InAs／GaSb II型超晶格紅外探測器的研究進展

宋淑芳，鞏 鋒，周立慶

（華北光電技術研究所，北京100015）

·綜述與評論·

InAs／GaSb II型超晶格紅外探測器的研究進展

宋淑芳，鞏 鋒，周立慶

（華北光電技術研究所，北京100015）

InAs／GaSb II型超晶格材料理論上性能優于HgCdTe、InSb等紅外探測材料，基于成熟的III－V族化合物材料與器件工藝，使得II型超晶格材料容易滿足均勻大面陣、雙色或多色集成等紅外探測器的要求，因而InAs／GaSb II型超晶格材料將逐步替代HgCdTe、InSb等材料成為第三代紅外探測器的首選材料。本文闡述了InAs／GaSb超晶格紅外探測器的基本原理、以及材料生長和器件結構，并對其研究進展進行了綜述性介紹。

II類超晶格；紅外材料；紅外探測器

1 引 言

HgCdTe紅外探測器以其優越的材料性能長期占據高性能紅外探測器的統治地位，是唯一大規模商業化生產的紅外光探測材料。但是HgCdTe材料也有著自身的缺點［1］：Hg－Te鍵比較弱，易形成Hg空位，以及活動力強的Hg原子，因而影響器件的長期穩定性；隧穿電流大，俄歇復合速率高；用于遠紅外探測的HgCdTe材料需要高的Hg組分，然而生長時高的Hg蒸氣壓使HgCdTe大面積成分控制困難，均勻性差，限制了其在焦平面陣列中的應用。

基于HgCdTe材料的自身缺點，研究人員從來沒有停止尋找性能更優越的紅外探測材料，Smith和Mailhiot［2］在1987年首次提出可以利用InAs／GaSb II型超晶格的獨特物理性質實現高性能的紅外探測器，這種II型超晶格可以得到與HgCdTe材料相同的光學性質，但它具有HgCdTe材料不可比擬的優點［3］：基于Ⅲ－V族材料生長技術，大面積均勻性好；摻雜容易，無合金漲落，利于大面積焦平面陣列探測器的制作；電子有效質量大，隧穿電流小，重空穴帶與輕空穴帶帶隙大，俄歇復合被抑制，提高了載流子的壽命，有利于探測器獲得更高的工作溫度。目前，InAs／GaSb II型超晶格引起廣泛關注并得到迅速發展，被認為是第三代紅外探測器的首選材料。

2 InAs／GaSb II型超晶格紅外探測的基本原理

兩種半導體材料A、B形成異質結超晶格時，按照能帶的相對位置可以分成三類［4］。

其中I類超晶格中，材料A的禁帶完全落在材料B的禁帶中，因此電子和空穴都被限制在一種材料中。在II類超晶格中，兩種材料的禁帶并不對準，電子和空穴分別約束在兩種材料中，電子躍遷的概率較小。III類超晶格中，有一種材料具有零帶隙，它的導帶位于價帶頂之上，組成超晶格后，電子有效質量為負，將形成界面態。

根據能帶的相對位置，InAs／GaSb超晶格屬于II型超晶格，當InAs／GaSb一層一層的重復累積起來，而且InAs層和GaSb層足夠薄時，InAs層中的電子波函數發生交疊，能級展寬成微帶，GaSb層中產生局域化的重空穴。電子被限制在InAs層中，重空穴大部分被限制在GaSb層中，光躍遷發生在電子子帶和局域化的重空穴之間，并以此探測紅外輻射，如圖1所示［5］。理論上可以調整各子層厚度和組分實現一個很寬范圍（3～30μm）的紅外吸收。

