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红外辐射几乎是一切常见物体的基本特征，特别是环境温度在-30℃~1000℃时，常见物体辐射的能量峰值分布在2μm~12μm中远红外波段。针对该波段的探测可广泛应用于环境监测、工业安全、隐身探测、高速反导等军事和民用领域。但是由于水分和二氧化碳的吸收作用，中远红外能在大气中远程传播的只有3μm~5μm的中红外和8μm~12μm的远红外两个波段，因此研制相关的高性能中远红外探测器显得尤为重要。
目前研究最为广泛的中远红外探测器材料是碲镉汞(HgCdTe)，已成功研制出了多种响应波段且性能优异的单元和阵列探测器[1]。HgCdTe红外探测器的突出性能主要体现在具有很高的量子效率，而且在当前制备工艺条件下，暗电流很小。但是HgCdTe材料也存在一些难以克服的缺点，例如Hg与Te之间的价键结合较弱，使得材料的稳定性和抗辐照性较差，材料生长过程中组分容易出现偏析, 使得材料均匀性变差而难以实现大面阵应用，因此有必要寻找HgCdTe在中远红外应用的替代材料[2]。在此过程中，大家逐渐将目光集中到了容易实现大面积低缺陷材料生长、器件工艺成熟、性能优越、产业化优势明显的锑化物Ⅱ类超晶格(type-Ⅱ superlattice，T2SL)中远红外探测器。
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锑化物半导体材料主要包括Al, Ga, In等Ⅲ族元素与Sb构成的Ⅲ-Sb二元化合物，以及结合其它Ⅴ族元素共同构成的InGaSb, AlGaSb, InGaAsSb, AlGaAsSb等三元和四元化合物。锑化物半导体块体材料根据组分的不同在室温下的禁带宽度为1.7eV(AlSb)至0.1eV(InAsSb)，对应响应波长为0.73μm~12μm，如图 1所示[3]。由于GaSb, AlSb和x值较小的GaAsxSb1-x, InxGa1-xSb, AlAsxSb1-x等三元锑化物的晶格常数都在6.1Å附近，因此它们通常与InAs一起被称为“6.1Å Ⅲ-Ⅴ族半导体材料”[4]。
图 1 锑化物及常见半导体材料的晶格常数和禁带宽度[3]
除了晶格常数相近，6.1Å Ⅲ-V族半导体材料还具有独特的能带结构，即不同的材料带隙差异极大，且导带和价带的位置错落交替，如InSb禁带完全包含于AlSb之中，而GaSb的价带则比InAs导带还高，如图 2所示。由此通过不同的材料相互组合可以形成多样的Ⅰ类(如AlSb/GaSb等)和Ⅱ类(如InAs/AlSb等禁带错位型和InAs/GaSb等禁带错开型)能带结构，为锑化物超晶格开展能带工程设计提供了丰富的操作空间[5]。
图 2 6.1Å Ⅲ-Ⅴ族半导体材料能带结构示意图(0K)[5]
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将构成Ⅰ类和Ⅱ类能带结构的锑化物薄膜材料交替生长即可形成Ⅰ类和Ⅱ类两种超晶格结构。其中以InAs/GaSb为代表的禁带错开型T2SL中InAs层的导带低于GaSb层的价带，因此该结构的电子主要集中在InAs层，空穴主要集中在GaSb层，由此实现了电子和空穴的物理隔离，从而使其表现出许多独特的性质[6]。与体材料不同，由于T2SL的各层厚度(亚纳米至几纳米)小于该材料中电子的德布罗意波长(几十纳米)，相邻薄层中的电子(空穴)波函数将发生重叠，从而使各层中原本分立的能级相互作用形成微带(第一导带E1、第一重空穴带(heavy hole，HH)HH1、第一轻空穴带(light hole，LH)LH1等)。锑化物T2SL红外探测器即利用电子在微带间跃迁来实现对红外入射光的探测，如图 3所示[7]。
图 3 InAs/GaSb禁带错开型T2SL能带结构示意图[7]
对任何利用电子跃迁原理工作的光子型探测器而言，随着工作温度的升高，最终的性能极限都将受限于其中载流子的俄歇复合。而基于禁带错开型锑化物T2SL的红外探测器由于理论上实现了电子和空穴的物理隔离，这样可以极大地抑制俄歇复合，降低与之相关的暗电流，提高工作温度，突破HgCdTe红外探测器所能达到的性能极限，使其具有超越HgCdTe探测器性能的潜力。
