高工作溫度銻化物紅外探測(cè)器研究進(jìn)展

周 靜,郝瑞亭,潘新昌,張龍剛,郭 猛,宋佩佩

(1.云南師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院,云南 昆明 650500；2.云南師范大學(xué)能源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,云南 昆明650500)

1 引 言

近年來(lái),因紅外探測(cè)技術(shù)發(fā)展迅速,各領(lǐng)域?qū)t外探測(cè)器的需求也變得多種多樣,追求器件高性能的同時(shí)保持高工作溫度一直都是科研人員追求的目標(biāo)。用于紅外探測(cè)的材料主要有InSb、HgCdTe、多量子阱和銻化物II類超晶格,大多數(shù)HgCdTe、InSb紅外探測(cè)器工作溫度都是在77 K。如果提高器件的工作溫度,暗電流會(huì)呈指數(shù)增加,而暗電流的增大將會(huì)導(dǎo)致紅外探測(cè)器的性能嚴(yán)重下降[1]。為了讓器件保持77 K的工作溫度條件下,需要配備大功率制冷機(jī),這樣不僅導(dǎo)致系統(tǒng)體積大、功耗高、壽命受限等問(wèn)題,還會(huì)帶來(lái)諸多的使用不便[2]。已有研究表明,探測(cè)器的工作溫度如果能夠提高20 %～30 %,系統(tǒng)的壽命將會(huì)延長(zhǎng)50 %～150 %。

目前,銻化物因其特殊的材料及器件結(jié)構(gòu),還具有低成本、大面積、均勻性好等優(yōu)點(diǎn),已成為制備高溫工作紅外探測(cè)器的最佳選擇之一。本文從銻化物材料基本性質(zhì)出發(fā),綜述了高工作溫度銻化物紅外探測(cè)器的研究進(jìn)展。詳細(xì)介紹了六種銻化物高溫紅外探測(cè)器,并展望了其未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

2 銻化物材料基本性質(zhì)

銻化物Ⅱ類超晶格材料最早由Esaki 等人在1977年提出[3]。該材料禁帶寬度覆蓋范圍廣、能帶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靈活、正入射且光吸收率高。如果選擇的器件結(jié)構(gòu)合適,不僅能抑制載流子的非輻射復(fù)合,而且還可以有效地提高器件的光電性能。然而,因GaSb材料中與Ga相關(guān)的本征缺陷在禁帶中間引入了深缺陷能級(jí),受到俄歇復(fù)合機(jī)制的影響,少數(shù)載流子的壽命非常低,使得銻化物Ⅱ類超晶格材料的優(yōu)勢(shì)在實(shí)際應(yīng)用中并沒(méi)有得到真正展現(xiàn),器件性能與理論值有較大差距。

因此,研究人員提出了一種無(wú)Ga的材料體系,即InAs/InAsSb超晶格。這種無(wú)Ga超晶格的少數(shù)載流子壽命得到了大幅提高,暗電流有了顯著降低。在此基礎(chǔ)上,研究人員又提出InGaAs/InAsSb材料體系,將Ga元素加入到InAs層[4]。這種材料的紅外吸收性能以及空穴遷移率都得到較大提升,器件性能更好。

2004年,高工作溫度探測(cè)器的設(shè)想和概念被Ashley等人率先提出[5]。他們想要制備出具有較好性能的同時(shí),還能在高溫或是室溫下正常工作的紅外探測(cè)器。2015年,Kinch等人發(fā)現(xiàn)減小探測(cè)器的像元尺寸,不僅使紅外成像系統(tǒng)的體積和功耗變小,工作溫度還得以提高,很大程度地提升了系統(tǒng)在極端條件下工作的穩(wěn)定性[6]。當(dāng)然,器件能否在高溫下工作,最主要的還是取決于探測(cè)器的結(jié)構(gòu)以及暗電流大小。

