基于InAs/GaSb二类超晶格的中/长波双色红外探测器

孙姚耀 韩玺 吕粤希 郭春妍 郝宏玥 蒋志 蒋洞微 王国伟 徐应强 牛智川

摘要： InAs/GaSb二类超晶格是一种通过在纳米尺寸上交替生长周期性异质结而构造的人工体材料， 其有效带隙可以覆盖40～400 meV。 该量子体系材料不仅具有良好的均匀性， 还拥有出色的光学特性， 其电子有效质量高、 光吸收系数大、 量子效率高， 已经成为第三代红外焦平面探测器的热门材料。 本文利用分子束外延技术生长了背靠背势垒型中/长波双色红外探测器材料， 通过标准工艺和阳极硫化技术， 成功制备双波段NMπP-PπMN型红外探测器。 在77 K， 中波峰值量子效率为32%， 长波峰值量子效率为27%， 50%截止波长分别为4.7 μm和7.9 μm。 中波信号在+2 V偏压下饱和， 暗电流密度为0.06 A/cm2， 长波信号在-1.4 V偏压下饱和， 暗电流密度为8.7 A/cm2。

关键词： InAs/GaSb超晶格； 分子束外延； 中/长波双色； 红外探测器

中图分类号： TN215文献标识码： A文章编号： 1673-5048（2018）02-0056-040引言

为了提高在复杂环境中的识别能力， 要求第三代红外成像系统具有多波段探测和高分辨率的能力。 相比于单色器件， 覆盖不同大气窗口的双色红外探测由于器件具有更好的信号对比度， 可以提供更高的识别能力[1]。 并且， 双色成像系统在军用和民用领域有很大需求， 比如红外夜视系统、 化学诊断、 目标识别、 导弹跟踪等。

传统的红外探测器材料有量子阱材料体系和碲镉汞材料体系， 两者同样具有调节波长的能力， 已经被证实可以实现多波段的红外探测[2-4]。 但是量子阱体系存在量子效率低的问题， 碲镉汞体系在长波波段由于带隙对镉组分十分敏感而存在均匀性差的问题[5]。 相比之下， 锑化物Ⅱ类超晶格由于其优异的光学特性以及极好的材料均匀性， 适合制作大面阵焦平面探测器， 逐渐成为第三代红外探测领域的热门材料。 InAs/GaSb超晶格通过调整周期结构， 改变材料的相对厚度， 可以使截止波长覆盖2.7～30 μm红外波段， 有利于满足多色探测的需求[6]。 同时， InAs/GaSb超晶格还具有特殊的Ⅱ型能带结构， 具有量子效率高、 电子有效质量大、 微带可调等优势[7-8]。 另外， 同为6.1 的AlSb材料， 也极大地丰富了器件结构设计， 可以在设计中方便地加入势垒结构， 提高器件的工作温度与光学特性[9]。

收稿日期： 2017-04-05

基金项目： 国家自然科学基金项目（61290303）； 航空科学基金实验室类项目（20142436003）； 科技部重点研发计划（2016YFB0402403）

作者简介： 孙姚耀（1991-）， 男， 江苏新沂人， 博士研究生， 研究方向是锑化物材料及红外器件。

引用格式： 孙姚耀， 韩玺， 吕粤希， 等. 基于InAs/GaSb二类超晶格的中/长波双色红外探测器[ J]. 航空兵器， 2018（ 2）： 56-59.

Sun Yaoyao， Han Xi， Lü Yuexi， et al. Performance of DualColor Mid/LongWavelength Infrared Detectors Based on TypeⅡ InAs/GaSb Superlattice[ J]. Aero Weaponry， 2018（ 2）： 56-59.（ in Chinese）本文介紹了InAs/GaSb超晶格中/长波双色单元器件的器件结构与外延技术， 分析了M型势垒结构的优势， 采用标准工艺流程和阳极硫化技术， 制备了中/长波红外探测器， 并对其性能进行了分析表征。

