InAs／GaSb II型超晶格红外探测器的研究进展

宋淑芳，巩 锋，周立庆

（华北光电技术研究所，北京100015）

·综述与评论·

InAs／GaSb II型超晶格红外探测器的研究进展

宋淑芳，巩 锋，周立庆

（华北光电技术研究所，北京100015）

InAs／GaSb II型超晶格材料理论上性能优于HgCdTe、InSb等红外探测材料，基于成熟的III－V族化合物材料与器件工艺，使得II型超晶格材料容易满足均匀大面阵、双色或多色集成等红外探测器的要求，因而InAs／GaSb II型超晶格材料将逐步替代HgCdTe、InSb等材料成为第三代红外探测器的首选材料。本文阐述了InAs／GaSb超晶格红外探测器的基本原理、以及材料生长和器件结构，并对其研究进展进行了综述性介绍。

II类超晶格；红外材料；红外探测器

1 引 言

HgCdTe红外探测器以其优越的材料性能长期占据高性能红外探测器的统治地位，是唯一大规模商业化生产的红外光探测材料。但是HgCdTe材料也有着自身的缺点［1］：Hg－Te键比较弱，易形成Hg空位，以及活动力强的Hg原子，因而影响器件的长期稳定性；隧穿电流大，俄歇复合速率高；用于远红外探测的HgCdTe材料需要高的Hg组分，然而生长时高的Hg蒸气压使HgCdTe大面积成分控制困难，均匀性差，限制了其在焦平面阵列中的应用。

基于HgCdTe材料的自身缺点，研究人员从来没有停止寻找性能更优越的红外探测材料，Smith和Mailhiot［2］在1987年首次提出可以利用InAs／GaSb II型超晶格的独特物理性质实现高性能的红外探测器，这种II型超晶格可以得到与HgCdTe材料相同的光学性质，但它具有HgCdTe材料不可比拟的优点［3］：基于Ⅲ－V族材料生长技术，大面积均匀性好；掺杂容易，无合金涨落，利于大面积焦平面阵列探测器的制作；电子有效质量大，隧穿电流小，重空穴带与轻空穴带带隙大，俄歇复合被抑制，提高了载流子的寿命，有利于探测器获得更高的工作温度。目前，InAs／GaSb II型超晶格引起广泛关注并得到迅速发展，被认为是第三代红外探测器的首选材料。

2 InAs／GaSb II型超晶格红外探测的基本原理

两种半导体材料A、B形成异质结超晶格时，按照能带的相对位置可以分成三类［4］。

其中I类超晶格中，材料A的禁带完全落在材料B的禁带中，因此电子和空穴都被限制在一种材料中。在II类超晶格中，两种材料的禁带并不对准，电子和空穴分别约束在两种材料中，电子跃迁的概率较小。III类超晶格中，有一种材料具有零带隙，它的导带位于价带顶之上，组成超晶格后，电子有效质量为负，将形成界面态。

根据能带的相对位置，InAs／GaSb超晶格属于II型超晶格，当InAs／GaSb一层一层的重复累积起来，而且InAs层和GaSb层足够薄时，InAs层中的电子波函数发生交叠，能级展宽成微带，GaSb层中产生局域化的重空穴。电子被限制在InAs层中，重空穴大部分被限制在GaSb层中，光跃迁发生在电子子带和局域化的重空穴之间，并以此探测红外辐射，如图1所示［5］。理论上可以调整各子层厚度和组分实现一个很宽范围（3～30μm）的红外吸收。

图1 InAs／GaSb超晶格的能带图

3 InAs／GaSb超晶格材料的生长

分子束外延（MBE）技术是InAs／GaSb II型超晶格主要的生长技术，使用该种生长技术可以实现外延层厚度、组分、界面控制精度在单原子层水平。

由于InAs层与GaSb层III族元素与V族元素的原子都不相同，因而在界面处可以形成两种界面类型，即Ga和As原子结合形成GaAs界面，以及In、Sb原子结合形成InSb界面，这两种界面类型分别被称为GaAs-like界面和InSb-like界面。相比较于GaAs-like界面，InSb-like界面被认为更利于红外探测器性能的提高。由于晶格的失配，GaAs-like界面和InSb-like界面都将在界面处引入了应变，从能带方面考虑，InAs／GaSb II型超晶格中，光跃迁发生在界面处InAs层电子和GaSb层中空穴。在InSblike界面处，InSb层增加了能带的alignment，加强了波函数之间的重叠。但是，在GaAs-like界面处，形成了一个电子和空穴的势垒层，减少了波函数的重叠，从而减小了光跃迁的发生，如图2所示。因此在InAs／GaSb超晶格生长的过程中，如何实现InSblike界面将是材料生长的难点和重点。

