高性能锑化物超晶格中红外探测器研究进展.docx

0. 引　言

红外探测技术具有无源探测、抗干扰能力强等特点，在各个领域有着极其重要的应

用。其中，3~5 μm 中红外波段是一个非常重要的大气窗口，在公共场所成像测温、森林火

灾预警、医疗诊断、天文观测、夜视安防以及预警与跟踪等领域有着重要应用，成为当今

世界各国竞相发展的重要技术。

高性能的制冷型红外探测器材料主要包括 HgCdTe（MCT）

[1]

、InSb 体材料

[2]

、Sb 化

物 II 类超晶格和量子阱探测器等。II-VI 族半导体 HgCdTe 是目前性能最优的红外探测器

材料。在几乎晶格匹配的 CdZnTe 衬底上生长的 HgCdTe 探测器可以实现 1~15 μm 连续截

异质结构建的 II 类超晶格材料，可以充分利用其晶格匹配的条件，灵活设计其能带结构，

使器件的响应光谱覆盖整个红外波段范围。Sb 化物 II 类超晶格材料同时具有俄歇复合率

低、电子有效质量大、材料均匀性好等特点

[4]

超晶格结构，基于该结构的 Sb 化物焦平面性能迅速提升，已接近或超过 MCT 和 InSb 探

测器。然而，传统的 InAs/GaSb 超晶格材料少数载流子寿命较短，限制了器件性能的进一

步提升。近年来，研究人员将目光转向了无 Ga 型的 InAs/InAsSb 超晶格材料，

InAs/InAsSb 超晶格结构避免了 Ga 原子带来的自身缺陷，具有更长的载流子寿命。因此，

InAs/InAsSb 超晶格材料是高工作温度中波红外探测器的理想解决方案之一。

提高红外探测器工作温度的关键在于降低器件的暗电流、提高器件的量子效率。研究

进展。

1. InAs/InAsSb 中波高温红外探测器

1.1 概述

目前的研究结果表明，中波和长波 InAs/GaSb 超晶格焦平面在不高于 150 K 和 70 K

的温度下，其 NEDT 与 HgCdTe 焦平面接近。然而，受制于 InAs/GaSb 超晶格材料中极低

的少子寿命，其性能并未接近理论极限。具体来说，InAs/GaSb 超晶格中存在着严重的

SRH 复合，复合中心的能级越接近禁带中央时，SRH 复合几率越大。研究发现，与 Ga 有

关的本征缺陷在禁带中心附近引入了缺陷能级形成的复合中心是导致 SRH 机制主要原因。

于是，无 Ga 型的 InAs/InAsSb 超晶格结构被提出

族红外探测器在 77 K 温度时的少数载流子寿命

[9]

Fig. 1 Summary of the most reported data of minority carrier lifetimes at 77 K for Ga-free T2 SL,

InAs/GaSb T2 SL, HgCdTe/MCT, and other binary and ternary III–V material systems

[9]

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与 InAs/GaSb II 类超晶格材料相似，InAs/InAsSb 通过改变超晶格的周期厚度以及

InAsSb 中的 Sb 元素组分，实现器件截止波长的改变。对于固定截止波长的 InAs/InAsSb 材

料，通过 InAsSb 层的压应变补偿 InAs 层张应变的方法，实现晶格的应变平衡。然而，在

长波红外材料领域，InAs/InAsSb 材料长波吸收效率更低、空穴迁移限制更高，因此

InAs/InAsSb 材料在长波材料应用领域优势并不明显

[10]

。

与更成熟的 InAs/GaSb II 类超晶格相比，InAs/InAsSb II 类超晶格生长相对容易。图 2

展示了 InAs/GaSb II 类超晶格和 InAs/InAsSb II 类超晶格生长中使用的分子束外延(MBE)快

门序列。原则上，InAs/InAsSb II 类超晶格的生长只涉及打开和关闭 Sb 快门，In 和 As 快