1材料外延与结构

本文使用的中/长波双色红外器件由Veeco Mod Gen Ⅱ固态源分子束外延系统生长制备， 如图1所示。 器件由两个背靠背的PπMN结组成， 中间用P型掺杂的GaSb低温层隔开， 底层为GaSb缓冲层。 GaSb缓冲层用来隔离器件与被污染的衬底表面， 为器件提供平滑的生长界面并减少宏观缺陷密度。 随后， 在正入射的情况下， 为了避免长波通道对中波信号的吸收， 窄带隙的长波通道先于宽带隙的中波通道生长[10]。 长波吸收区采用14/7 MLs InAs/GaSb周期结构和0.52 MLs InSb应力界面， 势垒区M层采用18/3/5/3 MLs InAs/GaSb/AlSb/GaSb周期结构和0.6 MLs InSb应力界面。 中间采用GaSb低温层隔开两个通道。 随后， 中波吸收区采用8/8 MLs InAs /GaSb周期结构， 势垒区M层采用10/1/5/1 MLs InAs/GaSb/AlSb/GaSb周期结构和0.6 MLs InSb应力界面。 最后， 器件被覆盖22 nm的InAs N+接触层。

图1器件结构图

Fig.1The schematic diagram of the device

航空兵器2018年第2期孙姚耀， 等： 基于InAs/GaSb二类超晶格的中/长波双色红外探测器器件中涉及的M结构是通过在二元InAs/GaSb超晶格中插入AlSb层来实现的。 首先， 这种方法继承了Ⅱ类超晶格通过减少带隙与子带间的共振来消除俄歇复合的优点。 其次， AlSb相比于InAs和GaSb具有更宽的带隙， 可以同时充当导带电子和价带空穴的势垒， 从而达到减小暗电流和提高RA的效果。 然后， 相比于更复杂的InAs/InGaSb， InAs/InAsSb等超晶格而言， 该M结构各个组分都是二元的， 而且晶格常数相近， 对生长温度和五三比的要求稍微简单， 在生长控制上更容易实现。 最后， 通过移动AlSb组分的相对位置和改变其厚度， 可以更加灵活地调整能带， 极大地丰富了能带结构设计。 长波波段M型势垒的结构设计和能带模拟如图2所示。 针对13/7 MLs InAs/GaSb周期结构的长波吸收区， 18/1/8/2 MLs InAs/GaSb/AlSb/GaSb周期结构的势垒层能带模拟结果显示， 吸收区和势垒区的导带基本保持持平， 带阶小于7 meV， 在不影响光生载流子运输的情况下， 价带带阶达到155 meV， 形成了有效的空穴势垒， 不仅抑制了扩散电流和隧穿电流， 而且由于压降主要落在宽带隙区域， 也极大地抑制了产生复合电流。 同时， 势垒区电子有效质量为0.049 5m0， 重空穴有效质量达到-28.99m0， 从而达到优化器件电学性能和提高工作温度的目的。

图2长波M型势垒结构设计

Fig.2The Mbarrier design in longwavelength structure

2器件制备

器件经过清洗处理后， 使用PECVD（等离子体化学气相沉积）生长SiO2硬掩膜。 经过标准紫外光刻后， 多余的SiO2被刻蚀掉。 随后， 采用ICP（电感耦合等离子体）刻蚀， 使用CH4/Cl4/Ar2混合气体刻蚀出台面， 底部刻蚀到GaSb缓冲层。 在多余的SiO2硬掩膜被去除之后， 使用阳极硫化工艺来饱和器件侧壁表面悬挂键[11]， 并接着用磁控溅射生长200 nm SiO2作为物理保护[12]。 在第二次光刻后， 使用ICP对SiO2进行开孔， 最后使用电子束蒸发Ti（500 ）/Pt（500 ）/Au（3 000 ）形成欧姆接触， 经过标准剥离工艺后， 完成电极图形[13]。

