紅外探測II類超晶格技術概述(一)

尚林濤,王 靜,邢偉榮,劉 銘,申 晨,周 朋

(華北光電技術研究所,北京 100015)

1 引 言

II類應力層超晶格(SLS)超晶格(T2SL)材料在探測器、激光器、調制器上具有廣泛的應用,尤其在紅外探測領域具有極大的潛力和優勢,普遍認為可以替代目前主流的HgCdTe材料。相比MCT材料技術約60年的漫長積累和發展,二類超晶格技術從20世紀70年代末提出至今仍在持續快速發展。

1950年H.Kroemer提出異質結可以獨立控制電子/空穴分布,但當時晶格匹配的體半導體有限,異質帶的連續性較差或難以改變；直到1970年L.Esaki提出超晶格(SL)概念,異質結技術可以用于獲得能級和能帶的不連續控制和更大的靈活性；1977年,諾貝爾獎得主Sai-Halasz提出T2SL會成為激光、光電探測器和晶體等領域重要的材料體系,在紅外領域會替代MCT；觀點首先被Schulman和McGill在CdTe/HgTe SL材料系統中進行了檢驗,證實比MCT合金更具均勻性優勢；Smith,McGill和Schulman重新研究了CdTe/HgTe SL理論,確定與體材料相比,T2SLs可以顯著降低帶-帶隧穿,應力可有效增強T2SL中光學吸收,D.L.Smith提出T2SL具有大的電子有效質量和重輕空穴帶分裂,俄歇復合速率低于體半導體。Grein,Young和哈佛大學的H.Ehrenreich團隊進行了詳細的理論計算并將這一概念置于堅實的理論基礎之上。1987年,Smith和Mailhiot提出了被廣泛認為是T2SL紅外探測器理論和概念原型的InAs/GaxIn1-xSb T2SL；1990年,Chow和合作者報道了長波紅外(LWIR)響應的高結構質量GaxIn1-xSb/InAs超晶格材料；1997年德國Fraunhofer IAF的Fuchs和同伴展示了77K截止波長8μm探測率靠近MCT的高性能InAs/GaInSb紅外探測器二極管；聚焦于7～11μm,美國西北大學量子器件中心(CQD),美國海軍實驗室(NRL),Rockwell和其他機構開始在Sb基T2SL領域開展廣泛的研究。

目前,世界主要的研究機構如CQD、德國、美國噴氣推進實驗室(JPL)、NRL、瑞典(IRnova)和以色列SCD等很多機構報道了T2SL材料、器件和FPA的研究進展,國內也積極開展了全面的研究。本文旨在簡單歸納總結了T2SL材料的發展歷史、材料特點和材料的基本結構。

2 T2SL理論

2.1 概 述

T2SL是III-V族6.1?系Sb基材料,由晶格常數相互接近的InAs(6.0583?),GaSb(6.09593?)和AlSb(6.1355?)及其化合物按照一定的層厚度、組分及順序周期性交替堆疊而構成人工晶體,由于相互之間晶格失配小,因而可以生長復雜的二元或三元化合物。Sb基材料及相關化合物的能隙,從0.41 eV(InAs)到1.70 eV(AlSb),InAs和GaSb之間的異質結導致了II類“破帶隙”交錯排列,InAs導帶比GaSb價帶低約0.15 eV。InAs和GaSb在層中分別形成電子或空穴量子阱,電子和空穴分別束縛于InAs和GaSb(或InGaSb)量子阱層中,鄰近阱間的隧穿形成導帶或價帶微帶,微帶或能態基本依賴于阱寬和勢壘；帶隙Eg由布里淵區中心電子微帶E1和第一個重空穴態HH1能量差決定,并在一定范圍內連續可調(如圖1)。