近年來(lái),銻化物在材料生長(zhǎng)和理論模擬方面都取得了突破性進(jìn)展。在這些基礎(chǔ)上,研究人員研發(fā)了基于PIN、W、PΠMN、CBIRD、PBIBN、nBn型以及帶間級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)的紅外探測(cè)器。通過(guò)改變器件結(jié)構(gòu),降低暗電流,實(shí)現(xiàn)提高紅外探測(cè)器工作溫度的目標(biāo)。

3 高工作溫度銻化物紅外探測(cè)器研究進(jìn)展

對(duì)于高溫紅外探測(cè)器,以色列Semiconductor Device(SCD)公司是最早開展此項(xiàng)研究的單位之一。20世紀(jì)90年代,SCD公司研究了離子注入型平面結(jié)工藝。后因工藝技術(shù)越來(lái)越成熟,開始朝著大面陣、小像元焦平面方向發(fā)展,最終制備出小尺寸,低功耗,重量輕與成本低的紅外探測(cè)器[7]。2004年,SCD公司開始對(duì)InSb的外延成結(jié)技術(shù)進(jìn)行研究,也就是將p型InSb外延到n型InSb襯底[7]。之后,于2008年提出 XBn和XBp勢(shì)壘型器件結(jié)構(gòu),目的是抑制器件暗電流,從而提高器件的工作溫度或靈敏度。其中,X是加偏置的電極層,B是勢(shì)壘層,n或p是吸收層,nBn型器件的能帶結(jié)構(gòu)如圖1所示。SCD公司把這個(gè)結(jié)構(gòu)應(yīng)用于InAsSb薄膜和InAs/GaSb II類超晶格材料中,nBn型InAsSb的結(jié)構(gòu)如圖2所示。此后,他們將研究重點(diǎn)放在nBn型 InAsSb 中波高溫器件和高性能 pBp型InAs/GaSb II類超晶格長(zhǎng)波器件上。

圖1 nBn 型器件能帶結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 nBn型InAsSb探測(cè)器的結(jié)構(gòu)示意圖

同時(shí),國(guó)內(nèi)包括中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體所、上海技術(shù)物理所、重慶光電技術(shù)研究所和昆明物理研究所等也相繼開展了高溫紅外探測(cè)器的研究。接下來(lái)將分別介紹InSb、InSb/InAlSb、Al摻雜InSb、InAsSb、InAs/GaSb以及帶間級(jí)聯(lián)高溫紅外探測(cè)器的研究情況。

3.1 InSb探測(cè)器

1954年,Weiss首次報(bào)導(dǎo)了InSb 材料[8]。它在3～5 μm波段有近百分之百的量子效率,同時(shí)還具有禁帶寬度窄、電子有效質(zhì)量小、電子遷移率高等優(yōu)點(diǎn),一直都是制備高性能中波紅外探測(cè)器的首選材料[9]。2004年,SCD公司[7]通過(guò)分子束外延(MBE)技術(shù)制備出了InSb 薄膜材料,SRH復(fù)合中心減小,載流子壽命得以提高,器件的暗電流與普通器件相比減小了15倍,制備出了性能較好的640×510焦平面紅外探測(cè)器。圖3是640×510 InSb 焦平面紅外探測(cè)器的熱成像圖,(a)、(b)分別為95 K 和 110 K 時(shí)的成像效果,可以發(fā)現(xiàn)110 K 時(shí)成像效果與95 K相比并無(wú)大的差異,說(shuō)明器件性能保持不變的同時(shí)工作溫度也提高了。但因InSb材料波長(zhǎng)不可調(diào),溫度在77 K時(shí),截止波長(zhǎng)為5.5 μm；到110 K以上時(shí),截止波長(zhǎng)超過(guò)6 μm；而InSb材料在波長(zhǎng)為3～5 μm處的光吸收性能好,如果波長(zhǎng)太長(zhǎng)不僅會(huì)造成工作波段的浪費(fèi),還會(huì)使器件的暗電流密度增大,很難制備出性能優(yōu)良的InSb高溫紅外探測(cè)器,為解決這一問(wèn)題,研究人員在此材料的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),制備出勢(shì)壘型InSb高溫紅外探測(cè)器。

