黃建亮 張艷華 曹玉蓮 黃文軍 趙成城 衛(wèi)煬 崔凱 郭曉璐 李瓊 劉珂 馬文全

摘要： ? ? ? ?本文主要展示了近幾年來(lái)該課題小組在InAs/GaSb二類(lèi)超晶格紅外探測(cè)器領(lǐng)域取得的一些研究成果， 如在短波波段（1～3 μm）、 中波波段（3～5 μm）、 長(zhǎng)波波段（8～12 μm）、 甚長(zhǎng)波波段（>14 μm）等單色器件的成果， 以及雙色I(xiàn)nAs/GaSb二類(lèi)超晶格紅外探測(cè)器方面的成果， 如短/中波雙色、 短波/甚長(zhǎng)波雙色， 長(zhǎng)波/甚長(zhǎng)波雙色紅外探測(cè)器等單管器件。 除此之外， 還展示了384×288中波波段InAs/GaSb二類(lèi)超晶格紅外焦平面探測(cè)器組件。

關(guān)鍵詞： ? ? ? 銻化物二類(lèi)超晶格; InAs/GaSb; 焦平面陣列; 紅外探測(cè)器

中圖分類(lèi)號(hào)： ? ? ?TN215文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： ? ? ?A文章編號(hào)： ? ? ? 1673-5048（2019）02-0050-07

0引言

超晶格的概念是在1977年由Esaki L 和Tsu R提出的[1]， 其是由兩種或者兩種以上的半導(dǎo)體材料周期性結(jié)構(gòu)組成的， 與量子阱類(lèi)似， 只是每個(gè)周期各層材料的厚度都很小， 都可以和電子的德布羅意波長(zhǎng)相比較， 電子和空穴被束縛在勢(shì)阱中， 相鄰勢(shì)阱的電子和空穴可以各自相互耦合。 在InAs/GaSb異質(zhì)新型材料體系中， 由于InAs的導(dǎo)帶底比GaSb材料的價(jià)帶頂還要低0.15～0.2 eV[2]， 從而使得InAs/ GaSb材料構(gòu)成了具有“破帶隙”（broken bandgap）不對(duì)稱型二類(lèi)超晶格。

自從1987年Smith和Mailhiot 提出可以利用InAs/GaSb二類(lèi)超晶格的獨(dú)特物理性質(zhì)實(shí)現(xiàn)高性能的紅外探測(cè)器[3]以來(lái)， 經(jīng)過(guò)30多年的發(fā)展， 利用InAs/GaSb 二類(lèi)超晶格材料實(shí)現(xiàn)的大面積雙色高性能紅外探測(cè)器已經(jīng)問(wèn)世， 已經(jīng)成為碲鎘汞紅外探測(cè)的一個(gè)重要補(bǔ)充。 這是因?yàn)榕c目前主要制冷型紅外探測(cè)器（包括碲鎘汞紅外探測(cè)器（MCT）， 量子阱， 量子點(diǎn)紅外探測(cè)器）相比， InAs/GaSb 二類(lèi)超晶格探測(cè)器具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1） 通過(guò)調(diào)節(jié)應(yīng)變及能帶結(jié)構(gòu)， 使輕重空穴能級(jí)分離， 從而降低俄歇復(fù)合及暗電流， 提高了載流子的壽命， 提高了紅外探測(cè)器的工作溫度;

（2） InAs/GaSb的“破帶隙”不對(duì)稱型二類(lèi)能帶結(jié)構(gòu)， 使得電子和空穴在空間分離， 即電子主要被束縛在InAs層里， 電子形成微帶， 空穴被限制束縛在GaSb層， 從而大大減小電子與空穴之間的相互作用， 大大提高電子的有效質(zhì)量， 最后使得隧穿的暗電流減少;

