体结构探测器材料生长、结构设计的主要技术问题，详细介绍了两种提高中红外探测器性能的方案及国内外的研究进展。

各研究机构报道的无Ga型II超晶格、HgCdTe、InAs/GaSb二类超晶格及其他III-V族红外探测器在77K温度时的少数载流子寿命

InAs/GaSb超晶格中存在着严重的SRH复合，研究发现，与Ga有关的本征缺陷在禁带中心附近引入了缺陷能级形成的复合中心是导致SRH机制主要原因，因此，无Ga型的InAs/InAsSb超晶格结构被提出。与更成熟的InAs/GaSb II类超晶格相比，InAs/InAsSb II类超晶格生长相对容易。

InAs/InAsSb II类超晶格红外探测器通常使用nBn型器件结构。但是，在nBn势垒结构设计中，为了抑制扩散电流，会有意对n型接触层进行重掺杂，同时吸收层保持在低掺杂水平，这将导致吸收层和接触层之间的费米能级不同，出现一个空穴垒，导致探测器光响应的偏压依赖性，降低探测器性能。而p+-B-n势垒结构，采用AlAsSb/InAsSb超晶格势垒，解决了探测器光响应的偏压依赖性问题。

能带结构示意图：(a) InAs/InAs0.45Sb0.55吸收区能带结构；(b) AlAs0.45Sb0.55/InAs0.45Sb0.55势垒层能带结构；(c) p+-B-n器件能带结构示意图

除了采用能带调控方法提高Sb化物红外探测器性能之外，光学调控也是非常有效的一种方法。光学调控通常采用表面微纳结构，如光子晶体、陷光结构、表面等离子体增强等，调控入射光的空间分布。通过在红外探测器表面制备表面微纳结构，可以实现器件对红外光的吸收和响应谱变化。

不同的光学结构设计：(a) 金光子晶体结构；(b) 纳米天线结构；(c) 沉积型Ge金属光栅结构

InAs/InAsSb超晶格红外探测器研究在短短几年时间内取得的快速进展，充分说明了InAs/InAsSb超晶格在实现高温工作探测器方面具有的发展潜力，但充分发挥该材料体系的优越性能仍然面临很大的技术挑战，例如：如何进一步提高InAs/InAsSb超晶格材料的吸收系数，如何向短波方向拓展该材料体系的截止波长以及如何发展有效可靠的器件钝化技术等等。

未来InAs/InAsSb超晶格红外探测器仍具备较大的发展空间，包括：设计势垒型探测器结构，抑制探测器暗电流，进一步提高探测器工作温度；通过在器件表面制备微结构，提高器件的吸收效率；发展新型表面钝化技术，例如ALD沉积Al2O3材料等，抑制探测器表面漏电流等等。随着新型器件结构的创新、材料生长技术的优化和器件制备工艺的完善，相信Sb化物II类超晶格探测器性能将得到提高和稳定，在更多的应用领域展现其优异的性能。

该项目获得科技部重点研发计划（2018YFA0209104，2019YFA070104）的支持。该研究第一作者为中国科学院大学半导体研究所助理研究员郝宏玥，主要从事锑化物半导体红外光电探测芯片方面的研究。

审核编辑 ：李倩