(a)95 K

3.2 InSb/InAlSb 探測(cè)器

1983年,White.A.M最先在文獻(xiàn)中提出勢(shì)壘型探測(cè)器。隨后,Ashley[5]等人提出單極勢(shì)壘層的pBn結(jié)構(gòu)InSb 探測(cè)器。依靠勢(shì)壘差去抑制載流子的產(chǎn)生-復(fù)合,減小暗電流的大小,工作溫度可提高到100 K。同時(shí),將InAlSb材料生長(zhǎng)在InSb基片上,通過(guò)調(diào)節(jié)Al組分中的摻雜量來(lái)控制勢(shì)壘的高度,器件的光電性能保持良好,工作溫度從110 K提高到了130 K。

2014年,Evirgen[10]等人在成熟的InSb探測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)上,制備出nBn型InSb/InAlSb/InSb紅外探測(cè)器,工作溫度得到較大提升。然而,通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)高Al組分異質(zhì)結(jié)外延生長(zhǎng)會(huì)出現(xiàn)晶格失配問(wèn)題,為了解決這個(gè)問(wèn)題他們使用50 μm的InAlSb作為勢(shì)壘層,并將InSb作為吸收層,制備出兩種nBn型結(jié)構(gòu)的器件。其中,一種結(jié)構(gòu)采用固定Al 的組分含量在20 %,吸收區(qū)摻雜濃度在1×1016cm-3量級(jí)。另一種是將Al的組分含量從15 % 慢慢的增長(zhǎng)到35 %。在偏壓為50 mV、溫度在77 K條件下,器件的暗電流為10-9A/cm2,截止波長(zhǎng)為5.4 μm,與前面提到77 K溫度下的InSb探測(cè)器的截止波長(zhǎng)相差不大。但因nBn結(jié)構(gòu)在很大程度上降低了紅外探測(cè)器的產(chǎn)生-復(fù)合電流,工作溫度有望達(dá)到120 K。

同時(shí),采用 MBE技術(shù)制備的這些特殊結(jié)構(gòu)的InSb探測(cè)器,具有較小的暗電流、較好的溫度穩(wěn)定性、更寬的響應(yīng)波段以及更簡(jiǎn)單的制備技術(shù)等優(yōu)點(diǎn)[11],后來(lái)成為InSb紅外焦平面探測(cè)器的重要發(fā)展方向。

3.3 Al摻雜InSb探測(cè)器

InSb/InAlSb紅外探測(cè)器,是基于InSb探測(cè)器制備技術(shù)發(fā)展起來(lái)的。前面提到過(guò),InSb探測(cè)器存在工作溫度低、波長(zhǎng)不可調(diào)的問(wèn)題。因此,研究人員利用摻Al的方法,來(lái)調(diào)節(jié)InSb/InAlSb紅外探測(cè)器的截止波長(zhǎng)以及能帶寬度。在InAlSb材料保留了InSb材料良好電學(xué)性能的同時(shí)阻擋多數(shù)載流子的擴(kuò)散,降低器件的暗電流,從而提高器件的工作溫度。由于In1-xAlxSb的能帶寬度會(huì)隨著Al組分發(fā)生線性變化,當(dāng)Al組分增加1 % 時(shí),能帶寬度可增加18 meV左右,此時(shí)截止波長(zhǎng)向短波方向移動(dòng)。若摻雜組分增加到3 % 時(shí),可將InSb的截止波長(zhǎng)從5.5 μm 減小到4.4 μm,此時(shí)的InSb/InAlSb紅外探測(cè)器的暗電流大小僅為InSb探測(cè)器的1/20,這樣就大大地提高了器件的工作溫度[12]。