（3） 對(duì)碲鎘汞紅外探測(cè)器（MCT）而言， MCT需要精確地控制Hg與Cd的摩爾比來(lái)控制探測(cè)器

Huang Jianliang， ?Zhang Yanhua， ?Cao Yulian， et al. Antimonide Type Ⅱ Superlattice Infrared Photodetectors[ J]. Aero Weaponry， 2019， 26（ 2）： 50-56.（ in Chinese）的響應(yīng)波長(zhǎng)， 而InAs/GaSb二類(lèi)超晶格紅外探測(cè)器則可以通過(guò)改變超晶格的周期厚度， 并且可在1～30 ?μm范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)其響應(yīng)截止波長(zhǎng)。 現(xiàn)代的分子束外延（MBE）材料生長(zhǎng)技術(shù)可以在單原子層的精度控制材料生長(zhǎng)， 因此響應(yīng)波長(zhǎng)由周期厚度決定這一特性使得InAs/GaSb二類(lèi)超晶格探測(cè)器在實(shí)現(xiàn)紅外焦平面均勻性方面獨(dú)具有優(yōu)勢(shì);

（4） 相比于量子阱紅外探測(cè)器來(lái)說(shuō)， InAs/GaSb二類(lèi)超晶格紅外探測(cè)器基于帶間躍遷， 具有高的量子效率， 能夠吸收垂直入射的紅外光， 不需要制作工藝復(fù)雜的光柵。

基于以上無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)， InAs/GaSb二類(lèi)超晶格探測(cè)器已經(jīng)成為紅外探測(cè)方面最為活躍的領(lǐng)域， 是第三代紅外焦平面探測(cè)器的理想代表之一。 國(guó)外許多科研單位都轉(zhuǎn)向了InAs/GaSb 二類(lèi)超晶格紅外探測(cè)器的研發(fā)工作， 并在近幾年取得了很大的進(jìn)展。 本文重點(diǎn)介紹了課題小組最近幾年在InAs/GaSb二類(lèi)超晶格紅外探測(cè)器領(lǐng)域取得的成果， 分別包括短波（1～3 μm）、 中波（3～5 μm）、 長(zhǎng)波（8～12 μm）、 甚長(zhǎng)波（>14 μm）等單色單元紅外探測(cè)器器件， 中波紅外焦平面陣列， 以及電壓調(diào)制的短波/甚長(zhǎng)波雙色、 短波/中波雙色和長(zhǎng)波/甚長(zhǎng)波雙色紅外探測(cè)器等雙色單元器件等方面。

1實(shí)驗(yàn)

本文涉及到的InAs/GaSb二類(lèi)超晶格紅外探測(cè)器器件材料都是在非有意摻雜的GaSb（001）襯底上進(jìn)行生長(zhǎng)的。 使用的生長(zhǎng)設(shè)備為固態(tài)源Vecco Gen Ⅱ分子束外延設(shè)備（Molecular Beam Epitaxy）， 具備裂解的As2和Sb2源， 同時(shí)安裝有In， Ga， Al以及摻雜Si， Be源。 樣品完成生長(zhǎng)之后， 經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)體器件工藝如光刻、 腐蝕等過(guò)程制作成臺(tái)面的單管器件結(jié)構(gòu)， 其單管器件的臺(tái)面為圓形， 半徑為170 μm。

