基于Ⅱ类超晶格的中波红外带间级联探测器（特邀）

薛婷，黄建亮，鄢绍龙，张艳华，马文全

（1 中国科学院半导体研究所 半导体材料科学重点实验室，北京 100083）

（2 中国科学院大学 材料与光电研究中心，北京 100049）

0 引言

红外探测器在气象探测、医疗诊断、对地观测、夜视安防以及预警与跟踪等领域有重要的应用价值。目前市场上的高性能红外探测器有碲镉汞（Mercury Cadmium Telluride，MCT）和量子阱探测器等。其中MCT 探测器具有带隙可调、量子效率高、复合暗电流低等优点，但成本高；量子阱探测器成本低，但量子阱材料基于子带间跃迁吸收，量子效率低，而且因为不能吸收垂直入射光，需要制作表面光栅，增加了器件工艺成本。近年来，InAs/GaSb Ⅱ类超晶格（T2SL）得到了广泛关注。T2SL 的有效带隙取决于电子和空穴形成的微带，通过调节InAs 层和GaSb 层的厚度可以灵活调节带隙实现约1～32 μm 的探测，因为是带间跃迁，其量子效率远高于量子阱；而且，在Ⅱ类超晶格结构中，因为轻重空穴分离，降低了俄歇复合率；同时，由于电子有效质量高，降低了隧穿暗电流［1］。基于此材料，科研人员已经成功实现了短波［2-5］、中波［6-8］、长波［9-11］和甚长波［11，13］的红外探测。但T2SL 探测器通常要在低温下工作，需要制冷，这大大增加了整机尺寸、功耗和成本。为了降低探测器的暗电流，不同势垒能带结构的T2SL 探测器被提出，如采用单极势垒［14-15］、互补势垒［11］、M 结构势垒［16］、双异质结构［17］的探测器，以及带间级联结构红外探测器［9，18］。

2005年，LI J V 和YANG R Q 采用了与带间级联激光器（Interband Cascade Laser，ICL）［19-20］相同的结构制备出了带间级联探测器（Interband Cascade Infrared Photodetectors，ICIP）［21］，接近当时商用PbSe 光电探测器的探测率水平。2010年，YANG R Q 采用InAs/GaSb 二类超晶格作为吸收区，报道了室温下截止波长为7 μm 的带间级联探测器，室温下探测率达到4.5×108cm·Hz1/2/W［22］。KRISHNA S 课题组在2012年制备了七级带间级联中波探测器，295 K 时100%截止波长是6.2 μm，探测率为8.9×108cm·Hz1/2/W［23］。该课题组在2014年制备了五级带间级联探测器焦平面阵列（Interband Cascade Photodetector Focal Plane Array，IC FPA），在300 K 时50%截止波长为4.4 μm，最高工作温度为180 K［24］。近年来，科研人员将不同的材料与ICIP 结构结合。中国科学院上海技术物理研究所制备了InAs 基的中波ICIP［25-26］，在300 K 时，两级和三级带间级联探测器的探测率分别是2.23×108cm·Hz1/2/W 和1.94×108cm·Hz1/2/W。德国科学家BADER A 设计并制备了以Ga-free 超晶格材料作为吸收区的ICIP，目的是将InAs/InAsSb 材料的Ⅱ类超晶格材料的优点与带间级联结构的优点结合起来，但因为受到材料少数载流子扩散长度的限制，峰值探测率在300 K 只有约108cm·Hz1/2/W［27］。由以上结果可知，ICIP 在高温工作条件下的表现优于单级吸收区探测器。这是因为普通单级探测器在高温时扩散长度变小，量子效率降低，而ICIP 的分级结构使得扩散长度大于每一级吸收区，从而避免了高温下变短的扩散长度带来的响应率的减小；同时，由于带间级联结构中存在高带隙的AlSb 材料，且是多个结构之间串联，提高了电阻，这可能会进一步降低暗电流［28］。

基于带间级联结构在高温工作的优势，本文采用T2SL 材料作为吸收区设计并制备了一个五级带间级联中波红外光电探测器，相比于其他带间级联探测器，该器件在达到相似探测率水平下截止波长更长。且在77～220 K 温度范围的暗电流曲线中观察到了负微分电阻效应（Negative Differential Resistance，NDR），对峰谷电流比随温度升高而降低的趋势进行了解释。

1 结构设计及生长

如图1所示，带间级联探测器采用多级级联结构，每级由吸收区、空穴势垒区和电子势垒区组成，吸收区多采用InAs/GaSb 二类超晶格，空穴势垒区一般采用InAs/AlSb 多量子阱，电子势垒区一般采用GaSb/AlSb 多量子阱。吸收区位于空穴势垒区和电子势垒区之间，吸收光子能量产生电子，电子向电子势垒区的运输被高势垒阻挡，但可以在光学声子的辅助下弛豫到最低能级，再通过电子势垒区共振隧穿到下一吸收区的价带，完成带间级联输运过程。