2003年,英國(guó)QinetiQ公司研發(fā)出工作溫度為130 K且性能良好的256×256元InSb/InAlSb紅外焦平面探測(cè)器。如圖4所示,(a)、(b)、(c)分別為工作溫度在80 K、100 K、130 K下的成像效果。

圖4 256×256InSb/InAlSb紅外焦平面成像圖

隨后,SCD公司也成功研制出了像元尺寸為30 μm的256×320元InSb/InAlSb焦平面探測(cè)器[7]。如圖5所示,(a)、(b)分別為工作溫度時(shí)100 K和110 K下的紅外焦平面成像效果圖。在性能保持不變的情況下,InSb/InAlSb焦平面探測(cè)器與傳統(tǒng)InSb焦平面探測(cè)器相比,工作溫度提升到100 K。2006年,該公司將探測(cè)器陣列的規(guī)格擴(kuò)大到了480×384元,截止波長(zhǎng)為4.2 μm,工作溫度提高到120 K。在這之后,SCD公司持續(xù)研究出陣列規(guī)格更大的InSb/InAlSb紅外焦平面探測(cè)器,其探測(cè)器的工作溫度得到進(jìn)一步提高。此后,InSb/InAlSb紅外焦平面探測(cè)器繼續(xù)朝著工作溫度更高、像元尺寸更小的方向發(fā)展。

圖5 256×320InSb/InAlSb紅外焦平面成像圖

3.4 InAsSb 探測(cè)器

3.4.1 光導(dǎo)型 InAsSb 探測(cè)器

2004年,同濟(jì)大學(xué)的高玉竹教授利用熔體外延法,在InAs襯底上成功地生長(zhǎng)出了截止波長(zhǎng)為11 μm的InAsSb單晶[13]。其外延層厚度為100 μm,X射線衍射譜顯示InAsSb單晶具有良好的結(jié)晶質(zhì)量。該方法生長(zhǎng)的材料,由于外延層在壓力下形成的,能帶彎曲參數(shù)變大,其禁帶寬度明顯變窄,截止波長(zhǎng)會(huì)向長(zhǎng)波方向延長(zhǎng)。2010年,他們?cè)谳^為成熟的材料生長(zhǎng)技術(shù)之上,制備出InAsSb室溫紅外探測(cè)器,工作溫度得到很大提高[14-15]。

2012年,郭軼等人在293 K工作溫度下,采用 InAsSb 單晶材料制成高靈敏光導(dǎo)型 InAsSb 紅外探測(cè)器,保持器件較好性能的同時(shí)初步實(shí)現(xiàn)了在室溫條件下工作[16]。在293 K工作溫度時(shí),黑體探測(cè)率為6×108cm·Hz1/2·W-1,黑體響應(yīng)度為168 V/W,探測(cè)器性能優(yōu)良,應(yīng)用前景廣闊,尤其是在高溫領(lǐng)域的紅外探測(cè)應(yīng)用有重要意義,該探測(cè)器的光譜響應(yīng)如圖6所示。

圖6 InAsSb探測(cè)器在293 K時(shí)的光譜響應(yīng)

3.4.2 勢(shì)壘型 InAsSb 探測(cè)器

2008年,SCD公司提出了XBn和XBp勢(shì)壘型器件結(jié)構(gòu),其中X是加偏置的電極層,B是勢(shì)壘層,n或p是吸收層[7]。其主要作用就是抑制器件的暗電流,提高器件的工作溫度或靈敏度,圖7為nBn 結(jié)構(gòu)的 InAsSb 器件結(jié)構(gòu)示意圖。此后,利用現(xiàn)有的材料生長(zhǎng)技術(shù)和器件制備工藝,分別研制出了nBn、pBp結(jié)構(gòu)的InAsSb中、長(zhǎng)波高溫紅外探測(cè)器。