2結(jié)果及分析

2.1材料表征

完成材料生長(zhǎng)之后， 對(duì)材料樣品GaSb（004）方向進(jìn)行X射線雙晶衍射（XRD）ω-2θ掃描測(cè)試。 圖1展示了短波、 中波、 長(zhǎng)波以及甚長(zhǎng)波InAs/GaSb二類(lèi)超晶格紅外探測(cè)器器件的XRD曲線， 其中SW， MW， LW和VLW分別為短波、 中波、 長(zhǎng)波和甚長(zhǎng)波對(duì)應(yīng)的器件， 對(duì)應(yīng)的超晶格周期結(jié)構(gòu)為InAs（8 ）/ GaSb（9 ）/AlSb（4 ）/GaSb（9 ）， InAs（21 ）/ GaSb（21 ）， InAs（39 ）/ GaSb（26 ）和InAs（45 ）/ GaSb（31 ）。 從XRD圖可以清晰看到超晶格的各級(jí)衛(wèi)星峰， 其中長(zhǎng)波和甚長(zhǎng)波器件結(jié)構(gòu)具備兩套周期衛(wèi)星峰， 主要是由于對(duì)應(yīng)的歐姆接觸層采用了InAs（24 ）/ GaSb（24 ）的結(jié)構(gòu)。 短波、 中波、 長(zhǎng)波和甚長(zhǎng)波器件對(duì)應(yīng)-1級(jí)衛(wèi)星峰的半高寬分別為25″， 19″， 17″和21″， 表明器件材料具有非常好的晶格質(zhì)量， 對(duì)應(yīng)的周期厚度分別為30 ， 41.6 ， 65.1 和78.5 ， 與設(shè)計(jì)的周期厚度吻合較好。

航空兵器2019年第26卷第2期黃建亮， 等： ? 銻化物二類(lèi)超晶格紅外探測(cè)器圖1短波、 中波、 長(zhǎng)波和甚長(zhǎng)波器件的X射線衍射譜

2.2單色探測(cè)器

2.2.1短波波段

為了實(shí)現(xiàn)短波段2.7 μm探測(cè)， 本征吸收區(qū)采用InAs（8 ）/ GaSb（21 ）超晶格結(jié)構(gòu)， 其光電譜如圖2所示。 圖2（a）～（b）分別給出了77 K和300 K溫度下單管器件的光電流譜， 在77 K溫度下， 對(duì)應(yīng)的50%截止波長(zhǎng)為2.56 μm， 80%截止波長(zhǎng)為2.7 μm; 當(dāng)溫度升高至室溫， 對(duì)應(yīng)的50%截止波長(zhǎng)紅移至3.0 μm。 圖2（a）中的插圖為77 K溫度下器件的無(wú)任何鈍化工藝下的暗電流曲線[4]。

為了實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)接近水汽吸收的短波段2.0 μm探測(cè)， 基于上述的2.7 μm探測(cè)器結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)， 在GaSb層中插入AlSb， 即吸收區(qū)的超晶格結(jié)構(gòu)為InAs（8 ）/ GaSb（9 ）/AlSb（4 ）/GaSb（9 ）， 其器件的XRD結(jié)果如圖1中的SW曲線。 圖3（a）～（c）分別給出了器件在77 K和300 K下的量子效率譜和探測(cè)率譜。 在77 K溫度下， 峰值波長(zhǎng)為1.84 μm， 對(duì)應(yīng)的峰值量子效率和響應(yīng)率為42%和0.63 A/W， 探測(cè)率可達(dá)1.1×10 13 cm·Hz1/2/W。 在室溫下， 器件仍然可以正常工作， 峰值波長(zhǎng)紅移至2.01 μm， 對(duì)應(yīng)的峰值量子效率和響應(yīng)率為28%和0.42 A/W， 探測(cè)率可達(dá)3.8×1010 cm·Hz1/2/W [5]。

為了進(jìn)一步將探測(cè)波長(zhǎng)擴(kuò)展至1.0 μm附近， 在上述的2.0 μm探測(cè)器結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)之上， 再次增加在GaSb層中插入AlSb量， 即吸收區(qū)的超晶格結(jié)構(gòu)為InAs（8 ）/AlSb（6 ）/ GaAs0.33Sb0.67（9 ）/AlSb（6 ）。 圖4（a）和（b）分別給出了器件在77 K和300 K下的暗電流密度譜和探測(cè)率譜。 在77 K和300 K溫度下， 由于高勢(shì)壘AlSb材料的阻擋作用， 在-0.03 V偏壓下， 其暗電流密度分別僅為2.9×10-9A/cm2和5.6×10-5A/cm2。 在77 K溫度下， 峰值波長(zhǎng)為1.08 μm， 對(duì)應(yīng)的峰值量子效率和響應(yīng)率為23%和0.21 A/W， 探測(cè)率可達(dá)1.1×1013 cm·Hz1/2/W。 在室溫下， 器件仍然可以正常圖4短波1.0 μm器件的暗電流密度和探測(cè)率譜