圖1 InAs／GaSb超晶格的能帶圖

3 InAs／GaSb超晶格材料的生長

分子束外延（MBE）技術是InAs／GaSb II型超晶格主要的生長技術，使用該種生長技術可以實現外延層厚度、組分、界面控制精度在單原子層水平。

由于InAs層與GaSb層III族元素與V族元素的原子都不相同，因而在界面處可以形成兩種界面類型，即Ga和As原子結合形成GaAs界面，以及In、Sb原子結合形成InSb界面，這兩種界面類型分別被稱為GaAs-like界面和InSb-like界面。相比較于GaAs-like界面，InSb-like界面被認為更利于紅外探測器性能的提高。由于晶格的失配，GaAs-like界面和InSb-like界面都將在界面處引入了應變，從能帶方面考慮，InAs／GaSb II型超晶格中，光躍遷發生在界面處InAs層電子和GaSb層中空穴。在InSblike界面處，InSb層增加了能帶的alignment，加強了波函數之間的重疊。但是，在GaAs-like界面處，形成了一個電子和空穴的勢壘層，減少了波函數的重疊，從而減小了光躍遷的發生，如圖2所示。因此在InAs／GaSb超晶格生長的過程中，如何實現InSblike界面將是材料生長的難點和重點。

圖2 不同界面InAs／GaSb II型超晶格的能帶圖［6］

4 InAs／GaSb超晶格紅外探測器件結構

目前InAs／GaSb超晶格紅外探測器件的結構主要包括兩種，一種是以pn結為基礎的光伏型器件，另外一種是在器件結構中沒有pn結的類光導器件，也叫做單極型器件。

探測器的暗電流是影響探測器性能的主要因素，如何降低暗電流，提高信噪比，是器件結構設計的出發點。光伏型光電二極管的暗電流可以表示為：

Idark＝ISRH＋Idiff＋Itun＋Isurf

其中，ISRH是產生復合電流，與耗盡層中載流子的產生復合過程有關；Idiff是擴散電流，與非本征區的俄歇和輻射過程有關；Itun是隧穿電流，與載流子的有效質量和界面處的勢壘高度有關；Isurf是表面電流，主要和器件表面的表面態有關。針對如何抑制暗電流，簡單介紹的幾種器件結構。

4.1 光伏型器件結構

光伏型器件結構主要包括：德國費朗霍姆實驗室使用的pin結構［7］，美國西北大學量子器件中心的M結構［8］，美國海軍研究實驗室的W結構［9］，美國西北大學量子器件中心的雙異質結結構［10］和美國加州理工大學噴氣動力實驗室的CBIRD結構［11］。

4.1.1 pin結構

圖3是pin單色紅外探測器結構圖，在（100）GaSb襯底上，按照順序生長晶格匹配緩沖層、GaSb：Be p型電極接觸層、p型超晶格層、n-i-d超晶格層、n型超晶格層、以及InAs：Si的n型接觸層，利用此結構實現了I-nAs／GaSb II型超晶格中波單色、雙色紅外焦平面探測器。但是使用該結構器件的暗電流較高、R0A值較低，因此不適用于InAs／GaSb II型超晶格長波紅外焦平面探測器中，需要進行結構優化，降低暗電流。

圖3 p-i-n單色紅外探測器結構圖

4.1.2 M結構

在pin器件的結構中，加入M結構層，形成M結構器件，如圖4所示，包括p型的GaSb襯底、GaSb：Be p型緩沖層、p型超晶格層、低摻雜濃度π超晶格區、M結構超晶格區、n型超晶格層、以及n型接觸層。M結構是指GaSb層的中間插入了薄的AlSb（幾納米）勢壘層，AlSb勢壘層的插入，增加了電子的有效質量，使得π區的電場減小，隧穿勢壘增加，有效降低了隧穿電流Itun，減小了暗電流，提高了R0A的值，從而可以達到提高器件性能的目的。

圖4 P＋－π－M－N＋結構圖

4.1.3 W結構

W結構的器件基本結構包括：n＋超晶格層、p－W結構超晶格層、p＋W結構超晶格層，如圖5所示，p－W結構超晶格層為光吸收區。W結構的能帶圖，在兩個InAs電子阱的兩邊各生長AlSb或AlGaInSb勢壘層，勢壘層可以增加局域化的電子和空穴波函數的重疊，導致帶邊的強紅外吸收，并且利用分步降低禁帶寬度的方法，逐步抑制隧穿電流Itun和產生復合電流ISRH，降低暗電流，提高器件性能。

