用于寬波段紅外探測的InAs/GaSbⅡ型超晶格結構光學性質研究

李紅凱 李墨 董尚威 洪進 陳曄 敬承斌 越方禹 褚君浩

摘 要：InAs/GaSbⅡ型超晶格因其特殊的能帶結構及成熟的材料生長技術， 被視為第三代紅外探測器的優質材料。 本文介紹了長、 短波紅外探測用的InAs/GaSbⅡ型超晶格探測器結構的光學性質， 對比超晶格和襯底的拉曼光譜， 指認了結構中存在的主要拉曼振動模式， 分波段光致發光譜揭示了器件存在近紅外和遠紅外雙波段特性。 通過反射光譜、 光電流譜以及寬波段紅外透射光譜， 表征了短波紅外和長波紅外的明顯吸收特性， 合理解釋了基于InAs/GaSbⅡ型結構在近、 中、 遠紅外波段的探測功能。 研究結果可為研制基于InAs/GaSbⅡ型超晶格的雙/多/寬波段紅外探測器的結構設計和機理分析提供指導。

關鍵詞：InAs/GaSb; Ⅱ型超晶格; 多波段探測; 拉曼光譜; 光學性質; 紅外探測器

中圖分類號：??? TJ765.3+33?? 文獻標識碼：??? A? 文章編號：???? 1673-5048（2021）06-0095-05

0 引? 言

視覺是人類感知外界信息的最重要渠道， 但是在可見光長波一側十分寬廣的紅外波段（0.76 ～1 000 μm）不能被人眼感知， 卻蘊含著豐富的信息。 為了探知并利用這一特殊且寬廣的電磁波譜段， 人類研制了各種紅外探測器。 紅外探測器的發展很大程度上來自于軍方的應用需求， 20世紀50年代， 工作波段為1～3 μm硫化鉛（PbS）光導型探測器最先用于紅外型空空導彈， 這可以說是近代紅外探測器開始迅速發展的轉折點; 在同一時期， 工作波段為3～5 μm窄禁帶銻化銦（InSb）以及工作波段為8～14 μm的非本征鍺（Ge： Hg）也得到了研究[1]; 1959年， 半導體材料碲鎘汞（Hg1-xCdxTe）的報道[2]開啟了一個HgCdTe盛行的時代， HgCdTe材料具備可調節的直接帶隙、 高吸收系數、 高量子效率、 較寬的工作溫度范圍等優點， 因此， 時至今日HgCdTe仍在紅外探測領域中處于主導地位[3-4]。 隨著技術要求的提高， HgCdTe材料也顯現出了各種缺點， 如大面積制造均勻性差、 隧穿電流大、 俄歇復合速率高等。 相較于HgCdTe， 量子阱紅外探測器[5]得益于Ⅲ-Ⅴ族材料成熟的生長技術， 器件的穩定性和均勻性較好， 成本相對較低， 更利于產業化的普及， 但是由于子帶間躍遷選擇定則的制約[6]， 量子阱的吸收系數和量子效率很低， 大大制約了量子阱器件的應用范圍。

超晶格（SL）結構與量子阱類似， 是兩種不同材料層狀排列形成的周期性結構。 不同的是超晶格結構的每層厚度僅為原子間距量級， 相鄰勢阱中載流子的波函數發生交疊形成微能帶（mini-band）， 其間存在窄的禁帶， 不同于量子阱的子帶吸收， 超晶格的光吸收發生在微能帶之間。 通過調控材料在單周期內的厚度、? 組分以及應變來改變微能帶間的帶隙， 可實現覆蓋1.7～32 μm的探測波長范圍[7-8]。 圖1給出了InAs/GaSbⅡ型超晶格的能帶結構示意圖， 其中， InAs導帶底低于GaSb價帶頂， 使得二者具有“破帶隙”（broken band gap）的特殊能帶結構， 電子位于InAs層內， 而空穴位于GaSb層內， 電子和空穴在實空間上分離， 且由于應力場的作用GaSb層中輕重空穴帶分離， 這些特性在理論上可有效抑制俄歇復合[9]。 除上述優點外， InAs/GaSbⅡ型超晶格的制備與量子阱相似， 易摻雜且大面積生長的均勻性良好， 利于大規模焦平面陣列紅外探測器的制造。 可見，