2.2.2中波波段

中波紅外波段為大氣的一個(gè)重要窗口， 具有較廣泛的應(yīng)用如大氣監(jiān)測(cè)、 氣體探測(cè)， 及紅外對(duì)抗等。 為了實(shí)現(xiàn)中波紅外波段探測(cè)， 其超晶格結(jié)構(gòu)為InAs （21 ） / GaSb（21 ）， 整體的器件結(jié)構(gòu)為p-i-n型[7]， 對(duì)應(yīng)的X射線雙晶衍射譜如圖1中的MW曲線所示。 圖5（a）～（b）分別展示了中波器件在77 K和300 K溫度下的光電流譜， 對(duì)應(yīng)的50%截止波長(zhǎng)分別為4.8 μm和6.0 μm。

圖6給出了該器件的暗電流， 其中圖6（a）～（b）分別給出了77 K和300 K下， 器件鈍化和未鈍化工藝的暗電流， 圖6（c）為77 K溫度下對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)電阻圖。 從圖中可以看出， 在低溫下采用SiNxOy鈍化對(duì)暗電流具有一定的抑制作用。 ?未采用任何鈍化處理的R0A為1.6×102 Ω·cm2， 而采用鈍化工藝的R0A為2.1×103 Ω·cm2， 約提高了13倍。 圖6（c）插圖為該器件的黑體探測(cè)率， 在圖6中波器件的暗電流和動(dòng)態(tài)電阻

-0.03 V下， 其黑體探測(cè)率為2.4×1011 cm·Hz1/2/W， 零偏壓下的黑體探測(cè)率為4.4×1010 cm·Hz1/2/W， 對(duì)應(yīng)的量子效率為35%。

2.2.3長(zhǎng)波波段

長(zhǎng)波紅外波段， 即8～12 μm的紅外大氣窗口， 由于室溫300 K下， 依據(jù)黑體輻射公式可知， 其輻射的峰值波長(zhǎng)約為9.8 μm， 即處于長(zhǎng)波波段， 從而促使該波段具備非常重要的應(yīng)用， 尤其是探測(cè)和追蹤室溫附近的目標(biāo)。 通過(guò)對(duì)目標(biāo)探測(cè)波長(zhǎng)設(shè)計(jì)和模擬， 采用的超晶格結(jié)構(gòu)為InAs（39 ）/GaSb（26 ）， p和n型歐姆接觸層采用InAs（24 ）/GaSb（24 ）超晶格結(jié)構(gòu)， 最后為一個(gè)p-i-n型器件結(jié)構(gòu)， 其X射線雙晶衍射譜如圖1長(zhǎng)波所示。 圖7（a）～（b）分別給出了在77K溫度下器件的光響應(yīng)譜和動(dòng)態(tài)電阻， 其中樣品A和B分別為采用了兩種不同界面的長(zhǎng)波器件， 樣品A采用了雙InSb界面， 即GaSb/InAs和InAs/GaSb界面都采用了InSb界面; 而樣品B采用了混合界面即一個(gè)為GaAs界面， 另一個(gè)為InSb界面[8]。 從圖中可以看到， 樣品A和B的50%截止波長(zhǎng)分別為9.6 μm和10.0 μm， 峰值響應(yīng)分別為3.2 A/W和2.2 A/W， 相應(yīng)的峰值量子效率為51.6%和35%， 對(duì)應(yīng)50%截止波長(zhǎng)處的響應(yīng)分別為1.6和1.1 A/W。 圖7（b）插圖為該器件的暗電流， 從圖7（b）中可以得到， 零偏壓下樣品A和B的動(dòng)態(tài)電阻與面積的乘積分別為1.56 Ω·cm2和1.43 Ω·cm2。 基于量子效率和動(dòng)態(tài)電阻， 在77 K溫度下， 樣品A的峰值探測(cè)率為8.6×1010 cm·Hz1/2/W， 樣品B的峰值探測(cè)率為3.6×1010 cm·Hz1/2/W。 最后從器件的性能來(lái)看， 可以發(fā)現(xiàn)采用雙InSb界面的器件性能優(yōu)于混合界面的器件， 主要是由于GaAs可能在材料中形成反位缺陷， 導(dǎo)致器件性能變差。