除此之外，与其它红外探测器相比，锑化物T2SL的优势还有：(1)由于对红外入射光的响应属于带间跃迁，因此可以吸收正入射，相比于量子阱探测器具有更高的量子效率和更加广泛的应用场景；(2)锑化物T2SL的电子有效质量较大(如InAs/GaSb T2SL材料的电子有效质量为0.03m0，是HgCdTe的3倍，其中m0为电子静止质量)，因此理论隧穿电流更小，可获得的探测率更高；(3)锑化物T2SL的带隙不依赖于材料自身的禁带宽度，可通过简单地改变材料的组分和各薄层厚度来调节，从而实现从2μm短波红外到32μm超远红外波长的响应，特别适用于制备针对不同波段的单色、双色及多色中远红外探测器件[8]。
理论计算结果显示，在相同工作温度下，锑化物T2SL探测率比HgCdTe更高，如图 4所示[9]。图中的实线和虚线分别为HgCdTe和锑化物T2SL在不同温度下对不同入射波长的热限制探测率理论值，可见在相同温度下锑化物T2SL探测器的理论性能优于HgCdTe。图 4中同时给出了国外相关实验室报道的锑化物T2SL中远红外探测器探测率的实测结果。可以看到, 实测值与理论计算结果相比还有较大差异，甚至逊色于当前HgCdTe的工程实验数据，说明目前锑化物T2SL中远红外探测器在结构设计、材料生长以及器件工艺等方面还需进一步完善，特别是在低背景掺杂超晶格材料生长、表面钝化工艺优化以及新型势垒结构设计方面。
图 4 锑化物T2SL和HgCdTe探测器的探测率对比[9]
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锑化物T2SL中远红外探测器结构主要包括基于PN结的光伏型器件，以及没有PN结的类光导器件[10]。光伏型锑化物T2SL探测器结构主要有PIN结构[11-12]、W结构[13-14]、M结构[15-18]、双异质结结构[19]、互补势垒红外探测器(complementary barrier infrared detector，CBIRD)结构[20]、PBIBN结构[21]等；类光导器件结构主要有NBN结构[22-25]和PMP结构[23, 26]。
其中PIN超晶格结构即将传统PIN的P, I, N层均替换成设计好单层厚度、总厚度和掺杂浓度的锑化物T2SL材料。锑化物超晶格最常用的P型掺杂为Be，N型掺杂为Si。采用PIN结构的锑化物T2SL探测器已经在部分中波红外单元及阵列探测器中得到应用，但是由于该结构中没有引入势垒层，高性能器件对材料生长工艺要求极高，目前制备的器件一般暗电流较大，性能不佳。2007年，美国西北大学NGUYEN等人[11]采用PIN结构制备了响应波长覆盖3μm~11μm的中远红外探测器，其量子效率随吸收区宽度的增加而显著增大，而R0A值(其中R0为探测器零偏压下的电阻，A为光敏面积)受吸收区宽度影响不大。对于吸收区宽度为6μm的器件，峰值量子效率为54%(9.15μm)，但其暗电流较大，R0A值较小；对于50%截止波长11μm的探测器件，R0A值仅为12Ω·cm2。
W结构最初用于中红外激光器中以增加输出效率，后来被引入到了红外探测器结构中。W结构为在常规T2SL的InAs/Ga(In)Sb/InAs结构两端各插入一层薄的AlSb或AlGaInSb电子势垒层。势垒层将InAs层中的电子波函数限制在Ga(In)Sb空穴势阱周围，从而增加了电子和空穴波函数的重叠，增加了探测器的量子效率。2006年, AIFER等人[13]采用W结构制备了T2SL远红外探测器，其在液氮温度下具有较高的量子效率。随后该团队进一步采用该结构结合吸收区能带渐变的结构设计[14]，极大地降低了暗电流，制备了在78K下响应截止波长10.5μm的长波红外探测器，多个器件的R0A中位数达到了216Ω·cm2，接近当时最好的HgCdTe探测器的水平。
通过在PIN结构的吸收区和N区之间加入InAs/GaSb/AlSb/GaSb/InAs的M结构超晶格势垒层，即可得到M结构的锑化物T2SL。M结构超晶格势垒层的引入增加了载流子的有效质量和价带的不连续性，削弱了耗尽区的扩散和隧穿效应，提高了R0A值。2007年, NGUYEN等人[15]首次从理论上确认了在PIN结构中引入M结构超晶格势垒层的可行性，并随后在实验上验证了M结构对探测器性能的提升作用[16-17]。他们通过在PIN结构的InAs/GaSb超晶格探测器中引入厚度为500nm的M结构超晶格势垒层，得到的探测器在77K下的响应截止波长为10.5μm，R0A为200Ω·cm2，比没有M结构势垒层时高1个数量级。
