锑基_类超晶格红外探测器_第三代红外探测器的最佳选择_史衍丽

〈综述与评论〉

锑基Ⅱ类超晶格红外探测器——第三代红外探测器的最佳选择

史衍丽

（昆明物理研究所，云南昆明 650223）

摘要：以多色、大面阵、高性能、低成本为特征的第三代红外探测器是当前红外探测器的发展方向及目标。InAs/GaInSbⅡ类超晶格探测器因为独特的断代能带结构以及自身存在的材料和器件优势，在大面阵长波红外探测器、高温中波红外探测器、中波双色探测器以及甚长波红外探测器领域显示出优异的器件性能和技术成熟性，成为第三代红外探测器技术的最佳选择之一，在世界各国引起了高度的重视和发展。就InAs/GaInSbⅡ类超晶格材料的优越性、存在的问题及近期的发展状况进行了介绍，旨在促进我国InAs/GaInSbⅡ类超晶格技术的发展。

关键词：第三代红外探测器；InAs/GaInSbⅡ类超晶格；断代能带结构；低维红外探测器

中图分类号：TN215 文献标识码：A 文章编号：1001-8891(2011)11-0621-04

Type-II InAs/GaInSb Superlattices Infrared Detectors-one of

the Best Choices as the Third Generation Infrared Detectors

SHI Yan-li

(Kunming Institute of Physics, Kunming 650223, China)

Abstract：The Third-Generation infrared detectors characterized as multicolor, large array, high performance and low cost have become the development goal of the infrared detectors. InAs/GaInSb Type-II infrared materials has special broken band structure and materials merits, furthermore, the materials has been widely applied in the area of large array long wavelength infrared detectors、high temperature mid-wavelength infrared detectors、middle wavelength dual-band infrared detectors and ultra-long wavelength infrared detectors. The superior devices performance with high detectivity and excellent uniformity verified the technology superiority and maturity. It has become one of the best choices as the Third-Generation infrared detectors in the world. In this paper the material advantages, the technique issues and development status has been introduced in order to advance the development of InAs/GaInSb type-Ⅱ technology in our country.

Key words：the Third-Generation infrared detectors，InAs/GaInSb Type-II superlattices，broken band structure，low-dimension infrared detectors

引言

红外探测器在经历了扫描型的第一代红外探测器、小规模凝视阵列的二代红外探测器的发展，在20世纪90年代提出了对第三代红外探测器的发展需求。关于第三代红外探测器至今世界上还没有明确的定义，但主要的内容包含三方面[1]：

1）高性能、高分辨力具有多波段探测的制冷焦平面；

2）中等性能或高性能的非制冷焦平面；

3）成本非常低的非制冷焦平面。

与第二代红外探测器相比，第三代红外探测器更加强调多色探测，以及高性能、低成本。目前二代红外探测器在f＝2的条件下，噪声等效温差（NETD）大约是20～30mK，第三代红外探测器的发展目标是提高NETD到1mK。这对应着在材料体系选择、器件结构设计、读出电路设计、器件工艺技术等方面需要进一步地改进和提高。

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622 目前在国际上作为第三代红外探测器的材料以

及器件选择，主要包括碲镉汞、量子阱、二类超晶格红外探测器以及非制冷红外探测器。与传统的碲镉汞红外探测器材料相比，以量子阱、超晶格为代表的低维红外探测材料生长技术成熟，能够生长大面积均匀的材料以及多个波段探测的叠层材料，特别适于制备多色探测、大面阵探测器；另外，器件工艺成熟稳定、器件性能好、产业化优势明显，成为国际公认的新一代优质红外探测材料[2,3]。

1 材料的优越性

InAs/GaInSbⅡ类超晶格红外探测材料具有独有的断代能带结构，如图1所示，GaSb价带比InAs材料的导带还高，导致的结果是在实空间分离的InAs、GaSb层分别形成了导带势阱、价带势阱，电子和空穴被分别限制在InAs、GaSb层。另外一方面，电子有效质量轻，电子波函数通过势垒层的交叠，形成了微带结构。在外界红外辐射作用下引起的载流子的跃迁属于带间跃迁。这种特殊的能带结构使Ⅱ类超晶格材料具有以下优点：

1）带间跃迁，可以吸收正入射，量子效率高；

2）通过调节应变及其能带结构，使重轻空穴分离大，降低了俄歇复合及有关的暗电流，焦平面工作温度提高；

图1 Ⅱ类超晶格“断代”能带结构

Fig.1 Broken band energy structure of type-II superlattices

3）电子有效质量大，是碲镉汞的三倍（对于二类超晶格，电子质量m e≈0.03m0；对于碲镉汞，电子质量m e≈0.01 m0），隧穿电流小，可获得高的探测率，尤其在超长波；

4）带隙可调，响应波长从短波到30μm可调，可制备短波、中波、长波、超长波、双色及多色器件；

5）基于Ⅲ-Ⅴ材料生长技术，大面积材料均匀性好、成本低。利用MBE进行材料生长，具有很高的设计自由度，掺杂容易控制，没有合金涨落、簇状缺陷，焦平面探测器均匀性好。

相比常规量子阱探测器，InAs/GaInSbⅡ类超晶格探测器的优点在于能够吸收正入射，具有高的量子效率，允许短的积分时间（1～2ms）和高的帧频操作。相比于碲镉汞探测器，共同点在于相近的吸收系数、截止波段从短波到超长波连续可调，允许光伏器件模式操作。优越性在于降低了俄歇复合及漏电流，提高了探测器性能，工作温度高。理论计算表明，由焦耳热限制的探测率InAs/GaInSbⅡ类超晶格比碲镉汞高[4]，如图2所示。图中分别采用红色和黑色的实线、折线表示碲镉汞和Ⅱ类超晶格在低温78K、40K的探测率理论计算结果。在相同的工作温度下，Ⅱ类超晶格的器件性能在超长波部分远远好于碲镉汞。图中同时也给出了德国IAF、美国西北大学、美国海军实验室、TSI等报道的探测率实际测试结果，在截止波长10μm处、温度78K下探测率平均值大于1×1011 cmHz1/2W－1。实测结果与理论计算值相比，尚有1～2个量级的差异，说明目前Ⅱ类超晶格红外探测器在材料设计、材料生长及器件工艺等方面还有待进一步完善，器件性能还有进一步提升的空间。

图2 Ⅱ类超晶格和碲镉汞探测器理论计算和实际测试的探测率对比

Fig.2 Comparison of theoretically calculated and experimentally measured results for type-II superlattices and HgCdTe infrared detectors