2.2.4甚長(zhǎng)波波段

為了實(shí)現(xiàn)甚長(zhǎng)波紅外探測(cè)（波長(zhǎng)大于14 μm）， 器件的本征吸收區(qū)采用InAs（45 ）/GaSb（30 ）的超晶格結(jié)構(gòu)， 器件為p-i-n型， p和n歐姆接觸層采用InAs（24 ）/GaSb（24 ）的超晶格結(jié)構(gòu)[9]， 其X射線雙晶衍射圖譜如圖1中VLW曲線所示。 在77 K溫度下， 其對(duì)應(yīng)的量子效率和光電流譜如圖8所示， 從圖中可以知道對(duì)應(yīng)50%截止波長(zhǎng)為14.5 μm， 相應(yīng)的量子效率約為14%; 峰值波長(zhǎng)為7.7 μm， 相應(yīng)的量子效率約為50%。

為了實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的甚長(zhǎng)波探測(cè)， 二類(lèi)超晶格中的InAs由45 增加至54 ， 對(duì)應(yīng)的GaSb層轉(zhuǎn)變成在GaSb層中插入InGaSb， 降低能帶和彌補(bǔ)54 厚的InAs帶來(lái)的應(yīng)變。 該器件為p-i-n型， p和n區(qū)采用了與器件本征吸收區(qū)完全一致的超晶格結(jié)構(gòu)， 其器件的光響應(yīng)譜如圖9所示， 在10 K溫度下， 其50%截止波長(zhǎng)為23.5 μm， 100%截止波長(zhǎng)約為26.5 μm， 接近太赫茲波段。

3雙色器件

3.1短/甚長(zhǎng)波雙色

基于InAs/GaSb二類(lèi)超晶格材料， 通過(guò)在甚長(zhǎng)波p-i-n器件中的p和n區(qū)采用寬禁帶的中波InAs/GaSb二類(lèi)超晶格材料， 即InAs（21 ）/GaSb（21 ）， 研制了電壓調(diào)制的短波-甚長(zhǎng)波雙色紅外探測(cè)器[10]。 經(jīng)過(guò)8帶KP模型計(jì)算出要實(shí)現(xiàn)較長(zhǎng)的甚長(zhǎng)波如18 μm， 器件本征吸收區(qū)需要18個(gè)原子層厚的InAs，以調(diào)節(jié)波長(zhǎng)， 具體需要18 ML InAs/13 ML GaSb超晶格結(jié)構(gòu)， 也就是說(shuō)需要大概1.8個(gè)原子層的InSb以彌補(bǔ)InAs引入的應(yīng)變， 故我們采用了在GaSb中插入InGaSb的方法實(shí)現(xiàn)應(yīng)變平衡， 即InAs （18 ML）/In0.4Ga0.6Sb （1 ML）/ 4×（（GaSb （2 ML）/ In0.4Ga0.6Sb （1 ML））超晶格結(jié)構(gòu)。 引入In0.4Ga0.6Sb的原因： ?（1） ?In0.4Ga0.6Sb與GaSb襯底的應(yīng)變相對(duì)InSb材料而言較小， 臨界厚度增加， 不易形成三維島狀生長(zhǎng); （2） In0.4Ga0.6Sb材料的禁帶寬度相比于GaSb材料的禁帶寬度較小， 更易于實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的波長(zhǎng)探測(cè)。 圖10給出了該器件的光電流譜， 其中圖10（a）～（c）分別為樣品器件在0 V、 -0.05 V和-0.1 V偏壓下的光電流譜， 圖10（d）為參考器件樣品B的光電流譜， 即p和n歐姆接觸層都采用了與本征吸收區(qū)相同的超晶格結(jié)構(gòu)。 在溫度為10 K下， 外加較小的負(fù)偏壓及0 V時(shí)， 其展示了短波探測(cè)特性， 對(duì)應(yīng)50%截止波長(zhǎng)為2.67 μm; 隨著偏壓增加， 短波波段光電流響應(yīng)逐漸下降， 甚長(zhǎng)波波段光電流逐漸增強(qiáng)， 當(dāng)負(fù)偏壓增加至-0.1 V或者更大偏壓時(shí)， 其展示了甚長(zhǎng)波探測(cè)特性， 對(duì)應(yīng)的50%截止波長(zhǎng)為17.8 μm。 而樣品B無(wú)論在小偏壓下還是較大偏壓下， 其光譜一直為寬光譜特性， 對(duì)應(yīng)的50%截止波長(zhǎng)為17.8 μm。 電壓調(diào)制特性主要是由于p和n區(qū)采用了較寬的InAs/GaSb二類(lèi)超晶格材料， 在p-i和i-n界面處形成類(lèi)似于三角勢(shì)壘， 其光生電子空穴逃逸幾率隨著偏壓的變化而變化。

