中紅外探測技術(shù)作為一種重要的被動探測手段，在各個領(lǐng)域都有著非常重要的作用。高性能的制冷型紅外探測器材料主要包括HgCdTe（MCT）、InSb體材料、Sb化物II類超晶格和量子阱探測器等。Sb化物II類超晶格材料同時具有俄歇復合率低、電子有效質(zhì)量大、材料均勻性好等特點，InAs/GaSb超晶格是最早研究的II類超晶格結(jié)構(gòu)，基于該結(jié)構(gòu)的Sb化物焦平面性能迅速提升，已接近或超過MCT和InSb探測器。

其中，以InAs/InAsSb超晶格材料為基礎(chǔ)的無Ga型Sb化物II類超晶格探測器，由于去除了Ga原子的缺陷，具有更高的少子壽命，有利于提高探測器性能。此外，使用光子晶體結(jié)構(gòu)，進行表面光學性能調(diào)控，可以提高器件的響應度，從而降低材料吸收區(qū)厚度，降低器件暗電流。暗電流的降低和響應度的提升，進一步優(yōu)化了探測器的性能，進而提高器件工作溫度，進一步降低探測系統(tǒng)的體積、重量和功耗。研究表明：使用光子晶體結(jié)構(gòu)可以在不改變外延材料結(jié)構(gòu)的前提下，提高器件量子效率，實現(xiàn)響應光譜的展寬，在實際應用中具有重要的意義。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，中國科學院大學半導體研究所牛智川研究員、吳東海研究員課題組在《紅外與激光工程》期刊上發(fā)表了以“高性能銻化物超晶格中紅外探測器研究進展”為主題的綜述文章。通訊作者為吳東海研究員，吳東海研究員主要從事銻化物半導體低維材料和紅外光電器件方面的研究工作。

這項研究綜述和討論了InAs/InAsSb 超晶格探測器和光子晶體結(jié)構(gòu)探測器材料生長、結(jié)構(gòu)設計的主要技術(shù)問題，詳細介紹了兩種提高中紅外探測器性能的方案及國內(nèi)外的研究進展。

各研究機構(gòu)報道的無Ga型II超晶格、HgCdTe、InAs/GaSb二類超晶格及其他III-V族紅外探測器在77K溫度時的少數(shù)載流子壽命

InAs/GaSb超晶格中存在著嚴重的SRH復合，研究發(fā)現(xiàn)，與Ga有關(guān)的本征缺陷在禁帶中心附近引入了缺陷能級形成的復合中心是導致SRH機制主要原因，因此，無Ga型的InAs/InAsSb超晶格結(jié)構(gòu)被提出。與更成熟的InAs/GaSb II類超晶格相比，InAs/InAsSb II類超晶格生長相對容易。

InAs/InAsSb II類超晶格紅外探測器通常使用nBn型器件結(jié)構(gòu)。但是，在nBn勢壘結(jié)構(gòu)設計中，為了抑制擴散電流，會有意對n型接觸層進行重摻雜，同時吸收層保持在低摻雜水平，這將導致吸收層和接觸層之間的費米能級不同，出現(xiàn)一個空穴壘，導致探測器光響應的偏壓依賴性，降低探測器性能。而p+-B-n勢壘結(jié)構(gòu)，采用AlAsSb/InAsSb超晶格勢壘，解決了探測器光響應的偏壓依賴性問題。

能帶結(jié)構(gòu)示意圖：(a) InAs/InAs0.45Sb0.55吸收區(qū)能帶結(jié)構(gòu)；(b) AlAs0.45Sb0.55/InAs0.45Sb0.55勢壘層能帶結(jié)構(gòu)；(c) p+-B-n器件能帶結(jié)構(gòu)示意圖

除了采用能帶調(diào)控方法提高Sb化物紅外探測器性能之外，光學調(diào)控也是非常有效的一種方法。光學調(diào)控通常采用表面微納結(jié)構(gòu)，如光子晶體、陷光結(jié)構(gòu)、表面等離子體增強等，調(diào)控入射光的空間分布。通過在紅外探測器表面制備表面微納結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)器件對紅外光的吸收和響應譜變化。

不同的光學結(jié)構(gòu)設計：(a) 金光子晶體結(jié)構(gòu)；(b) 納米天線結(jié)構(gòu)；(c) 沉積型Ge金屬光柵結(jié)構(gòu)

InAs/InAsSb超晶格紅外探測器研究在短短幾年時間內(nèi)取得的快速進展，充分說明了InAs/InAsSb超晶格在實現(xiàn)高溫工作探測器方面具有的發(fā)展?jié)摿Γ浞职l(fā)揮該材料體系的優(yōu)越性能仍然面臨很大的技術(shù)挑戰(zhàn)，例如：如何進一步提高InAs/InAsSb超晶格材料的吸收系數(shù)，如何向短波方向拓展該材料體系的截止波長以及如何發(fā)展有效可靠的器件鈍化技術(shù)等等。

未來InAs/InAsSb超晶格紅外探測器仍具備較大的發(fā)展空間，包括：設計勢壘型探測器結(jié)構(gòu)，抑制探測器暗電流，進一步提高探測器工作溫度；通過在器件表面制備微結(jié)構(gòu)，提高器件的吸收效率；發(fā)展新型表面鈍化技術(shù)，例如ALD沉積Al2O3材料等，抑制探測器表面漏電流等等。隨著新型器件結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新、材料生長技術(shù)的優(yōu)化和器件制備工藝的完善，相信Sb化物II類超晶格探測器性能將得到提高和穩(wěn)定，在更多的應用領(lǐng)域展現(xiàn)其優(yōu)異的性能。

該項目獲得科技部重點研發(fā)計劃（2018YFA0209104，2019YFA070104）的支持。該研究第一作者為中國科學院大學半導體研究所助理研究員郝宏玥，主要從事銻化物半導體紅外光電探測芯片方面的研究。

審核編輯 ：李倩