图2 不同界面InAs／GaSb II型超晶格的能带图［6］

4 InAs／GaSb超晶格红外探测器件结构

目前InAs／GaSb超晶格红外探测器件的结构主要包括两种，一种是以pn结为基础的光伏型器件，另外一种是在器件结构中没有pn结的类光导器件，也叫做单极型器件。

探测器的暗电流是影响探测器性能的主要因素，如何降低暗电流，提高信噪比，是器件结构设计的出发点。光伏型光电二极管的暗电流可以表示为：

Idark＝ISRH＋Idiff＋Itun＋Isurf

其中，ISRH是产生复合电流，与耗尽层中载流子的产生复合过程有关；Idiff是扩散电流，与非本征区的俄歇和辐射过程有关；Itun是隧穿电流，与载流子的有效质量和界面处的势垒高度有关；Isurf是表面电流，主要和器件表面的表面态有关。针对如何抑制暗电流，简单介绍的几种器件结构。

4.1 光伏型器件结构

光伏型器件结构主要包括：德国费朗霍姆实验室使用的pin结构［7］，美国西北大学量子器件中心的M结构［8］，美国海军研究实验室的W结构［9］，美国西北大学量子器件中心的双异质结结构［10］和美国加州理工大学喷气动力实验室的CBIRD结构［11］。

4.1.1 pin结构

图3是pin单色红外探测器结构图，在（100）GaSb衬底上，按照顺序生长晶格匹配缓冲层、GaSb：Be p型电极接触层、p型超晶格层、n-i-d超晶格层、n型超晶格层、以及InAs：Si的n型接触层，利用此结构实现了I-nAs／GaSb II型超晶格中波单色、双色红外焦平面探测器。但是使用该结构器件的暗电流较高、R0A值较低，因此不适用于InAs／GaSb II型超晶格长波红外焦平面探测器中，需要进行结构优化，降低暗电流。

图3 p-i-n单色红外探测器结构图

4.1.2 M结构

在pin器件的结构中，加入M结构层，形成M结构器件，如图4所示，包括p型的GaSb衬底、GaSb：Be p型缓冲层、p型超晶格层、低掺杂浓度π超晶格区、M结构超晶格区、n型超晶格层、以及n型接触层。M结构是指GaSb层的中间插入了薄的AlSb（几纳米）势垒层，AlSb势垒层的插入，增加了电子的有效质量，使得π区的电场减小，隧穿势垒增加，有效降低了隧穿电流Itun，减小了暗电流，提高了R0A的值，从而可以达到提高器件性能的目的。

图4 P＋－π－M－N＋结构图

4.1.3 W结构

W结构的器件基本结构包括：n＋超晶格层、p－W结构超晶格层、p＋W结构超晶格层，如图5所示，p－W结构超晶格层为光吸收区。W结构的能带图，在两个InAs电子阱的两边各生长AlSb或AlGaInSb势垒层，势垒层可以增加局域化的电子和空穴波函数的重叠，导致带边的强红外吸收，并且利用分步降低禁带宽度的方法，逐步抑制隧穿电流Itun和产生复合电流ISRH，降低暗电流，提高器件性能。

图5 W结构的能带图和结构图

4.1.4 双异质结结构

双异质结结构是n区超晶格和p区超晶格只响应中波，i型超晶格吸收区可吸收长波，因此在探测长波信号时，只有i区产生光生载流子，降低n区和p区转型的区域面积，从而达到减小表面漏电流Isurf的目的。从图6可知，表面漏电流Isurf被极大抑制，可以提高器件性能。

图6 双异质结结构示意图

4.1.5 CBIRD结构

CBIRD结构（如图7所示）主要包括电子势垒层（eB）、红外吸收层、空穴势垒层（hB），每层的载流子浓度分别为p＝1×1016cm－3，p＝1×1016cm－3，n＝1×1016cm－3，InAs0.91Sb0.09生长在eB层下面，作为底接触层，hB层作为顶接触层。在顶部加上正向偏压后，电压主要落在eB层和底接触层的交界处，远离了红外吸收区域，从而减少了暗电流，同时不影响光生载流子引入的光电流，吸收层中的光生电子可以很容易到达hB层，过剩的空穴可以和底接触层注入到吸收层的电子复合，因而减小了产生复合电流ISRH和隧穿电流Itun，器件的性能得到了提高。