3.2長(zhǎng)/甚長(zhǎng)波雙色

通過(guò)采用n-i-p-i-n背靠背式結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了窄帶長(zhǎng)波、 甚長(zhǎng)波雙色紅外探測(cè)器， 其器件詳細(xì)結(jié)構(gòu)如文獻(xiàn)[11]所描述， 首先在非有意摻雜的GaSb（001）襯底上生長(zhǎng)一層GaSb緩沖層， 然后依次生長(zhǎng)n型的InAs（24 ）/GaSb（24 ）超晶格層（InAs層中使用Si摻雜）， 甚長(zhǎng)波本征吸收區(qū)InAs（48 ）/GaSb（31 ）超晶格層， 以及中間p型的InAs（45 ）/GaSb（30 ）超晶格層（GaSb層中使用Be摻雜）、 長(zhǎng)波本征吸收區(qū)InAs（39 ）/GaSb（26 ）超晶格層以及上層的n型InAs（24 ）/GaSb（24 ）超晶格層（InAs層中使用Si摻雜）， 最后表層生長(zhǎng)200 InAs層， 使用Si摻雜。 通過(guò)對(duì)每層進(jìn)行不同波段的吸收， 實(shí)現(xiàn)了窄帶雙色的特性， 其響應(yīng)譜和量子效率譜如圖11（a）～（b）所示。 從圖中可以看出， 在加偏壓情況下（下端n型加正偏壓是為正）， 甚長(zhǎng)波波段的p-i-n器件處于工作狀態(tài)， 50%截止波長(zhǎng)為16.0 μm， 峰值波長(zhǎng)處于13 μm， 對(duì)應(yīng)的量子效率和響應(yīng)率分別為5.9%和0.61 A/W， 光譜的δλ/λ為44%。 當(dāng)外加偏壓為-0.1 V時(shí)， 長(zhǎng)波p-i-n器件處于工作狀態(tài)， 50%截止波長(zhǎng)為10.0 μm， 峰值波長(zhǎng)處于8.0 μm， 對(duì)應(yīng)的量子效率和響應(yīng)率為50%和3.2 A/W， 光譜的δλ/λ為44%。 同時(shí)研究發(fā)現(xiàn)， 兩個(gè)波段相互之間的光學(xué)串音控制在10%左右。