3器件表征

器件未经反射膜处理， 先封装在一个独立管脚上， 然后装入定制的液氮杜瓦瓶中进行冷却测试。 器件在77 K温度下的归一化光谱响应图如图3所示。 该光谱是将制备的器件作为傅里叶光谱仪（FTIR）的外置探测器， 并由DTGS标准探测器校准得到。 可以看出， 中波波段和长波波段的50%截止波长分别为4.7 μm和7.9 μm。 77 K下器件的暗电流密度和RA曲线图如图4所示。 在+2 V偏压下， 中波信号饱和， 暗电流密度为0.06 A/cm2， RA为142.8 Ω/cm2。 在-1.3 V偏压下， 长波信号饱和， 暗电流密度为8.7 A/cm2， RA为0.06 Ω/cm2。

77 K量子效率与偏压和波长的关系如图5所示。 对于中波波段， 峰值量子效率为4.2 μm处的32%， 长波峰值量子效率为7.4 μm处的27%。 值得一提的是， 在先前工作中， 单色长波势垒型单元器件已经获得最优掺杂条件， 响应不呈现偏压特性。 而双色器件结果表明两个波段都需要较大的工作电压， 说明目前中波势垒型结构的掺杂框架并不足以弥补中波通道吸收区与势垒区的导带带阶[14]， 带阶势垒阻碍了中波和长波光生载流子的导出。 所以， 中波吸收区和势垒区的掺杂框架仍有待后续优化。

图377 K温度下归一化光谱

Fig.3Normalized response spectrum

at 77 K图4暗电流密度和RA曲线图

Fig.4Dark current density and RA curve

图5量子效率与波长和偏压的关系

Fig.5Quantum efficiency vs wavelength

and applied bias voltage为了进一步量化双色红外器件的光学串扰[15]， 定义参数S：

SLW channel=QEL4.2 μmQEL7.4 μmSMW channel=QEM7.4 μmQEM4.2 μm

其中：QEM7.4 μm， QEM4.2 μm， QEL7.4 μm， QEL4.2 μm， 分别为中波通道和长波通道在7.4 μm和4.2 μm处的量子效率。 可以算出， 中波的选择比为0， 而长波的选择比为0.35。 长波的选择比较高的原因是因为长波具有较宽的吸收谱， 而且上层的中波通道量子效率并不高， 无法完全吸收入射的中波信号， 导致部分中波信号被长波通道吸收。

4结论

采用分子束外延技术， 在GaSb衬底上生长了InAs/GaSb超晶格中/长波双色红外材料。 利用标准工艺流程和阳极硫化技术， 制备了50%截止波长分别为4.7 μm和7.9 μm中/长波双色红外单元探测器， 峰值量子效率分别为32%和27%， 证实了InAs/GaSb超晶格是可供选择的多波段探测器材料。 从单元器件量子效率与偏压的关系， 可以看出器件需要较大的工作电压， 说明中波的势垒区设计与掺杂框架仍有待优化。

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Performance of DualColor Mid/LongWavelength Infrared Detectors

Based on TypeⅡ InAs/GaSb Superlattice

Sun Yaoyao， Han Xi， Lü Yuexi， Guo Chunyan， Hao Hongyue， Jiang Zhi，

Jiang Dongwei， Wang Guowei， Xu Yingqiang， Niu Zhichuan

（State Key Laboratory of Superlattices and Microstructures， Institute of Semiconductors，

Chinese Academy of Sciences， Beijing 100083， China）

Abstract： InAs/GaSb typeⅡsuperlattice is an artificial material with alternating growth periodic heterojunction at nanometer size， and the effective band gap can cover from 40 meV to 400meV. It has been regarded as a promising material system for third generation infrared detectors on account of its high uniformity and superior optical property， such as large electron effective mass， large absorption coefficient and high quantum efficiency. In this work， backtoback dualcolor mid/longwavelength infrared detector material are grown by the molecular beam epitaxy （MBE） technology. The dualband NMπPPπMN infrard detector is successfully prepared by standard process and anode sulfuration technology. At 77 K， two channels present peak quantum efficiencies of 32% and 27% with respective 50% cutoff wavelengths of 4.7μm and 7.9μm. The midchannel saturates at +2V and the dark current density is 0.06 A/cm2， while the longchannel saturates at 1.4V and the dark current density is 8.7A/cm2.

Key words： InAs/GaSb superlattice； MBE； dualcolor mid/longwavelength； infrared detector