圖1 T2SL理論

通過調節構成SL周期中各阱層厚度可以獨立調節導帶和價帶,進而調節帶隙Eg(或者截止波長λ,λ=1.24/Eg),由于構成SL的體材料帶隙大于SL有效帶隙,相比相同截止波長的體材料,SL的暗電流較低,并具良好的材料強健性和可制造性,而且獨立調節導價帶更利于復雜的異質結構設計。早期驗證了InAs/GaSb,后期也通過InAs/GaInSb進行了驗證。截止波長可在1.5～30 μm范圍調節,覆蓋SWIR到VLWIR。實驗上已經展示了截止波長2～32μm的超晶格[1]。電子微帶相對較寬,電子有效質量比空穴小,能級對InAs阱的厚度更加靈敏；空穴能級靠近GaSb價帶頂部,價帶微帶相對較窄,不易發生顯著改變。因此,在超晶格(如InAs/GaSb)中,一般固定價帶空穴阱(GaSb)寬度而改變導帶電子阱(InAs)寬度來調節導帶從而改變帶隙寬度Eg。此外,由于電子阱中相對小的電子質量,電子波函數可以拓展越過界面與空穴波函數重疊,微帶間電子-空穴復合的光學躍遷大多發生于電子和空穴波函數重疊最多的界面,較高的微帶間吸收使其具有高的量子效率(QE),并且可以克服量子阱材料(QWIP)需要借助光柵和折皺并且只可吸收水平入射光的缺陷,超晶格材料也可以吸收垂直入射光,具有較高的QE優勢,使得這一窄帶隙Sb基超晶格探測器非常適合紅外探測應用。通過設計適當的超晶格材料層厚和不同層間應力匹配的界面可以構筑靈活合理的能帶結構設計,打開設計各種符合器件性能要求的新材料結構的可能性(如各種同質結p-i-n結構,雙異質結DH、異質結W、M、N、BIRD、CBIRD、p-π-M-N、pbibn、nBn、XBp、pMp等結構),還可以集成吸收層堆棧在一個焦平面陣列(FPA)像元上實現集成多色/多帶探測[2]。因此,T2SL探測器可以滿足實現大面陣、高溫工作、高性能、多帶/多色探測的第三代紅外探測器需求,尤其在長波紅外(LWIR)和甚長波紅外(VLWIR)及雙色/多帶探測上可以替代MCT。在通信、遠程傳感,天體觀測,光譜輻射,醫藥檢測[3-4]空間基宇航和陸地污染監控,空中監控,復雜環境中的目標確定,血管和癌癥探測、工業過程監控[5]和疫情防控等軍事和民用領域中具有重要作用。

2.2 T2SL相比MCT的優勢

(1)帶隙工程。控制Hg1-xCdxTe中的Cd的組分可以調制MCT探測器的波長。一個主要缺陷是隨截止波長增加,波長調節難度加大,如圖2,在7 μm截止波長時,組分改變Δx=0.002,截止波長僅改變0.12 μm,但15 μm時,波長改變量就已經增到了0.56 μm,因此在8 μm及以上的LW和VLW段制備是個挑戰；而在II類超晶格中,僅通過改變InAs和GaSb層的厚度而不引入顯著地晶格失配就可以連續調節帶隙(如圖2),從1.5 μm到半金屬(零帶隙)。還可以設計采用不同的超晶格變形結構來抑制不同的暗電流分量(如隧穿和G-R電流),通過精細調節能帶結構實現復雜的器件結構。

圖2 MCT帶隙調節示意圖

(2)大尺寸均勻性。MCT材料不僅在較長波長生長制備時有一定挑戰,而且在生長過程中對束流和溫度非常敏感,導致大尺寸材料組分空間均勻性不易控制,產量較低,如圖3所示。

圖3 大尺寸T2SL性能均勻性

II類超晶格截止波長受控于不同層的厚度而不是組分,受束流和溫度的非均勻性而導致組分改變的影響較小,具有卓越的空間均勻性。Nguyen等在3英寸晶圓上生長的II類超晶格顯示了卓越的跨直徑性能均勻性(包括半峰寬FWHM、R0A、PL和截止波長),Mohseni等[1]已經證實T2SLs在VLWIR范圍具有卓越的均勻性,使其具有大面陣FPA的制備優勢。