3.3中/短波雙色

為了實(shí)現(xiàn)中/短波雙色紅外探測(cè)， 本文中采用了nBn的結(jié)構(gòu)， 其中短波波段本征吸收區(qū)采用InAs（12 ）/GaSb（21 ）超晶格結(jié)構(gòu)， 中波波段本征吸收區(qū)采用InAs（21 ）/GaSb（21 ）超晶格結(jié)構(gòu)， 勢(shì)壘B層采用Al0.2Ga0.8Sb結(jié)構(gòu)， 兩端n層采用與短波吸收區(qū)相同的超晶格結(jié)構(gòu)， 其詳細(xì)器件結(jié)構(gòu)如文獻(xiàn)[12]描述。 圖12（a）～（b）分別給出了器件在90 K和300 K溫度下的光電流譜， 從圖中可以看出， 通過(guò)改變器件的偏置電壓， 可以實(shí)現(xiàn)電壓極性調(diào)制短中波雙色。 在90 K溫度下， 對(duì)應(yīng)短波波段的50%截止波長(zhǎng)為3.05 μm， 對(duì)應(yīng)的中波波段響應(yīng)的50%截止波長(zhǎng)為3.96 μm。 當(dāng)溫度升高至室溫時(shí)， 對(duì)應(yīng)的短波波段的響應(yīng)50%截止波長(zhǎng)紅移至3.62 μm， 中波波段的響應(yīng)50%截止波長(zhǎng)紅移至4.91 μm。

圖13給出了器件在90 K和300 K溫度下的量子效率， 響應(yīng)率和探測(cè)率。 在90 K溫度下， 偏壓為 -0.1 V時(shí)， 短波波段的峰值量子效率為53%， 對(duì)應(yīng)的響應(yīng)率為1.09 A/W; 偏壓為0.1 V時(shí)， 中波波段的峰值量子效率為31%， 對(duì)應(yīng)的響應(yīng)度為0.91 A/W。 在0 V偏壓下， 短波波段的峰值探測(cè)率為3.74×1011 cm·Hz1/2/W， 0.05 V偏壓下， 中波波段的峰值探測(cè)率可達(dá)2.2×1011 cm·Hz1/2/W。 溫度為300 K下， 偏壓為0 V時(shí)， 短波波段的峰值量子效率為114%， 超過(guò)了100%， 主要是由于光圖13短、 中波雙色器件的器件性能

導(dǎo)型的光學(xué)增益[12]， 對(duì)應(yīng)的響應(yīng)率為3.07 A/W， 對(duì)應(yīng)的峰值探測(cè)率為5.12×1010 cm·Hz1/2/W; 偏壓為0.1 V時(shí)， 中波波段的峰值量子效率為17%， 對(duì)應(yīng)的響應(yīng)度為0.62 A/W， 峰值量子效率為3.94×1010 cm·Hz1/2/W。

3.4焦平面陣列

基于以上的中波波段二類(lèi)超晶格紅外探測(cè)器材料和單元器件的測(cè)試結(jié)果， 完成了384×288紅外焦平面陣列[13]， 單元面積為25×25 μm2。 在77 K溫度下， 其光電流譜如圖14所示， 50%截止波長(zhǎng)為4.1 μm， 當(dāng)溫度從77 K改變至100 K時(shí)， 其紅外探測(cè)器組件噪聲等效溫度差僅為18 mK， 并且可以實(shí)現(xiàn)了清晰的室內(nèi)和室外成像， 如圖15所示。

4結(jié)論

本文介紹了本課題小組通過(guò)MBE設(shè)備生長(zhǎng)了高質(zhì)量的銻化物InAs/GaSb二類(lèi)超晶格紅外探測(cè)器材料， 同時(shí)實(shí)現(xiàn)了短波、 中波、 長(zhǎng)波和甚長(zhǎng)波單色紅外探測(cè)， 其中短波波段包括50%截止波長(zhǎng)為1.1， 1.9和2.7 μm等， 中波3～5 μm， 長(zhǎng)波9.6和10.0 μm以及甚長(zhǎng)波波段（50%截止波長(zhǎng)為14.5 μm以及23.5 μm）等， 器件具有較好的性能。 同時(shí)完成了384×288中波紅外焦平面陣列探測(cè)器組件， 在77～100 K溫度下， 其噪聲等效溫差為18 mK， 實(shí)現(xiàn)清晰的室內(nèi)外成像。 另外成功制備了高性能的中短雙色紅外探測(cè)器， 窄帶雙色長(zhǎng)/甚長(zhǎng)波雙色紅外探測(cè)器以及單吸收層的短波、 甚長(zhǎng)波雙色紅外探測(cè)器。

參考文獻(xiàn)：

[1] SaiHalasz G A， Tsu R， Esaki L. A New Semiconductor Superlattice[J]. Applied Physics Letters， 1977， 30（12）： 651-653.