双异质结结构通过巧妙设计各超晶格结构，两端采用宽带隙的N区和P区超晶格使其对远红外入射光完全透明，而中间的窄带隙超晶格吸收区可响应远红外入射光，因此降低了表面效应对探测器的影响。2008年, DELAUNAY等人[19]首次报道了这种结构的长波红外探测器，其响应截止波长为11μm，两端接触层带隙对应波长为5μm，采用SiO2钝化对探测器的性能几乎没有造成影响，但侧壁电阻率增加了1个数量级。由该结构制成的焦平面阵列的在81K和61K下的噪声等效温差分别为26mK和19mK，量子效率高于50%。
CBIRD结构由底部接触层、InAs/GaSb电子势垒层、InAs/GaSb吸收层、InAs/AlSb空穴势垒层以及顶部接触层组成。在零偏压或正偏压下，吸收层中的光生电子通过扩散/漂移可以很容易通过空穴势垒层而被顶部接触层吸收；过剩的空穴则通过介电弛豫重新分布，并与底部接触层注入到吸收层的电子复合，因而减小了产生复合电流和隧穿电流。2009年，TING等人[20]基于此结构成功研制了截止波长9.9μm长波红外探测器，-0.2V偏压、77K下的暗电流密度低至9.99×10-6A/cm2，在没有镀增透膜的情况下峰值响应度(7μm，8.5μm)达到了1.5A/W。
PBIBN结构为在PIN结构基础上，在吸收层与两端接触层之间分别插入电子和空穴势垒层。该结构的吸收层、接触层和势垒层均采用InAs/GaSb超晶格，只是组成各部分的超晶格薄层厚度不同而形成不同的能带分布，因而有利于提高材料生长均匀性，有效抑制暗电流。2010年, GAUTAM等人[21]采用此结构制备的远红外探测器在77K温度、-0.25V偏压下的响应截止波长为10.8μm，暗电流密度仅为1.2mA/cm2。
NBN结构主要由薄的窄带隙N型接触层、宽带隙电子势垒层和厚的窄带隙N型吸收层组成，因此电极两侧的多子(电子)被势垒层隔开而光生少子(空穴)能够自由移动。NBN结构由于不存在耗尽层，因此基本上可以消除间接复合效应(shockley-read-hall，SRH)产生的复合电流和表面电流，提高探测器的工作温度。2007年, RODRIGUEZ等人[22]报道了基于锑化物T2SL的NBN型结构的红外探测器，其在0.2V偏压、300K温度下的截止波长为5.2μm，对4.5μm入射波长的量子效率约为18%，由散粒噪声限制的探测率约为1.0×109cm·Hz1/2·W-1。随后该团队又于2010年[24]基于NBN结构成功研制了长波红外探测器，其在0.1V偏压、77K温度下对7μm入射光的探测率为7.15×109cm·Hz1/2·W-1，0.2V偏压下的量子效率为21.3%，响应度为1.28A/W。由于目前基于NBN结构的中红外探测器中的电子势垒层依然采用的是AlGaSb块体材料，整个结构的价带连续性不是很好，光响应依然和偏压有关，这一定程度上限制了该结构性能的发挥。
PMP结构与NBN结构相对应，由薄的窄带隙P型接触层、宽带隙M结构空穴势垒层和厚的窄带隙P型吸收层组成。和NBN结构类似，PMP结构同样能够减小产生复合电流和表面漏电流，只是NBN结构的少子为空穴，而PMP结构的少子为电子，且M结构空穴势垒层也为超晶格结构，更能发挥带隙灵活可调的优势。与空穴相比，光生电子的收集效率更高，因此理论上基于PMP结构探测器的量子效率也更高，性能更优。此外由于PMP结构的吸收区为P型掺杂，空穴的有效质量远大于电子，隧穿通过空穴势垒层的几率很小，因此隧穿电流也能得到极大的抑制。2009年，NGUYEN等人[23]报道了基于PMP结构的T2SL远红外探测器，其在77K温度、50mV偏压下的响应截止波长为14μm，暗电流密度为3.3mA/cm2，峰值响应度为1.4A/W(9.6μm)，探测率为4×1010cm·Hz1/2·W-1。
基于以上改进的锑化物T2SL结构，人们已经成功研制了多种中远红外焦平面探测器。例如，2010年，美国西北大学RAZEGHI团队首次在GaAs衬底上，分别采用M结构和PMP结构制备了320×256阵列规模的锑化物T2SL中红外和远红外焦平面探测器，并得到了高质量的成像图，如图 5所示[26]。
图 5 美国西北大学在GaAs衬底上制备的320×256阵列规模的锑化物T2SL焦平面探测器成像效果图[26]