(3)大的有效質量。根據凱恩(Kane)理論,半導體的有效質量大致正比于帶隙,意味著小帶隙半導體具有小的有效質量,導致大的隧穿電流,這是紅外探測器中主要暗電流來源之一。在II類超晶格中,有效質量基本上不遵循凱恩規則,不隨帶隙下降而幾乎保持恒定。例如在InAs/GaInSb SL中電子有效質量m*≈0.02-0.03m0,同樣帶隙Eg≈0.1 eV的HgCdTe合金m*=0.009m0,相比MCT,有效質量是其3倍多。隨著波長增大帶隙變小時大的有效質量更具優勢,可顯著降低探測器的隧穿電流[6-7]。

(4)俄歇復合抑制。通常俄歇復合在高溫下占據主導,是實現高溫工作的障礙。實驗證實通過調節自旋-軌道價帶,重空穴和輕空穴帶可在帶隙中分離(圖4),降低了俄歇復合機率和數量,降低俄歇復合電流(除了耗盡的MCT),提高載流子有效壽命,提高器件性能。

圖4 MCT和T2SL材料俄歇復合示意圖

Sb基T2SL理論預測探測率高于MCT(如圖5a)。此外,III-V族材料系統固有的共價化學鍵比II-VI族MCT脆弱的Hg-Te離子鍵更強健堅固,材料質量更高,更穩定,使用壽命更長。外延SL材料缺陷一般較低,小于100個/cm2,而CdZnTe基HgCdTe外延材料為～1000個/cm2,良好的均勻性可支持大直徑外延(2～6 in)生長,實現可重復批量生產(圖5(b)),顯著降低成本；在圖像校正之前就具有平滑的初始成像質量(圖5(c))[8]而且無毒、環境友好[9]。

圖5 MCT與T2SL比較

3 T2SLs材料結構

3.1 建模計算

超晶格結構建模可以計算能帶并預測電學和光學屬性。由于生長方向上周期數和涉及的原子數較多,SL電子態的計算比一般體材料復雜。各種計算方法可分為經驗方法和非經驗方法兩大類。非經驗方法包括第一性原理(first principle)、從頭計算(ab intio)等；經驗方法包括Kronig-Penney(k.p)模型、經驗緊束縛模型(ETBM)、贗勢模型、包絡函數近似(EFA)、轉移矩陣法等。為了有效指導SL設計,美國西北大學CQD采用Yajun Wei等發起的強大的ETBM方法[1],該方法考慮每個原子,充分處理超晶格層中或界面中的組分變化,沒有大量復雜的數值計算,在模型尤其考慮了應力、界面、Sb偏析以及后來GaSb層中As背景的吸收效應,進行了無數次實驗,實驗結果與理論計算符合一致。

3.2 界面問題

形成良好的界面是實現高質量超晶格材料生長的重要一步,為了從一種二元材料切換到另一種沒有共同元素的二元材料,需要二個二元材料間具有一個共同元素的界面。對InAs/GaSb超晶格,界面可以是InSb或者GaAs(如圖6)。界面的另一個作用是平衡應力和降失配,InSb與GaSb間為壓應力(7 %),GaAs與GaSb間為張應力(-7 %)。對于LWIR設計,由于具有相對大比例的InAs層,需要插入兩個InSb層以平衡應力；然而,對于MWIR設計,InAs層比例相對較少,兩個InSb界面將造成太多的張應力,CQD采用了一個InSb界面和一個三元GaxIn1-xSb界面(生長速率由III族決定,相比SbxAs1-x型界面更可控和可重復)；在M勢壘MWIR超晶格中,使用了一個GaAs和一個InSb界面以平衡應力[3]。InSb界面層擴展了II類帶排列,允許更強的載流子隧穿和波函數重疊,而GaAs界面為電子和空穴制造了勢壘,降低了空穴和電子波函數重疊,降低了光學吸收系數因而降低了超晶格的量子效率,一般要盡量避免使用GaAs界面。