圖7 nBn 型 InAsSb 器件結(jié)構(gòu)示意圖

2013年,SCD 研制出XBn型InAsSb中波高溫探測(cè)器系列產(chǎn)品,器件的工作溫度達(dá)到150 K,性能良好[7]。其中,XBn型InAsSb焦平面陣列規(guī)模是640×512,像元中心距15 μm,吸收層厚度3 μm,該焦平面陣列的熱像圖非常清晰,如圖8所示。在這之后,研究人員還對(duì)探測(cè)器進(jìn)行了變工作溫度的熱成像和制冷功耗進(jìn)行了測(cè)試。如圖9所示,工作溫度在103～225 K時(shí)焦平面的成像效果。當(dāng)溫度升高到193 K時(shí)器件性能才出現(xiàn)明顯的衰減；工作溫度為95 K時(shí),制冷機(jī)功率降低了20 %；溫度達(dá)到150 K時(shí),制冷機(jī)功率降低了60 %。

圖8 640×512 InAsSb焦平面陣列150 K時(shí)的成像效果

圖9 103～225 K溫度范圍焦平面陣列的成像效果

2014年,美國(guó) DRS 公司研究出以GaAs為襯底的nBn型1024×1024 InAsSb焦平面陣列。工作溫度為150 K時(shí),探測(cè)率可達(dá)1.2×1011cm·Hz1/2·W-1,響應(yīng)截止波長(zhǎng)為4.9 μm,圖10是150 K工作溫度時(shí)的成像效果。隨后,美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室也報(bào)道了室溫nBn結(jié)構(gòu)的 InAsSb 中波紅外探測(cè)器[17]。在截止波長(zhǎng)為4.5 μm時(shí),室溫條件下的探測(cè)率為1.0×109cm·Hz1/2·W-1,250 K時(shí)的探測(cè)率為5.0×109cm·Hz1/2·W-1,器件性能保持良好,工作溫度也得到極大提高。

圖10 1024×1024 InAsSb 焦平面陣列

2017年,美國(guó)休斯實(shí)驗(yàn)室在GaAs襯底上生長(zhǎng)了nBn 結(jié)構(gòu)的InAsSb探測(cè)器,并制作了2040×1156焦平面探測(cè)器[18]。在截止波長(zhǎng)為5.1 μm時(shí),150 K工作溫度條件下的有效像元為99.9 %,無(wú)抗反射膜紅外探測(cè)器的量子效率大于60 %。

2021年,Soibel等人研究了含有pn-CBIRD結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)波InAs/InAsSb超晶格勢(shì)壘紅外探測(cè)器,其主要利用較長(zhǎng)的電子擴(kuò)散長(zhǎng)度以達(dá)到提高量子效率的目的。還比較了n型吸收層、p型和n型吸收層兩種組合以及p型吸收層這四種互補(bǔ)勢(shì)壘紅外探測(cè)器結(jié)構(gòu)[19]。研究結(jié)果顯示,使用pn-CBIRD結(jié)構(gòu)的器件量子效率最高,雖然暗電流大小受表面p-n結(jié)的影響,但隧穿暗電流不太明顯,在較低偏置條件下器件性能較好。圖11是工作溫度為78～148 K時(shí)暗電流密度與外加偏壓的函數(shù)關(guān)系,其中(a)為n型吸收層勢(shì)壘結(jié)構(gòu),(b)為pn-CBIRD勢(shì)壘結(jié)構(gòu)。

圖11 暗電流密度與外加偏壓的函數(shù)關(guān)系

3.5 InAs/GaSb超晶格紅外探測(cè)器

2006年,Plis等人制備出基于InAs/GaSb II型應(yīng)變超晶格中紅外探測(cè)器[20],能帶結(jié)構(gòu)如圖12所示。美國(guó)的圣·芭芭拉公司率先研發(fā)出工作溫度在130～155 K范圍的nBn 型II類超晶格中波紅外探測(cè)器,其性能與工作溫度在80 K的 InSb 紅外探測(cè)器、95 K的HgCdTe紅外探測(cè)器和115 K的HgCdTe 紅外探測(cè)器的性能相差不大,圖13則為InAs/GaSb探測(cè)器在不同溫度時(shí)的成像效果。