圖5 W結構的能帶圖和結構圖

4.1.4 雙異質結結構

雙異質結結構是n區超晶格和p區超晶格只響應中波，i型超晶格吸收區可吸收長波，因此在探測長波信號時，只有i區產生光生載流子，降低n區和p區轉型的區域面積，從而達到減小表面漏電流Isurf的目的。從圖6可知，表面漏電流Isurf被極大抑制，可以提高器件性能。

圖6 雙異質結結構示意圖

4.1.5 CBIRD結構

CBIRD結構（如圖7所示）主要包括電子勢壘層（eB）、紅外吸收層、空穴勢壘層（hB），每層的載流子濃度分別為p＝1×1016cm－3，p＝1×1016cm－3，n＝1×1016cm－3，InAs0.91Sb0.09生長在eB層下面，作為底接觸層，hB層作為頂接觸層。在頂部加上正向偏壓后，電壓主要落在eB層和底接觸層的交界處，遠離了紅外吸收區域，從而減少了暗電流，同時不影響光生載流子引入的光電流，吸收層中的光生電子可以很容易到達hB層，過剩的空穴可以和底接觸層注入到吸收層的電子復合，因而減小了產生復合電流ISRH和隧穿電流Itun，器件的性能得到了提高。

圖7 CBIRD結構的能帶圖和器件結構圖

4.2 類光導型（單極型）器件的結構

類光導型（單極型）器件的結構主要包括美國新墨西哥大學高技術材料中心的nBn結構［12］和美國西北大學量子器件中心的pMp結構［13］。

4.2.1 nBn結構

nBn結構包括n型吸收層、寬禁帶勢壘層和一個薄n型層，能帶結構如圖8（a）所示，勢壘層的主要作用是阻止多子電流的通過，允許少子電流的通過。n型吸收層的厚度是光吸收長度的1到2倍，勢壘層的厚度是50到100 nm，薄n型層是一個電極接觸層（與歐姆接觸）。器件的結構如圖8（b）所示。nBn結構不存在耗盡層，可以基本上消除了產生復合電流ISRH，從而減小了噪聲，提高了器件的工作溫度。同樣利用nBn結構的器件，表面電流Isurf也可以基本消除，省去了鈍化的工藝步驟，性能優于pin器件。

圖8 nBn結構的能帶圖和器件結構圖

4.2.2 pMp結構

pMp結構包括p型的超晶格吸收區、寬禁帶M結構層、p型接觸層，如圖9所示。M層的導帶和吸收區的導帶的位置相同，但是M層的價帶位置遠低于吸收區的價帶，因此對p型的超晶格吸收區形成了多子空穴的勢壘。和nBn結構相似，pMp結構減少了產生電流ISRH和表面電流Isurf，pMp結構和nBn結構都是少子的單極器件，但是pMp結構少子為電子，而nBn結構少子為空穴，由于與空穴相比，電子有更長的擴散長度和更高的遷移率，光生載流子的收集更有效，因而利用pMp結構有很高的量子效率。而且由于p型吸收區，空穴隧穿過勢壘層的幾率很小，隧穿電流Itun也得到了極大的抑制。

圖9 pMp結構的能帶示意圖

5 InAs／GaSb II型超晶格紅外探測器的研究進展

InAs／GaSb II型超晶格紅外探測器主要經歷了以下三個發展階段：

（1）1987年，Smith和Mailhiot首次提出可以利用InAs／GaSb II型超晶格的獨特物理性質實現高性能的紅外探測器，從理論上預研了在甚長波波段的性能主要優于碲鎘汞材料，從此InAs／GaSb II型超晶格成為研究的熱點；

