中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
InSb單晶是制備工作于中波紅外大氣窗口(3~5μm)光子型探測器的典型光電轉換材料，采用該單晶材料所制備的InSb紅外探測器以高性能、大規格像元陣列、高穩定性和相對低成本為特點(diǎn)，廣泛應用于軍用紅外系統和高端民用紅外系統領(lǐng)域。然而，InSb紅外探測器響應波長(cháng)范圍固定不可調節、響應僅限于短中波紅外而對長(cháng)波紅外無(wú)響應、相對有限的載流子壽命制約器件高溫工作性能等固有特點(diǎn)，限制了該型探測器在工程中的廣泛應用。
InSb的晶體結構
中國空空導彈研究院司俊杰研究員在《紅外與激光工程》期刊上發(fā)表了以“基于InSb的新型紅外探測器材料”為主題的文章。司俊杰研究員主要從事紅外探測器材料與器件的研究工作。
這項研究系統地介紹了基于InSb材料人們?yōu)楦倪M(jìn)不足所開(kāi)展的新型材料及其光電響應方面的研究結果。這些材料主要包括：采用合金化方法改變InSb組分形成新型多元合金材料、采用量子結構形成新型低維探測材料。對于新型合金材料，介紹了材料的合金相圖、帶隙與合金組分的關(guān)系、帶隙的溫度關(guān)聯(lián)特性，并給出采用該材料制備器件的典型光電性能；對于量子結構材料，介紹了材料的制備方法、帶隙與量子尺寸的關(guān)系，以及采用該材料制備原型器件的典型光響應特性。最后，對新型InSb 基紅外探測材料與器件的發(fā)展趨勢、關(guān)鍵問(wèn)題、研究重點(diǎn)進(jìn)行了探討。
InSb自組裝量子點(diǎn)勢壘型探測器。左為QD-BIRD結構示意圖；
右上為QD-BIRD光吸收區能帶圖；右下為QD-BIRD吸收區中InSb量子點(diǎn)層區域的能帶圖細節
基于InSb的新型紅外探測材料，無(wú)論是采用InSb基三元或四元新型合金、還是采用量子結構的新型InSb低維探測材料，正在得到紅外界的廣泛關(guān)注。利用III-V族材料離子型鍵合強度大導致的結構穩定、InSb紅外探測器制備工藝成熟、InSb基材料合金化后光響應波段拓展至長(cháng)波紅外范圍等優(yōu)點(diǎn)，新型InSb基紅外探測材料將更多地應用于高性能紅外探測器制備。
InSb基多元合金材料中，InAs1?xSbx無(wú)疑具有突出的重要地位。一是因為其薄膜勢壘型器件可實(shí)現高工作溫度，滿(mǎn)足紅外成像系統低SWaP(尺寸、質(zhì)量和功耗)要求；且對于某些特定應用場(chǎng)合如氣體探測，其響應波段相對InSb 探測器具有更好的針對性；二是因為當其與InAs組成二類(lèi)超晶格(T2SL) InAs/InAs1?xSbx結構作為光電轉換層時(shí)，由于無(wú)Ga元素，理論預測探測器的光生載流子壽命可以更長(cháng)。已驗證了該T2SL結構材料在短波、中波、長(cháng)波和甚長(cháng)波紅外領(lǐng)域的紅外探測性能。預期InAs1?xSbx在已實(shí)現薄膜勢壘型器件商業(yè)應用基礎上，T2SL型紅外探測器隨著(zhù)材料及器件技術(shù)的進(jìn)一步研究，將在紅外系統應用中發(fā)揮更大作用。
該研究展望，要充分開(kāi)發(fā)并發(fā)揮出新型InSb基紅外材料的優(yōu)良性能，進(jìn)一步研究重點(diǎn)將集中于：(1) 提升InSb基紅外探測材料的載流子壽命，特別是減少材料中肖克萊-里德(S-R)復合中心密度。(2) InSb材料和III-V族半金屬化和物的固溶性特性研究，從晶體生長(cháng)熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)方面改善晶體質(zhì)量，提高InSb基多元合金晶體薄膜生長(cháng)技術(shù)。(3) InSb基新型紅外材料的能帶結構研究，明確不同合金組分、不同合金材料相互之間的能帶差異特點(diǎn)，特別是帶邊偏移特性。(4) 膠體InSb量子點(diǎn)的制備和光電轉換性能的研究。(5) InSb基新型紅外材料鈍化技術(shù)、輻射吸收耦合技術(shù)研究。