图7 CBIRD结构的能带图和器件结构图

4.2 类光导型（单极型）器件的结构

类光导型（单极型）器件的结构主要包括美国新墨西哥大学高技术材料中心的nBn结构［12］和美国西北大学量子器件中心的pMp结构［13］。

4.2.1 nBn结构

nBn结构包括n型吸收层、宽禁带势垒层和一个薄n型层，能带结构如图8（a）所示，势垒层的主要作用是阻止多子电流的通过，允许少子电流的通过。n型吸收层的厚度是光吸收长度的1到2倍，势垒层的厚度是50到100 nm，薄n型层是一个电极接触层（与欧姆接触）。器件的结构如图8（b）所示。nBn结构不存在耗尽层，可以基本上消除了产生复合电流ISRH，从而减小了噪声，提高了器件的工作温度。同样利用nBn结构的器件，表面电流Isurf也可以基本消除，省去了钝化的工艺步骤，性能优于pin器件。

图8 nBn结构的能带图和器件结构图

4.2.2 pMp结构

pMp结构包括p型的超晶格吸收区、宽禁带M结构层、p型接触层，如图9所示。M层的导带和吸收区的导带的位置相同，但是M层的价带位置远低于吸收区的价带，因此对p型的超晶格吸收区形成了多子空穴的势垒。和nBn结构相似，pMp结构减少了产生电流ISRH和表面电流Isurf，pMp结构和nBn结构都是少子的单极器件，但是pMp结构少子为电子，而nBn结构少子为空穴，由于与空穴相比，电子有更长的扩散长度和更高的迁移率，光生载流子的收集更有效，因而利用pMp结构有很高的量子效率。而且由于p型吸收区，空穴隧穿过势垒层的几率很小，隧穿电流Itun也得到了极大的抑制。

图9 pMp结构的能带示意图

5 InAs／GaSb II型超晶格红外探测器的研究进展

InAs／GaSb II型超晶格红外探测器主要经历了以下三个发展阶段：

（1）1987年，Smith和Mailhiot首次提出可以利用InAs／GaSb II型超晶格的独特物理性质实现高性能的红外探测器，从理论上预研了在甚长波波段的性能主要优于碲镉汞材料，从此InAs／GaSb II型超晶格成为研究的热点；

（2）20世纪90年代开始，随着分子束外延技术的成熟，材料质量逐步提高，获得了具有器件质量的外延材料，基于高质量的外延材料，在90年代后期到本世纪初提出了包括p-i-n、M结构、W结构、双异质结等器件结构，目的在于降低暗电流，提高器件的性能，使其达到实用化的标准；

（3）当研究发展到了一定阶段，有了实际的应用空间，便开始了商业化的进程，2006年，德国费朗霍姆FraunhoferIAF和AIM实验室合作首次实现中红外双色（蓝色通道λ为3～4μm，红色通道λ为4～5.4μm）288×384焦平面阵列探测，并将其应用于欧洲大型运输机Airbus A400M的导弹预警上［14］，是InAs／GaSb II型超晶格红外探测器开始走向实用化的标志；2009年，美国政府启动了一个为期四年的“FastFPA”项目［15］，联合海军研究室（ARL）、Teledyne成像公司（NRL／TIS）、美国加州大学喷气动力实验室（JPL）、雷声公司（RVS）、美国西北大学量子器件中心（NU－QDC）以及MIP科技（NWU／MPT）等多年从事红外探测器研究和生产的研究机构和公司，共同进行“FastFPA”项目的研发，旨在推动InAs／GaSb II型超晶格红外焦平面阵列的工业化进程，最终实现小面阵长波焦平面阵列、大面阵长波焦平面阵列、中等面阵中波／长波双色焦平面阵列等三个系列的产品，目前已经获得了阶段性的进展。

我国InAs／GaSb II型超晶格红外探测器的研究工作落后于西方发达国家，开始于2005年，主要的研究小组是中国科学院半导体研究所的牛智川等［16］和马文全［17］小组、中国科学院上海技术物理研究所陈建新和何力小组［18］、昆明物理研究所史衍丽小组［19］。2012年6月中国科学院半导体研究所马文全小组的研究取得了重大突破，获得了具有国际水平高质量的外延材料，此外还研制出改变偏压极性实现双色探测器件［20］。

6 小 结

本文综述了InAs／GaSb II型超晶格红外探测器的基本工作原理、以及材料生长和器件结构，并且简单介绍了研究进展。通过上面的总结我们不难发现，国外许多与军方密切相关的科研单位一直从事InAs／GaSb II型超晶格红外探测器的研发工作，取得了很大的进展，相应的产品相继出现，并且近几年来，项目的研制不断得到国家政府在人力和财力方面的大力支持，相信在不久的将来该项技术将逐步成熟化产品化，最终会占据红外探测器的统治地位。但是，我国在该项目的研究，目前还处在起步的阶段，没有相关的产品报道，因此开展该项目的研究迫在眉睫。

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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，高级工程师，主要从事Ⅲ－Ⅴ族半导体光电材料器件的设计、制备和测试。E-mail：sfsong＠center.njtu.edu.cn

2013-01-29；

2013-02-20