基于锑化物Ⅱ类超晶格InAs/InAsSb的研究进展

新型材料结构的设计是提高红外探测器性能的有效途径。锑基Ⅱ类超晶格InAs/InAsSb作为红外光敏材料时结构稳定，且具有低暗电流、高温工作特性以及优越的光电转化效率，是研制高温工作红外探测器的理想材料。

据麦姆斯咨询报道，近期，陕西理工大学机械工程学院叶伟副教授课题组在《激光与光电子学进展》期刊上发表了以“锑基Ⅱ类超晶格InAs/InAsSb红外探测器的研究进展”为主题的综述文章。叶伟副教授主要从事新能源材料与器件的研究工作，研究方向为功能材料与器件（光、电子器件）、储能材料与器件（电池、电容器）、传感器、固体润滑、材料表面改性、真空设备等。

这项研究综述了基于锑化物Ⅱ类超晶格InAs/InAsSb的研究进展，介绍了现阶段应用在典型单极势垒结构中的两种红外探测器性能，并对锑化物Ⅱ类超晶格InAs/InAsSb探测器的发展进行展望。

锑化物InAs/InAsSbⅡ型超晶格（T2SL）的研究进展

在半导体超晶格材料体系中，基于Ⅲ-V族半导体的超晶格材料是人们的研究热点，其带隙在0.1~1.7eV之间，可作为红外波段光电子器件的材料，也可应用在工业检测、监控、测温、医学以及光电搜索、侦探、气象卫星和气候监测等方面。

InAsSb、InAlSb制备探测器的工艺相对简单、成本较低，是高温工作红外探测器领域的重要材料。InAsSb材料具有Ⅲ-V族半导体中最小的带隙，但InAs1?xSbx材料的能量并没有完全控制在中等成分范围内，因此，InAsSb在较低温度（77K）和8~14μm波长范围内工作时没有足够小的带隙。为了解决上述问题，人们设计出一种新的Ⅲ-V族InAs/InAsSb T2SL结构。该结构由若干交错的薄晶体层组成，通过Ⅱ类能带排列，T2SL的有效能带比单个材料组成的结构更窄，可以保持晶格匹配或应变平衡条件，从而实现窄带隙目的。在中波红外（MWIR）和长波红外（LWIR）探测器中用InAs/InAsSb T2SL作为吸收层时，可使探测器表现出优异的工作性能。

图1 InAs和InAsSb的能带对齐示意图：（a）低Sb组分和有序排列的InAs1?xSbx超晶格结构；（b）生长在InAs衬底上的InAs/InAs0. 93Sb0.07结构；（c）两个跃迁的质量降低结果。

将Ga原子引入InAs层中，可改善材料的吸收效率和光学性能，形成InGaAs/InAsSb T2SL结构。InGaAs/InAsSb T2SL是一种新型本征吸收窄禁带半导体材料，生长在晶格匹配的InP或GaSb衬底上，具有灵活的设计空间，可实现整个红外波段内响应光谱的调节。此外，研究人员还提出一类新的锑化物，即Ⅱ类四元合金超晶格结构材料，进一步完善了超晶格材料体系。

锑化物InAs/InAsSbT2SL应用的典型势垒结构

InAs/InAsSbT2SL红外探测器的结构主要有PIN光电二极管和势垒结构光电探测器。PIN光电二极管主要由P型、无意掺杂I层和N型半导体材料组成。势垒光电探测器包括NBN结构、PBN结构、p-π-M-n结构、pMp结构等。为了减小器件的暗电流，人们提出了不同类型势垒结构的探测器。对于Ⅲ-V族半导体化合物，可根据实际目的设计出符合需要的材料结构，以抑制扩散、带间隧穿和复合电流的产生。

图2 器件的结构示意图：（a）NBN结构探测器；（b）理想NBN结构在反偏压下的能带图。

图3 器件结构示意图：（a）P+-N-N+结构探测器；（b）PBN结构探测器；（c）双势垒PBN结构探测器。

图4 器件的能带结构示意图：（a）PBP结构；（b）CBIRD结构。

锑化物InAs/InAsSb T2SL作为红外探测器高温工作下的理想材料，在不同应用领域中将会有许多关键的挑战。近年来，人们对Ⅲ-V族材料外延生长理论和工艺的研究使T2SL技术有了显著的进展。此外，InAs/InAsSb超晶格的提出，避免了引入Ga后在禁带中产生复合中心，有效提高了少数载流子寿命，且随着Ⅱ超晶格技术及理论的不断完善，锑化物超晶格红外波焦平面技术在可操作性、均匀性、稳定性以及可扩展性上的优势将更明显。基于锑化物Ⅱ类超晶格InAs/InAsSb的雪崩探测器（APD）目前尚处于探索阶段，但具有一定的发展潜力，该研究对基于锑化物第三代向第四代红外探测器的发展具有重要研究意义和实用价值。

该项目获得了陕西省教育厅专项科学研究计划（No.17JK0144, No.18JK0151）和陕西理工大学人才启动项目（No.SLGQD2017-19）的支持。

审核编辑 ：李倩