图1 探测器的能带结构示意图Fig.1 Schematic drawing of the band structure of the detector

在带间级联结构中，空穴势垒区的能级E1应与吸收区的电子基态能级E0接近，电子势垒区的空穴能级HH02应与吸收区的重空穴能级HH0接近，相邻能级之间的弛豫和隧穿需要光学声子的辅助，所以空穴势垒区和电子势垒区的能级应设计为等差分布，相邻能级之间的能量差应为一个纵向光声子能量，约为30 meV。

基于以上原理，采用8 k·p 模型对能带结构进行计算并对探测器中的级联结构能级进行设计，其中以InAs 材料的价带顶为能量零点。为了实现中波红外探测，吸收区采用InAs（2.4 nm）/GaSb（3.6 nm）超晶格结构，厚度为0.5 μm，对应的电子基态E0和重空穴基态HH0分别约为0.72 eV 和0.43 eV。该探测器利用了从HH0到E0的跃迁，因此吸收区的有效带隙为0.29 eV，对应的探测波长就是4.28 μm。为了光生载流子输运，空穴势垒区由AlSb（2.1 nm）/InAs（9.0 nm）/AlSb（2.2 nm）/InAs（8.1 nm）/AlSb（2.3 nm）/InAs（7.2 nm）/AlSb（2.4 nm）/InAs（6.3 nm）/AlSb（2.5 nm）/InAs（5.4 nm）/AlSb（2.4 nm）/InAs（4.5 nm）/AlSb（2.3 nm）/InAs（3.6 nm）/AlSb（2.2 nm）/InAs（2.9 nm）/AlSb（2.1 nm）组成，其对应的电子能级（E1、E2、E3、E4、E5、E6、E7、E8）的差约等于一个纵向光学声子的能量。电子势垒区由两个空穴量子阱组成，具体排列是AlSb（2.1 nm）/GaSb（5.3 nm）/AlSb（2.1 nm）/GaSb（7.5 nm）/AlSb（2.1 nm），计算得到相邻能级的能量差与纵向光学声子能量有轻微偏差，但基本符合设计。

P 型接触层为0.5 μm 厚的GaSb 和100 个周期的InAs（2.4 nm）/GaSb（36 nm）超晶格，掺杂浓度为2×1018cm-3；级联结构区由5 个周期的电子势垒区、吸收区和空穴势垒区组成；N 型接触层由100 个周期的InAs（2.4 nm）/GaSb（3.6 nm）超晶格和20 nm 厚的InAs 层组成，掺杂浓度为2×1018cm-3。外延片样品采用分子束外延技术在n 型GaSb（001）衬底上使用As 源和Sb 源生长，将生长的样品进行标准化光刻和蚀刻制备成方形台面结构。方形台面的尺寸为300 μm×300 μm。P 型和N 型欧姆接触电极都采用Ti/Au 金属。

2 实验结果

2.1 暗电流测试

图2 是从77 K 到300 K 温度范围内的变偏压器件暗电流密度曲线，当偏置电压是-20 mV 时，在77 K、160 K 和300 K 时，暗电流密度分别为1.91×10-7A/cm2、1.95×10-5A/cm2和4.3×10-2A/cm2。图2 中低温特定正偏压范围内可以观察到负微分电阻效应，并且呈现了与温度相关的趋势。根据暗电流密度的数据，可以计算得到零偏动态电阻与面积的乘积R0A。例如，在77 K、160 K 和300 K 时，R0A分别为2.68×104Ω·cm2、1.02×103Ω·cm2和0.44 Ω·cm2。

图2 77 K 到300 K 的暗电流密度曲线Fig.2 The dark current density curves from 77 K to 300 K

为了对暗电流机制进行分析，做出如图3所示的温度从77 K 到300 K 时的暗电流密度对1 000/T（温度）的依赖关系，即Arrhenius 曲线。从Arrhenius 图可知，在180～300 K 之间器件的激活能为279 meV。对于T2SL 探测器来说，50%截止波长非常接近超晶格吸收区的有效带隙，即电子基态能级和重空穴基态能级之间的差。而从图4（a）可以得到在300 K 时器件50%截止波长是4.88 μm，对应的有效带隙是254 meV。可见激活能非常接近有效带隙的值，这意味着在180 到300 K 温度范围内扩散暗电流占暗电流的主导地位。这是因为采用了带间级联结构，对于其他结构的T2SL 探测器，在类似的温度范围内的暗电流通常以产生-复合暗电流为主。但在77 K 到140 K 左右的温度范围内，测量得到的激活能只有23 meV 左右。该段的暗电流机制尚不清楚，其中一个猜测是测量得到的暗电流结果可能包括了暗电流和背景辐照导致的光电流。

图3 暗电流密度在77 K 到300 K 之间的Arrhenius 图Fig.3 The Arrhenius plot of the measured dark current density between 77 K and 300 K

图4 当偏置电压为0 V 时，器件从77 K 到300 K 下的响应率和探测率D*Fig.4 The responsivity and the detectivity D⋆ of the device from 77 K to 300 K when the bias voltage is 0 V