2017年，中国科学院半导体所NIU团队采用M结构制备了320×256阵列规模的锑化物T2SL超远红外焦平面探测器，其在77K下的50%截止波长为15.2μm，-20mV偏压下的峰值探测率达到了5.89×1010cm·Hz1/2·W-1，并得到了包含桌面倒影的清晰图像，如图 6所示[27]。2018年，美国西北大学RAZEGHI团队又基于NBN结构制备了向短波红外扩展响应的320×256阵列规模的锑化物T2SL焦平面探测器，其在150K温度、-400mV偏压下对1.78μm入射波长的探测率高达2.82×1012cm·Hz1/2·W-1；在300K温度、-200mV偏压下对1.78μm入射波长的探测率仍然达到了8.55×109cm·Hz1/2·W-1，说明在室温下依然具有很高的应用价值。图 7为该探测器在不同温度下的成像效果图[28]。
图 6 中国科学院半导体所制备的320×256阵列规模的M结构超远红外锑化物T2SL焦平面探测器成像图[27]
图 7 美国西北大学制备的基于NBN结构的向短波红外扩展响应的320×256阵列规模的锑化物T2SL焦平面探测器在不同工作温度下的成像效果图[28]
作者所在团队系统总结了锑化物T2SL结构与暗电流的关联关系[29]，成功研制了响应波长覆盖2μm~12μm的T2SL中远红外宽光谱探测器，120K下平均探测率高于1×1011cm·Hz1/2·W-1。
除此之外，美国喷气推进实验室、雷神公司，德国夫琅和费实验室、AIM(Infrarot-Module GmbH)等单位均对锑化物T2SL中远红外探测器进行了深入研究，研究成果在世界范围处于先进水平，且产品已在部分中远红外成像和预警装备上得到了应用。
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由于锑化物T2SL具有超越HgCdTe探测器性能的潜力，基于此结构用于探测微弱中红外信号的雪崩光电探测器(avalanche photodetector，APD)也开始受到了关注和研究。最早的锑化物APD是日本富士通公司的MIURA等人[30]于1989年报道的AlGaSb，其响应波长为近红外波段的1.3μm~1.5μm。随后关于锑化物APD又有零星报道，且响应波长逐渐向更长的波长方向移动。目前对锑化物APD研究最多的是美国麻省理工学院(MIT)林肯实验室和伊利诺伊大学。2007年，美国MIT林肯实验室的DUERR等人[31]首次报道了工作在盖革模式下的锑化物(InGaAsSb/AlGaAsSb)APD，其响应截止波长为2μm。2008年，该团队又首次报道了响应波长达到中红外波段，工作在盖革模式下的锑化物(AlGaAsSb)APD，其对中波3.39μm响应灵敏[32]。随后在2010年，该团队分别采用InGaAsSb和InAsSb作为吸收层制备了响应短波(2μm)和中红外波长(3.4μm)的工作在盖革模式下用于光子计数的APD，并用该短波红外APD制成了32×32的焦平面阵列，且实现了激光3维成像，如图 8和图 9所示[33]。
图 8 美国林肯实验室制备的32×32锑化物APD焦平面探测器[33]
图 9 32×32锑化物APD焦平面探测器在盖革模式下的3维成像图[33]
对于锑化物T2SL APD，2007年，美国伊利诺伊大学的MALLICK等人[34]首次报道了采用InAs/GaSb T2SL的中红外APD，其在77K下的响应截止波长为4.14μm，-20V偏压下的倍增增益达到了600。同年，该团队通过优化工艺减小了探测器噪声，提高了探测器性能，将响应截止波长延伸到了4.92μm，其增益为300时的过剩噪声因子在0.8~1.2之间，并确认了倍增区为单电子注入[35]。2009年，该团队通过改变超晶格结构，使空穴主导雪崩过程，期望利用空穴较大的有效质量以减小隧穿电流。这部分工作将APD的响应截止波长延伸到了6.3μm，但该探测器的其它性能指标还有待提升[36]。2011年，英国谢菲尔德大学的DANIEL等人[37]报道了采用InGaAs/GaAsSb T2SL作为吸收层，InAlAs为倍增层的APD结构，其吸收截止波长为2.5μm，对于2μm入射光的响应度为0.47A/W，且击穿电压对温度不敏感。2013年，美国伊利诺伊大学的HUANG等人[38]进一步设计了一种双载流子高增益低噪声的InAs/GaSb T2SL结构，但只给出了该结构的性能仿真结果，未见相关实验结果报道。除此之外，锑化物T2SL中红外APD鲜见其他团队的报道。实际上在整个世界范围，该研究领域也尚处于刚刚起步的阶段，距离实际应用还有很大的距离；锑化物T2SL远红外APD则尚无人涉猎。