InAs/GaSbⅡ型超晶格紅外探測器在理論上將上述兩種探測器的優點結合于一身， 因此， InAs/GaSbⅡ型超晶格被認為是新一代紅外檢測和成像技術領域中最有力的競爭者[10]。

目前報道的超晶格器件載流子壽命遠低于HgCdTe[11]， 并沒有觀察到理論上抑制俄歇復合現象的出現， 已有的研究表明， 這主要是因為Ga相關的深能級缺陷[12]促進了Shockley-Read-Hall（SRH）復合， 但針對此類問題尚無完美解決方案。 為了解InAs/GaSbⅡ型超晶格的光電特性， 提升器件性能， 進一步研究超晶格的光電物理特性是有必要的。 本文利用多種光譜測量手段對基于InAs/GaSbⅡ型超晶格的寬波段探測結構進行光學性質的研究。

1 實驗內容

寬波段InAs/GaSbⅡ型超晶格探測器的生長采用分子束外延（MBE）技術。 圖2為器件的結構示意圖， 左側標注了每個薄層的摻雜類型。 在～500 μm的GaSb襯底上依次外延出長波（LW）紅外超晶格和短波（SW）紅外超晶格， 短波紅外超晶格（SWSL）的截止波長估算小于3 μm， 長波紅外超晶格（LWSL）的截止波長大于8 μm。 便于比較并消除測試的誤差， 對比研究兩個樣品的光學性質。? 1號樣品n-doped InAs： Si/GaSb薄層的厚度為 1 743 nm， 摻雜濃度為～1×1015 cm-3; 2號樣品n-doped InAs：Si/GaSb薄層厚度為1 356 nm， 摻雜濃度為～3×1018 cm-3， 其余各薄層的參數均相同。

樣品拉曼光譜測試基于分光型共聚焦顯微拉曼光譜儀（inVia reflex）并采取背散射幾何配置， 拉曼光譜測試范圍為75～350 cm-1， 激發光源為532 nm固體激光器; 光致發光譜測試、 紅外透射、 反射光譜以及光電流譜的測試基于真空型傅里葉變換紅外光譜儀（VERTEX 80v）， 內置近中遠紅外光源， 配置了遠紅外DLaTGS、 液氮制冷的HgCdTe和液氮制冷的鍺等探測器， 系統可探測波長范圍為1～80 μm。 光致發光譜激發光源波長為405 nm， 其最大輸出功率～300 mW。

2 結果與討論

2.1 拉曼光譜

圖3給出了兩個樣品在室溫下的拉曼光譜， 測試時激發光源從超晶格探測器結構的正面入射。 由圖可知， 兩個樣品拉曼光譜強度及線型無明顯差異， 主要拉曼信號位于200～250 cm-1波數范圍內， 通過對其進行洛倫茲擬合， 可以得出其存在三種主要的拉曼振動模式。 215 cm-1處較弱的拉曼峰來自于InAs的TO振動模[13]， 且由于激光的熱效應及摻雜存在略微紅移; 231 cm-1處的拉曼峰來自于InAs與GaSb耦合的LO振動模[14]; 236 cm-1處較強的拉曼峰為GaSb的LO振動模[15]。 同時， 在108 cm-1處有一較弱的拉曼信號。 因兩樣品譜型基本相同， 下面主要聚焦1號樣品的拉曼結果進一步說明。