圖6 超晶格的兩種主要界面和能帶排列

圖7 p-i-n型及其雙異質結DH結構

3.3 超晶格幾種主要結構

3.3.1 p-i-n結構

如圖7所示,通常采用p-i-n結構替代簡單的p-n結構,由同種超晶格材料構成時為同質結p-i-n結構[10],結構由P型和N型超晶格電極接觸層以及超晶格吸收區i(π)層構成,最頂部為n型InAs或p型GaSb覆蓋層。由于InAs和GaSb的固有摻雜行為,名義上未摻雜的超晶格通常基于兩層的相對厚度為輕p型或輕n型,背景摻雜濃度在中1014cm-3。QE主要由三個參數決定:吸收系數、耗盡寬度和少子擴散長度。吸收系數決定光生少子速率,耗盡寬度和少子擴散長度是光生少子提取效率的主要因素,大多數光子載流子須具有足夠長的擴散長度才能被電極收集[11]。InAs/GaSb T2SL一個重要特點是空穴遷移率沿生長方向比平面方向低,如果吸收層為n型(空穴為少子),則容易導致超晶格橫向少子電流擴散(串擾)和差的光生少子收集效率。因此一般采用p型吸收層,并且電子(少子)有效質量小,遷移率相對較高,局域化少,少子壽命更高,擴散長度更長,QE較高[12]。為了與常規的讀出電路ROIC互連時極性相匹配,通常采用極性反轉的結構(p型在頂部)。

對于窄帶隙長波或甚長波超晶格通常采用兩個寬帶隙接觸層夾在吸收區兩邊來抑制超晶格活性區產生的暗電流以及反偏壓下的隧穿電流,因此可以衍化為由不同種超晶格材料構成的p-i-n型雙異質結DH結構。

圖8 “W”結構及其結構衍化

3.3.2 “W”結構

NRL的Meyer等最初開發“W”結構用于增強T2SL中紅外激光器的增益,結構如圖8所示,兩個InAs“電子阱”位于InGaSb“空穴”阱兩邊,并對稱束縛于AlSb(或AlGaInSb)“勢壘”層兩邊,形狀如字母“W”。勢壘圍繞空穴阱對稱的限制了電子波函數,增加了電子-空穴波函數重疊同時近乎局域化了波函數,導致準二維態密度在WSL近帶邊強的吸附。 Fuchs等首次提出WSL用于LWIR和VLWIR單/雙帶探測,相比LWIR的MCT,WSL降低了暗電流約兩個因子,R0A值可比于當時的HgCdTe。

第一代WSL采用AlSb層為“勢壘”,第二代WSL使用不到60 %Al、最佳生長溫度靠近InAs和InGaSb的四元勢壘層(QBL)Al0.4Ga0.49In0.11Sb來取代AlSb勢壘,降低與InAs的導帶偏差,增大電子微帶寬度,增強了垂直電子遷移率,增強了QE。通過一系列(8～10個)合適摻雜的轉變WSLs逐漸拉低價帶,同時保持空間電荷區(SCR)導帶近乎平坦,可將高場空間電荷耗盡區移動到更寬帶隙區,稱為耗盡區梯度帶隙WSL(GGW)二極管；增大了直接和陷阱輔助隧穿帶間隧穿勢壘,抑制了依賴于本征載流子濃度的俄歇和SRH的產生-復合過程,抑制暗電流而不衰退QE,暗電流改進一階幅度；78 K、10.3 μm WSL展示外圍QE=34 %(8.6 μm,80 K),平均R0A=216 Ω·cm2,可比于MCT；由于GGW結構的自鈍化效應,邊墻電阻率約為70 kΩ·cm。用更高垂直輸運遷移率和均勻帶隙吸收的三元InAs/InGaSbT2SL取代相同窄帶隙WSL作為吸收區稱為梯度帶隙混合超晶格二極管(GGH)或HSL(TSL)二極管,去除勢壘層,電子微帶寬度增加四個因子,沿生長方向有效質量降低；由于周期界面數由四個降低為兩個,界面散射降低,垂直擴散長度超過WSL近兩個因子,在降低暗電流的同時極大的增加了QE。采用應力補償的InAs/AlInSb SL勢壘(ALSL-B)可以進一步增加WSLs耗盡區的價帶偏差,理論上更易抑制G-R和隧穿暗電流；使用梯度帶隙結的DH結構可以構筑淺刻蝕平臺隔離(SEMI)結構以降低表面泄露電流。