圖12 InAs/GaSb超晶格能帶結(jié)構(gòu)示意圖

圖13 InAs/GaSb探測(cè)器在不同溫度時(shí)的成像效果

同時(shí),Pour等人通過(guò)抑制主要暗電流的方案來(lái)提高InAs/GaSb II型超晶格中波探測(cè)器在高溫工作時(shí)的性能[21]。優(yōu)化后量子效率達(dá)到50 %,并且沒(méi)有任何偏置依賴性。之后,胡銳等人也對(duì)nBn型InAs/GaSbII類超晶格紅外探測(cè)器進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)150 K工作溫度條件下的暗電流比77 K時(shí)大一個(gè)數(shù)量級(jí),峰值探測(cè)卻只下降了1/5,有望實(shí)現(xiàn)較高的工作溫度[22]。

2015年,中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所牛智川小組對(duì)InAs/GaSb超晶格高溫探測(cè)器進(jìn)行了研究,他們主要優(yōu)化了InAs/GaSb pΠMN型單元器件勢(shì)壘區(qū)和吸收區(qū)的摻雜,利用勢(shì)壘區(qū)的摻雜實(shí)現(xiàn)了零偏壓全響應(yīng)特性[23]。研究發(fā)現(xiàn),高溫情況下,熱激發(fā)導(dǎo)致結(jié)區(qū)兩端的少子濃度增加,在自建電場(chǎng)的漂移作用下,擴(kuò)散電流占據(jù)暗電流的主要成分。中波InAs/Gasb超晶格材料,利用p-i-n型器件結(jié)構(gòu),在高溫工作狀態(tài)下,擴(kuò)散電流占據(jù)主導(dǎo)地位。為了抑制擴(kuò)散電流,對(duì)吸收區(qū)進(jìn)行P型摻雜,發(fā)現(xiàn)隧穿電流也會(huì)隨著結(jié)區(qū)電場(chǎng)的增加而增加,減少耗盡區(qū)寬度的同時(shí)也降低了器件的量子效率。因此,為了減少隧穿電流、增大載流子有效質(zhì)量,提出了M型結(jié)構(gòu)作為勢(shì)壘層插入吸收層和電極層之間進(jìn)行器件性能優(yōu)化和提升。研究發(fā)現(xiàn),在工作溫度高于120 K時(shí),擴(kuò)散電流為主導(dǎo)。在200 K時(shí),器件的動(dòng)態(tài)阻抗RAmax達(dá)到764 Ω·cm2,峰值D*探測(cè)率達(dá)到1×1011量級(jí),制備出陣列規(guī)模為320×256元InAs/GaSb pπMN型中波紅外焦平面,其成像效果如圖14所示。

圖14 InAs/GaSbpΠMN型中波焦平面

3.6 帶間級(jí)聯(lián)高溫紅外探測(cè)器

新一代紅外焦平面探測(cè)器的優(yōu)化目標(biāo)將聚焦于SWaP,也就是體積小(Size)、重量輕(Weight)、功耗低(Power consumption)、高性能(Performance)和低成本(Price)[24]。目前,提高紅外探測(cè)器的工作溫度成為研究的熱點(diǎn),高性能光子型紅外探測(cè)器的高溫或非制冷工作,兼顧了紅外系統(tǒng)小尺寸、低功耗、低成本和高靈敏度、高響應(yīng)速度、高幀頻等諸多優(yōu)點(diǎn),是新一代紅外焦平面探測(cè)技術(shù)的重要發(fā)展方向之一。采用新型量子結(jié)構(gòu),特別是國(guó)際上最新研究的帶間級(jí)聯(lián)探測(cè)器,已經(jīng)顯示了極其優(yōu)越的室溫光電性能。帶間級(jí)聯(lián)探測(cè)器是以InAs/GaSb/AlSb 為結(jié)構(gòu)形成的多異質(zhì)結(jié)勢(shì)壘器件。如圖15所示,為帶間級(jí)聯(lián)探測(cè)器的原理示意圖,器件主要由吸收區(qū)InAs/GaSb、弛豫區(qū)InAs/AlSb以及隧穿區(qū)GaSb/AlSb三部分組成[25]。因不存在摻雜的PN結(jié),可以利用勢(shì)壘結(jié)構(gòu)調(diào)控的方法去抑制復(fù)合電流和隧穿電流的產(chǎn)生,同時(shí)也可以利用分立的多吸收區(qū)的結(jié)構(gòu)去解決載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度小的問(wèn)題,從而達(dá)到提高器件工作溫度的目的。