2.2 响应率与探测率光谱

实验中采用Bruker Vertex 70 傅里叶红外光谱仪测试带间级联探测器的光谱，通过将黑体温度设置在800 K 校准得到光响应谱。图4 是77～300 K 温度范围内零偏压时的响应率和探测率谱。ICIP 的探测率D*可以通过以下公式来计算［29］

式中，RP是响应率，Kb是玻尔兹曼常数，T是温度，RdA是动态电阻与面积的乘积，R0A是零偏时的动态电阻与面积乘积，结果在图4（b）中呈现。在77 K 时，50%截止波长为4.02 μm，器件的探测波长非常接近我们的设计，峰值响应波长为3.79 μm，对应的峰值响应率为0.52 A/W，探测率D*为1.26×1012cm·Hz1/2/W。在300 K 时，器件的50%截止波长红移到了4.88 μm，峰值响应波长红移到了4.47 μm，对应的峰值响应率为0.20 A/W，探测率D*为1.28×109cm·Hz1/2/W。

3 负微分电阻效应分析

2.1 节中提到，77 K 到220 K 温度范围内的暗电流中可以观察到负微分电阻效应（NDR）。在77 K 时，当偏置电压约为1.12～1.13 V 时，表现出NDR 效应；在100 K 时，出现NDR 效应的偏置电压转移到了1.05～1.08 V；到200 K 时，NDR 效应的电压范围变为0.72～0.75 V；而当温度升到220 K 时，峰值暗电流与谷值暗电流重合在0.66 V 处。很明显，出现NDR 效应的偏压随温度变化而变化，即器件中存在共振隧穿现象且隧穿条件随温度的变化而变化。

图5 呈现了NDR 效应的峰值暗电流（IP）、谷值暗电流（IV）和峰谷电流比（Peak-to-Valley Current Ratio，PVCR）随温度的变化曲线，PVCR 是共振隧穿条件满足程度的指标。在77 K 时，IP约为7.44×10-4A，IV为4.16×10-4A，PVCR 计算得1.79。在160 K 时，IP约为7.45×10-4A，IV是5.69×10-4A，PVCR 变成1.31。在220 K 时，IP几乎等于IV，约为8.23×10-4A，此时PVCR 变为1，观察不到NDR 效应。从图5 中可以看出，随着温度的升高，IP基本不变，IV变大，PVCR 值降低。暗电流可以表示为

图5 77 K 到220 K 下的峰值暗电流（IP）、谷值暗电流（IV）以及峰谷电流比（PVCR）Fig.5 The peak dark current（IP），the valley dark current（IV），and the peak-to-valley current ratio（PVCR）from 77 K to 220 K

式中，e为电子电荷，v(V)为平均电子漂移速度，A为探测器面积，n(V)为产生暗电流的电子浓度。n(V)可以表示为［30］

式中，N(E)为态密度，f(E)为Fermi-Dirac 分布函数，E为能量态，T(E，V)为隧穿概率。在本实验中，器件的隧穿机制共有两种。一种是共振隧穿机制，另一种是通过电子势垒区的隧穿机制。波谷处的暗电流IV主要是通过带间级联结构中势垒的隧穿暗电流。当温度升高时，N(E)和f(E)的乘积增大，而隧穿概率T(E，V)与能态成指数正比关系，即T(E，V)随温度升高指数升高，所以n(V)急速升高，因此谷点处的暗电流会随着温度的升高而增加。而在NDR 峰值处的暗电流包含了两种机制的暗电流，由两种隧穿机制共同决定了暗电流的变化。根据负微分电阻效应的原理，此处共振隧穿电流达到最大，继续升高偏压则不再满足共振隧穿条件，暗电流随之减小。为了简化模型，通常将共振隧穿电流的隧穿概率T(E，V)视为一个常数。温度升高时，满足共振隧穿条件时的N(E)和f(E)的乘积减小，n(V)减小，导致共振隧穿暗电流的减小。在暗电流的结果中可以观察到IP基本不随温度变化，这可能是因为随着温度的升高共振隧穿暗电流的减小量与通过势垒的暗电流的增大量基本相等。相应地，在较高的温度下，基本不变的IP和升高的IV导致了PVCR 的减小，最终使PVCR 减小到1，不再观察到负微分电阻效应。

4 结论

本文设计并制备了一种采用T2SL 材料的带间级联结构的中波红外光电探测器。在77 K 时，50%截止波长是4.02 μm，0 V 峰值探测率为1.26×1012cm·Hz1/2/W。在300 K 时，峰值探测率达到1.28×109cm·Hz1/2/W，50%截止波长是4.88 μm，与其他采用带间级联结构制备的更短波长的探测器达到相同探测率水平。在180～300 K 的温度范围内，器件的暗电流主要由扩散电流而不是产生复合电流主导。在77～220 K 温度范围内的暗电流曲线中也观察到负微分电阻（NDR）效应。结果表明，具有带间级联结构的T2SL 探测器可以进行高温工作，特别是在中波长范围内。