圖9 “M”結構及相關示意圖

3.3.3 “M”結構

M勢壘結構可以顯著降低暗電流而不影響器件光學性能。為抑制標準p-n結擴散和帶-帶(BTB)隧穿電流,B-M.Nguyen等提出在i(π)和n區間插入M結構超晶格勢壘。如圖9,在M結構中,寬帶隙AlSb層夾在GaSb層中間,有效阻擋鄰近InAs阱中電子波函數相互接觸重疊,降低隧穿機率,增大電子有效質量(ETBM計算),降低電子遷移率,阻止導帶擴散機制。AlSb作為空穴勢壘將GaSb空穴量子阱分裂成兩個窄量子阱,降低GaSb層隧穿,AlSb層價帶低于GaSb價帶,更強的波函數束縛拉低了價帶量子阱能級；并稍微抬高了導帶微帶(相比價帶改變不顯著),同時作為導帶中空穴的勢壘,推動其朝向InAs/GaSb界面,重輕空穴被上推束縛于GaSb層量子阱兩邊[3,13],導致強的空間電子波函數重疊,有利于光學吸收[13],提高了內部量子效率。M結構分裂GaSb成雙阱使價帶對GaSb層厚的改變非常靈敏,當AlSb增厚時,有效質量隨能隙變小迅速增加。M結構有效降低π結耗盡區尖銳的三角型內置電場,拓寬p型和n型空間隧穿勢壘,大電子有效質量使耗盡區擴散和隧穿輸運電阻增大,暗電流降低,R0A改進一階幅度。M結構保持著II類帶排列,價帶可下調推至價帶(理論波長可低至1.5 μm),在 SWIR可設計出很多種高帶隙材料[3,13]。二元結構的簡化性易于與標準的InAs/GaSb超晶格集成,無晶格失配限制,生長靈活。隧穿電流的抵制允許適當的增加活性區p型摻雜級以抑制擴散電流以改進光電二極管性能。

在DH結p-i-n結構的超晶格活性區i層和n型接觸層之間插入M結構可構成p-π-M-n結構,高帶隙M勢壘可避開對靠近吸收層截止波長的吸收,僅聚焦于器件電學性能的改進,是MWIR、LWIR和VLWIR的選擇。高帶隙接觸區阻止了器件邊墻載流子電荷反轉,降低了體和表面隧穿泄露電流,改進了器件QE。通過選擇合適的M結構能級,降低π區/M結構界面附加的導帶不連續性彎曲效應[13]或者調整勢壘的摻雜級來降低勢壘寬度,增大p邊到n邊的導帶隧穿,可在M勢壘結構的VLWIR p-π-M-n結構中抑制隧穿電流,阻擋大多數空穴載流子而不影響光學性能,在p-π-M-n結構中獲得截止波長14.3 μm,沒有鈍化和涂抗反涂層,QE=37 %,R0A=2.1,D*=～4×1010(77 K),等效于最好的MCT。

