新型材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是提高紅外探測(cè)器性能的有效途徑。銻基Ⅱ類超晶格InAs/InAsSb作為紅外光敏材料時(shí)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，且具有低暗電流、高溫工作特性以及優(yōu)越的光電轉(zhuǎn)化效率，是研制高溫工作紅外探測(cè)器的理想材料。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，陜西理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院葉偉副教授課題組在《激光與光電子學(xué)進(jìn)展》期刊上發(fā)表了以“銻基Ⅱ類超晶格InAs/InAsSb紅外探測(cè)器的研究進(jìn)展”為主題的綜述文章。葉偉副教授主要從事新能源材料與器件的研究工作，研究方向?yàn)楣δ懿牧吓c器件（光、電子器件）、儲(chǔ)能材料與器件（電池、電容器）、傳感器、固體潤(rùn)滑、材料表面改性、真空設(shè)備等。

這項(xiàng)研究綜述了基于銻化物Ⅱ類超晶格InAs/InAsSb的研究進(jìn)展，介紹了現(xiàn)階段應(yīng)用在典型單極勢(shì)壘結(jié)構(gòu)中的兩種紅外探測(cè)器性能，并對(duì)銻化物Ⅱ類超晶格InAs/InAsSb探測(cè)器的發(fā)展進(jìn)行展望。

銻化物InAs/InAsSbⅡ型超晶格（T2SL）的研究進(jìn)展

在半導(dǎo)體超晶格材料體系中，基于Ⅲ-V族半導(dǎo)體的超晶格材料是人們的研究熱點(diǎn)，其帶隙在0.1~1.7eV之間，可作為紅外波段光電子器件的材料，也可應(yīng)用在工業(yè)檢測(cè)、監(jiān)控、測(cè)溫、醫(yī)學(xué)以及光電搜索、偵探、氣象衛(wèi)星和氣候監(jiān)測(cè)等方面。

InAsSb、InAlSb制備探測(cè)器的工藝相對(duì)簡(jiǎn)單、成本較低，是高溫工作紅外探測(cè)器領(lǐng)域的重要材料。InAsSb材料具有Ⅲ-V族半導(dǎo)體中最小的帶隙，但I(xiàn)nAs1?xSbx材料的能量并沒(méi)有完全控制在中等成分范圍內(nèi)，因此，InAsSb在較低溫度（77K）和8~14μm波長(zhǎng)范圍內(nèi)工作時(shí)沒(méi)有足夠小的帶隙。為了解決上述問(wèn)題，人們?cè)O(shè)計(jì)出一種新的Ⅲ-V族InAs/InAsSb T2SL結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)由若干交錯(cuò)的薄晶體層組成，通過(guò)Ⅱ類能帶排列，T2SL的有效能帶比單個(gè)材料組成的結(jié)構(gòu)更窄，可以保持晶格匹配或應(yīng)變平衡條件，從而實(shí)現(xiàn)窄帶隙目的。在中波紅外（MWIR）和長(zhǎng)波紅外（LWIR）探測(cè)器中用InAs/InAsSb T2SL作為吸收層時(shí)，可使探測(cè)器表現(xiàn)出優(yōu)異的工作性能。

圖1 InAs和InAsSb的能帶對(duì)齊示意圖：（a）低Sb組分和有序排列的InAs1?xSbx超晶格結(jié)構(gòu)；（b）生長(zhǎng)在InAs襯底上的InAs/InAs0. 93Sb0.07結(jié)構(gòu)；（c）兩個(gè)躍遷的質(zhì)量降低結(jié)果。

將Ga原子引入InAs層中，可改善材料的吸收效率和光學(xué)性能，形成InGaAs/InAsSb T2SL結(jié)構(gòu)。InGaAs/InAsSb T2SL是一種新型本征吸收窄禁帶半導(dǎo)體材料，生長(zhǎng)在晶格匹配的InP或GaSb襯底上，具有靈活的設(shè)計(jì)空間，可實(shí)現(xiàn)整個(gè)紅外波段內(nèi)響應(yīng)光譜的調(diào)節(jié)。此外，研究人員還提出一類新的銻化物，即Ⅱ類四元合金超晶格結(jié)構(gòu)材料，進(jìn)一步完善了超晶格材料體系。

銻化物InAs/InAsSbT2SL應(yīng)用的典型勢(shì)壘結(jié)構(gòu)

InAs/InAsSbT2SL紅外探測(cè)器的結(jié)構(gòu)主要有PIN光電二極管和勢(shì)壘結(jié)構(gòu)光電探測(cè)器。PIN光電二極管主要由P型、無(wú)意摻雜I層和N型半導(dǎo)體材料組成。勢(shì)壘光電探測(cè)器包括NBN結(jié)構(gòu)、PBN結(jié)構(gòu)、p-π-M-n結(jié)構(gòu)、pMp結(jié)構(gòu)等。為了減小器件的暗電流，人們提出了不同類型勢(shì)壘結(jié)構(gòu)的探測(cè)器。對(duì)于Ⅲ-V族半導(dǎo)體化合物，可根據(jù)實(shí)際目的設(shè)計(jì)出符合需要的材料結(jié)構(gòu)，以抑制擴(kuò)散、帶間隧穿和復(fù)合電流的產(chǎn)生。

圖2 器件的結(jié)構(gòu)示意圖：（a）NBN結(jié)構(gòu)探測(cè)器；（b）理想NBN結(jié)構(gòu)在反偏壓下的能帶圖。

圖3 器件結(jié)構(gòu)示意圖：（a）P+-N-N+結(jié)構(gòu)探測(cè)器；（b）PBN結(jié)構(gòu)探測(cè)器；（c）雙勢(shì)壘PBN結(jié)構(gòu)探測(cè)器。

圖4 器件的能帶結(jié)構(gòu)示意圖：（a）PBP結(jié)構(gòu)；（b）CBIRD結(jié)構(gòu)。

銻化物InAs/InAsSb T2SL作為紅外探測(cè)器高溫工作下的理想材料，在不同應(yīng)用領(lǐng)域中將會(huì)有許多關(guān)鍵的挑戰(zhàn)。近年來(lái)，人們對(duì)Ⅲ-V族材料外延生長(zhǎng)理論和工藝的研究使T2SL技術(shù)有了顯著的進(jìn)展。此外，InAs/InAsSb超晶格的提出，避免了引入Ga后在禁帶中產(chǎn)生復(fù)合中心，有效提高了少數(shù)載流子壽命，且隨著Ⅱ超晶格技術(shù)及理論的不斷完善，銻化物超晶格紅外波焦平面技術(shù)在可操作性、均勻性、穩(wěn)定性以及可擴(kuò)展性上的優(yōu)勢(shì)將更明顯。基于銻化物Ⅱ類超晶格InAs/InAsSb的雪崩探測(cè)器（APD）目前尚處于探索階段，但具有一定的發(fā)展?jié)摿Γ撗芯繉?duì)基于銻化物第三代向第四代紅外探測(cè)器的發(fā)展具有重要研究意義和實(shí)用價(jià)值。

該項(xiàng)目獲得了陜西省教育廳專項(xiàng)科學(xué)研究計(jì)劃（No.17JK0144, No.18JK0151）和陜西理工大學(xué)人才啟動(dòng)項(xiàng)目（No.SLGQD2017-19）的支持。

審核編輯 ：李倩