圖4給出了1號樣品GaSb襯底的拉曼光譜， 便于比較， 圖中也給出了圖3中1號樣品的拉曼譜。 紅色虛線箭頭和藍色實線箭頭示意了激光的入射位置， 并與光譜結果的顏色對應。 由圖4可以知道， GaSb襯底并沒有出現108 cm-1的拉曼峰， 所以推測該模式可能與InAs或者InAs-GaSb間的界面混合態有關， 需要指出的是， 該模式與文獻報道的InAs的2TA振動模式相似[16]; 同時， 從圖中還可以明顯看出， 200～250 cm-1頻移范圍內的峰寬在低頻側變窄。 圖4中插圖給出了GaSb襯底拉曼光譜的洛倫茲擬合結果， 得到的227 cm-1和236 cm-1處的兩個拉曼峰為GaSb典型的TO和LO振動模[15]， 且可以看出215 cm-1和231 cm-1兩處的振動模式消失， 這也進一步證實了超晶格結構中215 cm-1和231 cm-1兩處的振動模式與InAs相關， 分別為InAs的TO振動模和InAs+GaSb的LO振動模， 而108 cm-1的拉曼峰可能為InAs的2TA振動模。

2.2 光致發光譜

為研究器件中電子能級的躍遷機制以及發光能力， 在室溫下對兩個樣品進行了光致發光譜測試， 405 nm激發光源的功率為～300 mW。 因1號和2號樣品的測量結果變化規律基本相似， 所以合并討論。 圖5給出了1號樣品在4 K下的光致發光譜。 需要指出的是， 0.7eV以下的中遠紅外波段信號通過光調制技術完全消除了室溫背景輻射的干擾信號。 由圖5可見， 在0.12 eV（～10.3? μm）和0.75? eV（～1.65? μm）處出現兩個尖銳的發光信號。 考慮InAs和GaSb在低溫時的發光特性， 10 K時InAs的發光峰位置在～0.42? eV能量處[17];? 4.2? K時

GaSb的主要發光峰位于～0.77 eV能量處[18]， 這與圖5中GaSb襯底的發光峰對應。 故可推測0.12 eV和0.75 eV處的發光信號分別來自LWSL和SWSL中量子能級形成的微帶輻射復合， 發光波段符合器件設計要求， 較窄的峰寬也表明了各層參量有著較好的均勻性。 值得注意的是， SWSL中通過超晶格層厚度調控獲得的微帶發光峰能量與基底材料GaSb的峰能量接近。

2.3 近、 中、 遠紅外透射光譜

圖6（a）給出了超晶格探測器結構室溫下近、 中、 遠紅外波段透射譜。 由圖可見， 1號和2號樣品的光學透射響應無本質差異。 在40 meV～0.7 eV（～30～1.8 μm）具有明顯的吸收/透射特征。 在遠紅外波段， 小于40 meV（～30 μm）后透射率直接下降至0， 由于吸收曲線無明顯結構， 并且透射率隨著波長單調減少， 所以30 μm以上的長波段吸收可歸為結構中的自由載流子吸收。 圖6（b）給出了超晶格探測室溫下近、 中紅外波段的反射光譜， 反射率的變化趨勢與對應波段透射率的變化類似， 最大反射率約為40%， 并出現明顯的干涉條紋， 1號和2號樣品的干涉條紋間距（Δv）分別為461 cm-1和530 cm-1。 根據膜厚的計算公式[19]：

2nd=104Δv（1）

可得到外延膜的厚度d（μm）， Δv的單位為cm-1。 為便于分析， 式（1）中忽略了小入射角的影響， 并認為超晶格的折射率n保持不變， 為3.6[20]， 通過計算得到1號和2號樣品的膜厚分別為3.01 μm和2.62 μm， 結果與圖2中給出的外延膜厚度相近， 約0.4 μm的厚度差與兩個樣品n-doped InAs：Si/GaSb薄層厚度差對應。 不考慮在測量透射/反射光譜時器件極其微弱的發光， 有T+A+R=1（T， A和R分別代表透射率、 吸收率和反射率）， 結合樣品在整個波段的透過率值及近、 中紅外波段反射率的值可知， 超晶格探測器在整個波段有著30%～70%的光吸收。