圖10 “N型”結構

3.3.4 “N”結構

為了提高探測器的工作溫度和增加探測率,土耳其Bilkent大學的Omer Salihoglu[14]于2012年報道了N型結構,如圖10所示,兩層AlSb作為電子勢壘非對稱的插在InAs和GaSb層之間,連續的材料能帶排列很像大寫字母“N”,故稱為N型結構。N型設計旨在增加反偏壓下電子和空穴波函數重疊。N型結構的設計類似于超晶格pin結構,但與對稱的M結構不同,在非對稱勢壘中,吸收增加而沒有任何附加損失。阻止高溫工作的障礙為相對低的吸收系數和增加的暗電流,大于吸收層帶隙的N型單極勢壘可在降低擴散電流的同時保持光電流。在偏壓下,標準pin二極管中的電子和空穴波函數朝相反方向偏移。當AlSb對稱插入GaSb層中間構成M結構時導致AlSb勢壘低能級邊的InAs/GaSb界面處波函數重疊增加,而更高能級邊InAs/GaSb界面處重疊變小；當AlSb勢壘非對稱N型插入GaSb和InAs之間時,電子和空穴波函數從AlSb勢壘界面處被推開,在GaSb/InAs界面處重疊增加。計算表明,使用AlSb勢壘時界面吸收增加約25 %。勢壘可以增加光學吸收并通過阻擋熱生電子降低擴散電流。AlSb勢壘阻擋了兩個連續電子-空穴對間的相互作用,降低了隧穿機率并增加了電子有效質量。盡管InAs和AlSb間沒有共同的原子很難獲得完美的晶格匹配,但可以像M結構一樣降低暗電流。N型結構SL在LWIR工作時效果更好。

3.3.5 單/雙極勢壘結構(nBn/XBn和pMp/XBp、CBIRD和pBiBn、CpDBn)

異質結概念自引入以來在窄帶隙紅外探測領域被證實也具有強大應用。1963年描述互補單極勢壘DH激光器可降低吸收層擴散暗電流；1987年A.M.White在MCT結構中引入寬帶隙“單極勢壘”以改進光導阻抗而不降低QE；2000年以來nBn、pBp、XBn、CBIRD等“B”形式單極勢壘出現[15]；Shimon Maimon2003年描述了nBn和XBn的工作原理；2006年,Maimon和Wicks提出和證明了影響深遠(十年內引用達200多次)的nBn光電探測器結構[16]。

廣義上異質結超晶格或者基于nBn/pBp/XBn設計,或者是DH設計的變形。第一類包括:單雙帶超晶格nBn、pMp、pBn；第二類包括:DH、p-π-M-N、PbIbN、CBIRD(JPL開發的DH設計的變形)[17]。傳統III-V族材料具有較多耗盡暗電流以及缺乏良好鈍化而較多的表面泄露電流,得益于1958年以來大量MCT的知識和經驗,單極勢壘探測器BIRD概念(如MCT的DLHJ)也可應用于III-V族Sb基T2SL外探測器,已經應用于體InAs、InSb、InAsSb、InGaAsSb、InAsPSb和HgCdTe以及InAs/GaSb和InAs/InAsSb T2SL[15,18]。BIRD可以阻止一種載流子(電子或空穴)而不阻止另一種,強烈抑制SRH過程的G-R暗電流,增加光生少子收集效率[15,17,19]；窄帶隙吸收層被寬帶隙勢壘覆蓋,無需鈍化可降低表面泄露電流[15,18],使得Sb基LWIR探測器暗電流已經接近MCT的水平。6.1?系Sb基SL材料系統構筑異質結具有強大的靈活性,如BIRD結構,提供了高性能MWIR和LWIR高溫工作和低背景探測器應用的巨大潛力[19-20]。

圖11 單/雙極勢壘結構(nBn/XBn和pMp/XBp、CBIRD和PbIbN、CpDBn)