圖15 帶間級(jí)聯(lián)探測(cè)器工作原理示意圖

2010年,Oklahoma大學(xué)報(bào)道了中波帶間級(jí)聯(lián)探測(cè)器,在室溫工作時(shí),100 %截止波長(zhǎng)超過(guò)7 μm。2015年,周易等人也提出了中波高溫InAs/GaSb II類超晶格帶間級(jí)聯(lián)紅外探測(cè)器[26]。他們將制備出來(lái)的單級(jí)和雙級(jí)級(jí)聯(lián)的紅外探測(cè)器進(jìn)行對(duì)比,分析了能帶結(jié)構(gòu)對(duì)暗電流的抑制以及光生載流子輸運(yùn)的影響。其中,單級(jí)器件的吸收區(qū)是由7.5 MLInAs/7 MLGaSb超晶格材料構(gòu)成,厚度為1 μm。電子弛豫區(qū)由InAs/A1Sb多量子阱結(jié)構(gòu)形成,該弛豫區(qū)也作為空穴勢(shì)壘區(qū)降低器件暗電流,隧穿區(qū)由GaSb/A1Sb短波超晶格結(jié)構(gòu)形成,也作為電子勢(shì)壘區(qū)提高器件電學(xué)性能。其中電子弛豫區(qū)將相近量子阱能級(jí)差設(shè)計(jì)與聲子能量接近,提高了電子弛豫速度,優(yōu)化器件的輸運(yùn)。將單級(jí)器件進(jìn)行級(jí)聯(lián)且生長(zhǎng)在InAs襯底上就是帶間級(jí)聯(lián)的紅外探測(cè)器[27]。對(duì)比之后發(fā)現(xiàn),在77 K時(shí),吸收區(qū)厚度為1 μm的PIN器件,波長(zhǎng)在3.61 μm處的量子效率為42.5 %。單級(jí)器件波長(zhǎng)在3.64 μm處的量子效率為45.6 %,R0A為2.5×107Ω·cm2；兩級(jí)級(jí)聯(lián)器件波長(zhǎng)在3.61 μm處的量子效率為25.5 %,R0A為3.5×107Ω·cm2。在300 K時(shí),單級(jí)器件波長(zhǎng)在4.39 μm處量子效率為18.8 %,R0A為0.04 Ω·cm2,說(shuō)明室溫下少子擴(kuò)散長(zhǎng)度接近或超過(guò)1 μm；兩級(jí)級(jí)聯(lián)器件波長(zhǎng)在4.37 μm處量子效率為19.2 %,R0A為0.064 Ω·cm2,峰值探測(cè)率為2.56×109cm·Hz1/2·W-1,說(shuō)明器件輸運(yùn)性能較好,沒(méi)有形成其他的勢(shì)壘阻擋光生載流子的輸運(yùn)。

在這之后,新墨西哥大學(xué)也報(bào)道了中波高溫帶間級(jí)聯(lián)探測(cè)器。在工作溫度為160 K時(shí),量子效率為28.6 %；200 K時(shí)量子效率為35 %。同時(shí),Oklahoma大學(xué)也報(bào)道了長(zhǎng)波高溫帶間級(jí)聯(lián)探測(cè)器,工作溫度為78 K時(shí)90 %的截止波長(zhǎng)為10.4 μm；300 K時(shí)90 %的截止波長(zhǎng)為11.5 μm,探測(cè)率超過(guò)1×108cm·Hz1/2·W-1,與相同探測(cè)波長(zhǎng)下的HgCdTe探測(cè)器相比較,提高了約兩倍。