[2] Vurgaftman I， Meyer J R， RamMohan L R. Band Parameters for ⅢⅤ Compound Semiconductors and Their Alloys[J]. Journal of Applied Physics， 2001， 89（11）： 5815-5875.

[3] Csuk R， Barthel A， Sczepek R， et al. Proposal for Strained Type Ⅱ Superlattice Infrared Detectors[J]. Journal of Applied Physics， 1987， 62（6）： 2545-2548.

[4] Huang Jianliang， Ma Wenquan， Wei Yang， et al. How to Use Type Ⅱ InAs/GaSb Superlattice Structure to Reach Detection Wavelength of 23 μm[J]. IEEE Journal of Quantum Electronics， 2012， 48（10）： 1322-1326.

[5] Huang Jianliang， Ma Wenquan， Zhang Yanhua， et al. NarrowBand Type Ⅱ Superlattice Photodetector With Detection Wavelength Shorter Than 2 μm[J]. IEEE Photonics Technology Letters， 2015， 27（21）： 2276-2279.

[6] Zhang Yanhua， Ma Wenquan， Huang Jianliang， et al. Pushing Detection Wavelength Toward 1 mu m by Type Ⅱ InAs/GaAsSb Superlattices with AlSb Insertion Layers[J]. IEEE Electron Device Letters， 2016， 37（9）： 1166-1169.

[7] Huang Jianliang， Ma Wenquan， Cao Yulian， et al. Mid Wavelength Type Ⅱ InAs/GaSb Superlattice Photodetector Using SiOxNy Passivation[J]. Japanese Journal of Applied Physics， 2012， 51（7）： ?4002.

[8] Zhang Yanhua， Ma Wenquan， Cao Yulian， et al. Long Wavelength Infrared InAs/GaSb Superlattice Photodetectors with InSbLike and Mixed Interfaces[J]. IEEE Journal of Quantum Electronics， 2011， 47（12）： 1475-1479.

[9] Wei Yang， Ma Wenquan， Zhang Yanhua， et al. High Structural Quality of Type Ⅱ InAs/GaSb Superlattices for Very Long Wavelength Infrared Detection by Interface Control[J]. IEEE Journal of Quantum Electronics， 2012， 48（4）： 512-515.

[10] Huang Jianliang， Ma Wenquan， ?Zhang Yanhua， et al. Impact of Band Structure of Ohmic Contact Layers on the Response Feature of pin Very Long Wavelength Type Ⅱ InAs/GaSb Superlattice Photodetector[J]. Applied Physics Letters， 2015， 106（26）： 211101.

[11] Zhang Yanhua， Ma Wenquan， Wei Yang， et al. NarrowBand Long/VeryLong Wavelength TwoColor TypeⅡ InAs/GaSb Superlattice Photodetector by Changing the Bias Polarity[J]. Applied Physics Letters， 2012， 100（17）： 234.

[12] Huang Jianliang， Ma Wenquan， Zhang Yanhua， et al. TwoColor niBin Type Ⅱ Superlattice Infrared Photodetector with External Quantum Efficiency Larger Than 100%[J]. IEEE Electron Device Letters， 2017， 38（9）： 1266-1269.

[13] Zhou Xuchang， Li Dongsheng， Huang Jianliang， et al. MidWavelength Type Ⅱ InAs/GaSb Superlattice Infrared Focal Plane Arrays[J]. Infrared Physics & Technology， 2016， 78： 263-267.