光電流譜在某種程度上可以說是對透射光譜的補充。 圖6（c）給出了1號樣品室溫下的光電流譜。 光電流響應在2.1 μm處截止， 并在紅外短波側因樣品表面復合， 其信號逐漸變弱， 這表明器件具有較高的表面態密度; 從透射光譜可以看出， 器件在0.4～0.7 eV（3.1 μm～1.8 μm）波段范圍內透射率迅速下降， 大于0.7 eV后器件變得“不透明”， 這是很典型的帶間吸收過程， 結合器件的能帶結構， 可以分析這一波段透射率的變化來自于SWSL層的微帶吸收， 其光電流譜給出的截止波長（2.1 μm）也符合SWSL截止波長的設計要求。 在波長大于3.1 μm后， 透射率又迅速下降， 代表著其他吸收過程/機制的存在。 從圖6（a）可以看出， 在8.3～14.7 μm的波長范圍內存在吸收， 且有一透射率的極小值， 這部分的波段與LWSL層的截止波長設計（>8 μm）相對應， 所以這一波段內的透射率變化可歸于LWSL微帶的吸收。 圖6（d）給出了器件的微能帶結構示意， 長波和短波兩個微帶的吸收導致了不同波段透射率的變化， InAs/GaSbⅡ型超晶格通過SWSL和LWSL的結合可實現雙/寬波段紅外光的探測。

3 結? 論

通過拉曼光譜、 光致發光譜、 反射光譜、 光電流譜以及寬波段紅外透射光譜， 研究了InAs/GaSbⅡ型探測器結構的光學性質。 結果表明， n-doped InAs：Si/GaSb薄層參數并未對器件探測波段產生影響， 但是超晶格層厚度的變化可能會影響非平衡載流子壽命和遷移率， 進而影響器件的靈敏度和響應率。 拉曼光譜指認了超晶格器件結構236 cm-1處的拉曼峰來自GaSb的LO振動模， 231 cm-1處的拉曼峰來自InAs和GaSb耦合的LO振動模， 215 cm-1處的拉曼峰來自InAs的TO振動模， 108 cm-1處的拉曼峰可能為InAs的2TA振動模。 光致發光譜表明器件在0.12 eV和0.75 eV兩處存在發光峰， 揭示了器件的雙波段特性。 結合探測器結構和寬波段范圍內的透射譜和譜分辨光電流譜， 合理地解釋了器件具備寬波段紅外探測的功能， 但器件結構的高界/表面態密度會限制器件性能。 上述研究結果可為理解InAs/GaSbⅡ型超晶格探測器的物理機制和特性， 以及器件結構設計和制備提供參考。

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Optical Properties of Type-Ⅱ InAs/GaSb Superlattices for

Wide Band Infrared Detection

Li Hongkai1， Li Mo2，3， Dong Shangwei1， Hong Jin1， Chen Ye1， Jing Chengbin1， Yue Fangyu1*， Chu Junhao1， 4

（1. Key Laboratory of Polar Materials and Devices， School of Physics and Electronic Science，

East China Normal University， Shanghai 200241， China;

2. China Airborne Missile Academy， Luoyang 471009， China;

3. Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Infrared Detector， Luoyang 471009， China;

4. National Laboratory for Infrared Physics， Shanghai Institute of Technical Physics，

Chinese Academy of Sciences， Shanghai 200083， China）

Abstract：? InAs/GaSb type-Ⅱ superlattices （T2SLs） are considered as high-quality material for the third-generation infrared detectors due to the special energy band structure and mature material growth technology. This paper introduces the optical properties of InAs/GaSb T2SLs for long-wave and short-wave infrared detection. The Raman vibration modes in the superlattice detector structure are obtained by Raman spectra at different layers， and the sub-band photoluminescence spectrum reveals that the device has dual band characteristics of near-infrared and far-infrared. The obvious absorption characteristics of short wave infrared and long wave infrared are characterized by reflection spectrum， photocurrent spectrum and wide band infrared transmission spectrum. The detection mechanism in the near， middle and far infrared bands is reasonably interpreted. The investigation can provide reference for the structural design and mechanism analysis of the development of dual/multi/broadband infrared detectors based on InAs/GaSb T2SLs.

Key words：? InAs/GaSb; type-Ⅱ superlattices; multi-band detection; Raman spectroscopy; optical pro-perty; infrared detector