2019年,周易等人進(jìn)一步報(bào)道了InAs/GaAsSb帶間級(jí)聯(lián)中波紅外焦平面探測(cè)器[28]。研究發(fā)現(xiàn),在80～120 K的工作溫度條件下量子效率可達(dá)30 %。如圖16所示,圖(a)、(b)、(c)分別為工作溫度在115 K、127 K、136 K時(shí)的帶間級(jí)聯(lián)紅外焦平面成像圖,可以發(fā)現(xiàn)在127 K下獲得了較為清晰的演示性室溫目標(biāo)圖像。

圖16 帶間級(jí)聯(lián)紅外焦平面成像圖

4 總結(jié)與展望

本文對(duì)高溫紅外探測(cè)器的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述。從InSb、InSb/InAlSb、Al摻雜InSb探測(cè)器、InAsSb 、InAs/GaSb、帶間級(jí)聯(lián)高溫紅外探測(cè)器的發(fā)展現(xiàn)狀來(lái)看,國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究機(jī)構(gòu)已在銻化物高溫紅外探測(cè)器的材料生長(zhǎng)和制備技術(shù)等方面取得了較大進(jìn)展,在器件性能良好的前提下工作溫度可維持在150 K左右。

其中,InSb高溫紅外探測(cè)器工作溫度在110K時(shí),可保持較好的器件性能；基于nBn結(jié)構(gòu)的InSb/InAlSb/InSb高溫紅外探測(cè)器有望工作溫度可達(dá)到120K；InSb/InAlSb紅外焦平面探測(cè)器工作溫度在150K左右；光導(dǎo)型InAsSb 探測(cè)器初步實(shí)現(xiàn)了工作溫度293K,探測(cè)器性能優(yōu)良,應(yīng)用前景廣闊,尤其是在室溫狀態(tài)下軍事領(lǐng)域的紅外探測(cè)應(yīng)用有重大的意義。nBn結(jié)構(gòu)的InAsSb紅外探測(cè)器也可實(shí)現(xiàn)250K下的工作溫度；InAs/GaSb紅外探測(cè)器目前可在200K下工作；而對(duì)于帶間級(jí)聯(lián)紅外探測(cè)器,工作溫度可達(dá)到300K左右,室溫下有較好的信噪比。目前國(guó)際上最新發(fā)展的帶間級(jí)聯(lián)紅外探測(cè)器已顯示出極其優(yōu)越的高溫性能。

基于本文所提到的紅外探測(cè)器,工作溫度雖得到了大幅度的提高,但是也存在著材料生長(zhǎng)不穩(wěn)定、量子效率低等問(wèn)題。距離我們想要的體積小、重量輕、功耗低、性能高和成本低的目標(biāo)還有很長(zhǎng)的路要走。對(duì)于銻化物新材料體系以及不同結(jié)構(gòu),未來(lái)需要從電子學(xué)和材料學(xué)等方面去進(jìn)行綜合考慮,對(duì)器件進(jìn)行更好地優(yōu)化,推動(dòng)銻化物紅外探測(cè)器向更高工作溫度邁進(jìn)。有學(xué)者提出利用人工微結(jié)構(gòu)通實(shí)現(xiàn)光場(chǎng)調(diào)控,利用亞波長(zhǎng)人工光學(xué)結(jié)構(gòu)增強(qiáng)光耦合以及降低暗電流的新思路,有利于提高探測(cè)器的工作溫度[29]。該方法與銻化物紅外探測(cè)器進(jìn)行結(jié)合,是實(shí)現(xiàn)SWaP目標(biāo)的技術(shù)路線之一。