（2）20世紀90年代開始，隨著分子束外延技術的成熟，材料質量逐步提高，獲得了具有器件質量的外延材料，基于高質量的外延材料，在90年代后期到本世紀初提出了包括p-i-n、M結構、W結構、雙異質結等器件結構，目的在于降低暗電流，提高器件的性能，使其達到實用化的標準；

（3）當研究發展到了一定階段，有了實際的應用空間，便開始了商業化的進程，2006年，德國費朗霍姆FraunhoferIAF和AIM實驗室合作首次實現中紅外雙色（藍色通道λ為3～4μm，紅色通道λ為4～5.4μm）288×384焦平面陣列探測，并將其應用于歐洲大型運輸機Airbus A400M的導彈預警上［14］，是InAs／GaSb II型超晶格紅外探測器開始走向實用化的標志；2009年，美國政府啟動了一個為期四年的“FastFPA”項目［15］，聯合海軍研究室（ARL）、Teledyne成像公司（NRL／TIS）、美國加州大學噴氣動力實驗室（JPL）、雷聲公司（RVS）、美國西北大學量子器件中心（NU－QDC）以及MIP科技（NWU／MPT）等多年從事紅外探測器研究和生產的研究機構和公司，共同進行“FastFPA”項目的研發，旨在推動InAs／GaSb II型超晶格紅外焦平面陣列的工業化進程，最終實現小面陣長波焦平面陣列、大面陣長波焦平面陣列、中等面陣中波／長波雙色焦平面陣列等三個系列的產品，目前已經獲得了階段性的進展。

我國InAs／GaSb II型超晶格紅外探測器的研究工作落后于西方發達國家，開始于2005年，主要的研究小組是中國科學院半導體研究所的牛智川等［16］和馬文全［17］小組、中國科學院上海技術物理研究所陳建新和何力小組［18］、昆明物理研究所史衍麗小組［19］。2012年6月中國科學院半導體研究所馬文全小組的研究取得了重大突破，獲得了具有國際水平高質量的外延材料，此外還研制出改變偏壓極性實現雙色探測器件［20］。

6 小 結

本文綜述了InAs／GaSb II型超晶格紅外探測器的基本工作原理、以及材料生長和器件結構，并且簡單介紹了研究進展。通過上面的總結我們不難發現，國外許多與軍方密切相關的科研單位一直從事InAs／GaSb II型超晶格紅外探測器的研發工作，取得了很大的進展，相應的產品相繼出現，并且近幾年來，項目的研制不斷得到國家政府在人力和財力方面的大力支持，相信在不久的將來該項技術將逐步成熟化產品化，最終會占據紅外探測器的統治地位。但是，我國在該項目的研究，目前還處在起步的階段，沒有相關的產品報道，因此開展該項目的研究迫在眉睫。

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Research progress of InAs／GaSb type II super-lattice infrared detector

SONG Shu-fang，GONG Feng，ZHOU Li-qing
（North China Research Institute of Electro-optics，Beijing 100015，China）

InAs／GaSb type II super-lattice is a novel infrared material with the theoretical promise of better performance than MCT and InSb.In view of thematurity of III-V compoundmaterials growth and device technology，it is easy to obtain InAs／GaSb type IIsuper-latticematerial for uniform large formats and dual／multiple color infrared detectors. At present，InAs／GaSb type II super-latticematerial is regarded as a primarymaterial for the third generation infrared detectors，which may gradually replace MCT and InSb.The basic theory，the research onmaterials growth and device structure of InAs／GaSb type IIsuper-lattice infrared detector are presented.Research progress of InAs／GaSb type II super-lattice infrared detector is summarized.

type IIsuper-lattice；infrared material；infrared detector

TN215

A

10.3969／j.issn.1001-5078.2014.02.0

1001-5078（2014）02-0117-05

宋淑芳（1971－），女，博士，高級工程師，主要從事Ⅲ－Ⅴ族半導體光電材料器件的設計、制備和測試。E-mail：sfsong＠center.njtu.edu.cn

2013-01-29；

2013-02-20