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锑化物T2SL材料由于其特殊的能带结构和优异的器件性能，在需求日益紧迫和广泛的中远红外探测领域具有极大的发展空间和应用前景。锑化物T2SL中远红外探测器材料结构和性能影响因素已经有了较为充分的研究，且在国际国内都实现了较大规模焦平面阵列的应用演示，但在针对中远红外波段微弱光雪崩探测方面还有很长的路要走。
锑化物Ⅱ类超晶格中远红外探测器的研究进展
Research progress on antimonide based type-Ⅱ superlattice mid- and long-infrared detectors
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摘要: 基于锑化物Ⅱ类超晶格结构的中远红外探测器，由于其优异的性能而受到广泛的关注和研究。综述了锑化物Ⅱ类超晶格中远红外探测器的探测机理、材料结构、器件性能和当前的应用情况，介绍了其在中远红外雪崩光电探测器领域的研究现状。锑化物Ⅱ类超晶格探测器的部分性能指标已接近、甚至超过了碲镉汞探测器，并在部分红外装备上得到了应用。而基于锑化物Ⅱ类超晶格的雪崩光电探测器件在中远红外弱光探测领域尚处于起步阶段，与碲镉汞探测器相比还有很大差距，但同时也呈现出了巨大的发展潜力。Abstract: Mid- and long-infrared detector based on antimonide type-Ⅱ superlattice has drawn extensive attention and research due to its excellent performance. The detection mechanism, material structure, device performance and current application of antimonide type-Ⅱ superlattice detectors are reviewed. Additionally, the research progress of type-Ⅱ superlattice in mid- and long-infrared avalanche photodiodes is also introduced. Some indicators of the antimonide type-Ⅱ superlattice detectors have approached, or even exceeded those of the HgCdTe detectors. Such superlattice detectors have been applied in some infrared equipment. Avalanche photodetectors based on antimonide type-Ⅱ superlattice are still in their infancy in the field of mid- and long-infrared week light detection. On the other hand, they show great development potential when compared with HgCdTe avalanche detectors.
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Key words:
- detectors /
- antimonide /
- type-Ⅱ superlattice /
- mid- and long-infrared /
- avalanche photodiodes
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图 7 美国西北大学制备的基于NBN结构的向短波红外扩展响应的320×256阵列规模的锑化物T2SL焦平面探测器在不同工作温度下的成像效果图[28]
a—100K b—200K c—300K
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