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新型材料結構的設計是提高紅外探測器性能的有效途徑。銻基Ⅱ類(lèi)超晶格InAs/InAsSb作為紅外光敏材料時(shí)結構穩定，且具有低暗電流、高溫工作特性以及優(yōu)越的光電轉化效率，是研制高溫工作紅外探測器的理想材料。

近期，陜西理工大學(xué)機械工程學(xué)院葉偉副教授課題組在《激光與光電子學(xué)進(jìn)展》期刊上發(fā)表了以“銻基Ⅱ類(lèi)超晶格InAs/InAsSb紅外探測器的研究進(jìn)展”為主題的綜述文章。葉偉副教授主要從事新能源材料與器件的研究工作，研究方向為功能材料與器件（光、電子器件）、儲能材料與器件（電池、電容器）、傳感器、固體潤滑、材料表面改性、真空設備等。

這項研究綜述了基于銻化物Ⅱ類(lèi)超晶格InAs/InAsSb的研究進(jìn)展，介紹了現階段應用在典型單極勢壘結構中的兩種紅外探測器性能，并對銻化物Ⅱ類(lèi)超晶格InAs/InAsSb探測器的發(fā)展進(jìn)行展望。

銻化物InAs/InAsSbⅡ型超晶格（T2SL）的研究進(jìn)展

在半導體超晶格材料體系中，基于Ⅲ-V族半導體的超晶格材料是人們的研究熱點(diǎn)，其帶隙在0.1~1.7eV之間，可作為紅外波段光電子器件的材料，也可應用在工業(yè)檢測、監控、測溫、醫學(xué)以及光電搜索、偵探、氣象衛星和氣候監測等方面。

InAsSb、InAlSb制備探測器的工藝相對簡(jiǎn)單、成本較低，是高溫工作紅外探測器領(lǐng)域的重要材料。InAsSb材料具有Ⅲ-V族半導體中最小的帶隙，但InAs1?xSbx材料的能量并沒(méi)有完全控制在中等成分范圍內，因此，InAsSb在較低溫度（77K）和8~14μm波長(cháng)范圍內工作時(shí)沒(méi)有足夠小的帶隙。為了解決上述問(wèn)題，人們設計出一種新的Ⅲ-V族InAs/InAsSb T2SL結構。該結構由若干交錯的薄晶體層組成，通過(guò)Ⅱ類(lèi)能帶排列，T2SL的有效能帶比單個(gè)材料組成的結構更窄，可以保持晶格匹配或應變平衡條件，從而實(shí)現窄帶隙目的。在中波紅外（MWIR）和長(cháng)波紅外（LWIR）探測器中用InAs/InAsSb T2SL作為吸收層時(shí)，可使探測器表現出優(yōu)異的工作性能。

圖1 InAs和InAsSb的能帶對齊示意圖：（a）低Sb組分和有序排列的InAs1?xSbx超晶格結構；

（b）生長(cháng)在InAs襯底上的InAs/InAs0. 93Sb0. 07結構；（c）兩個(gè)躍遷的質(zhì)量降低結果。

將Ga原子引入InAs層中，可改善材料的吸收效率和光學(xué)性能，形成InGaAs/InAsSb T2SL結構。InGaAs/InAsSb T2SL是一種新型本征吸收窄禁帶半導體材料，生長(cháng)在晶格匹配的InP或GaSb襯底上，具有靈活的設計空間，可實(shí)現整個(gè)紅外波段內響應光譜的調節。此外，研究人員還提出一類(lèi)新的銻化物，即Ⅱ類(lèi)四元合金超晶格結構材料，進(jìn)一步完善了超晶格材料體系。

銻化物InAs/InAsSb T2SL應用的典型勢壘結構

InAs/InAsSb T2SL紅外探測器的結構主要有PIN光電二極管和勢壘結構光電探測器。PIN光電二極管主要由P型、無(wú)意摻雜I層和N型半導體材料組成。勢壘光電探測器包括NBN結構、PBN結構、p-π-M-n結構、pMp結構等。為了減小器件的暗電流，人們提出了不同類(lèi)型勢壘結構的探測器。對于Ⅲ-V族半導體化合物，可根據實(shí)際目的設計出符合需要的材料結構，以抑制擴散、帶間隧穿和復合電流的產(chǎn)生。

圖2 器件的結構示意圖：（a）NBN結構探測器；（b）理想NBN結構在反偏壓下的能帶圖。

圖3 器件結構示意圖：（a）P+-N-N+結構探測器；（b）PBN結構探測器；（c）雙勢壘PBN結構探測器。

圖4 器件的能帶結構示意圖：（a）PBP結構；（b）CBIRD結構。

銻化物InAs/InAsSb T2SL作為紅外探測器高溫工作下的理想材料，在不同應用領(lǐng)域中將會(huì )有許多關(guān)鍵的挑戰。近年來(lái)，人們對Ⅲ-V族材料外延生長(cháng)理論和工藝的研究使T2SL技術(shù)有了顯著(zhù)的進(jìn)展。此外，InAs/InAsSb超晶格的提出，避免了引入Ga后在禁帶中產(chǎn)生復合中心，有效提高了少數載流子壽命，且隨著(zhù)Ⅱ超晶格技術(shù)及理論的不斷完善，銻化物超晶格紅外波焦平面技術(shù)在可操作性、均勻性、穩定性以及可擴展性上的優(yōu)勢將更明顯?；阡R化物Ⅱ類(lèi)超晶格InAs/InAsSb的雪崩探測器（APD）目前尚處于探索階段，但具有一定的發(fā)展潛力，該研究對基于銻化物第三代向第四代紅外探測器的發(fā)展具有重要研究意義和實(shí)用價(jià)值。

該項目獲得了陜西省教育廳專(zhuān)項科學(xué)研究計劃（No.17JK0144, No.18JK0151）和陜西理工大學(xué)人才啟動(dòng)項目（No.SLGQD2017-19）的支持。