如圖11,nBn(或XBn)結構在n型(或p型)接觸層和n型吸收層之間插入勢壘B,使得吸收層和勢壘間的n-B異質結具有高的導帶偏差和零價帶不連續,阻擋多數載流子暗電流(噪聲),允許光生空穴光電流(信號)通過[15,18]；類似的,pMp(XBp)結構在p型(或n型)接觸層和p型吸收層間插入勢壘B(或M),使得吸收層和勢壘間具有高的價帶偏差和零導帶不連續,阻擋p型多子空穴暗電流輸運而允許少子電子通過,電子擴散長度更長,QE比nBn高,而且p型材料比n型更穩定。nBn和pMp均是少子單極勢壘器件,是傳統光伏和光導器件的混合體。無B(或M)勢壘結構時為傳統的光導,有B(或M)結構時工作類似于光伏。不僅繼承了簡單光導無內置電場和電場低的優點,而且偏壓下電場均勻落在大有效質量高阻抗勢壘區,顯著解決隧穿問題,尤其在LW和VLW上具有優勢。單極勢壘器件設計簡化是偏壓可選的雙色探測器件的候選。

CBIRD結構采用一對互補的空穴勢壘(hB)SL和電子勢壘(eB)SL將InAs/GaSb吸收層夾在中間,相對吸收層分別具有零導帶和零價帶偏差。hB SL降低了陷阱相關的隧穿,與吸收層間的單極勢壘Np結降低了SRH相關暗電流；eB SL防止了底部接觸額外的電子注入。稱頂部收集電子和空穴的CBIRD器件分別為n-CBIRD和p-CBIRD(通常使用的ROICs為p-on-n器件,從頂部收集空穴。因此CBIRD結構可以顯著降低帶-帶隧穿、G-R和擴散電流,并且設計具有零開啟偏壓和高的QE,暗電流密度僅約2.5倍于Rule07[17]。

New Mexico大學設計了超晶格基nBn結構,并在傳統PIN型超晶格結構的P型和N型接觸電極附近分別插入電子勢壘(EB)和空穴勢壘(HB)設計了PbIbN結構,導致10.8 μm的LW二極管暗電流下降二階幅度。SCD設計的XBp超晶格[21]探測器已經實現商業應用。美國西北大學還設計了稱為p型接觸雙勢壘n型吸收區結構(CpDBn)的雙電子勢壘結構來降低探測器的體和表面泄露電流[9,22]。

法國Chriostol也報道了77 K、11 μmXBp結構的LWIR InAs/GaSb T2SL單元器件性能[23]。美國伊利諾斯州大學(芝加哥)Kazemi[24]報道了截止波長5 μm高QE MWIR nBp二極管,InAs/GaSb/AlSb SL,InAs/AlSb SL勢壘,80 K、零偏QE=62 %(4.5 μm),暗電流 8.5×10-9A/cm2,150 K、50 mV截止波長5.3 μm,QE=64 %(4.5 μm),1.07×10-4A/cm2。結果在多個AFRL實驗室進行了確定。

圖12 多帶集成探測示意圖

3.4 超晶格多波段集成

通過設計適當的超晶格材料層厚和不同層間應力匹配的界面可以構筑靈活合理的能帶結構設計,結合各種新的材料結構可以在一個焦平面陣列(FPA)像元上集成吸收層堆棧實現集成多色/多帶探測(如圖12)。

4 結 論

本文簡單歸納總結了紅外探測II類超晶格材料的發展歷史、基本理論、相比MCT材料的優勢和材料的基本結構。通過設計6.1?系超晶格材料適當的層厚和不同層間應力匹配的界面可以構筑靈活合理的能帶結構,打開設計各種符合器件性能要求的新材料結構的可能性(如各種同質結p-i-n結構,雙異質結DH、異質結W、M、N、BIRD、CBIRD、p-π-M-N、pbibn、nBn、XBp、pMp等結構),還可以在一個焦平面陣列(FPA)像元上集成吸收層堆棧實現集成多色/多帶探測。T2SL探測器可以滿足實現大面陣、高溫工作、高性能、多帶/多色探測的第三代紅外探測器需求,尤其在長波紅外(LWIR)和甚長波紅外(VLWIR)及雙色/多帶探測上可以替代MCT。