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基于InSb的新型红外探测器材料.docx
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基于InSb的新型红外探测器材料.docx
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0. 引 言
InSb 单晶材料是人们早期就认识、研究的半导体材料之一
[1-2]
,也是较早用于制备红
外探测器的材料。第一个实用光伏型红外探测器的光敏介质就是 InSb 材料。
InSb 晶体是典型的 III-V 族窄带隙半导体材料,具有独特的物理性质。其物理化学性
能稳定,相对其他 III-V 材料易于生长出位错密度小、晶格完整性高的高质量单晶晶体材
料。室温下 InSb 单晶禁带宽度是已知二元半导体体单晶材料中带隙最小的,对应红外探测
截止波长可达 7 μm;低温下(液氮温度)禁带宽度对应的红外探测截止波长约 5.5 μm,覆
盖了中波红外大气窗口。InSb 单晶材料还具有极高的电子迁移率,室温下达
7.8×10
4
cm
2
/(V·s),电子弹道输运长度室温下达 0.7 μm,是 Si 单晶的 60 倍,GaAs 单晶的
10 倍。InSb 具有低的电子有效质量和电磁场下的快速响应,使其还广泛用于制造霍尔器件
和高速电子器件。
高性能的 InSb 探测器以其高灵敏特性、高像元稳定性、易于制备大规格、大尺寸像
元阵列,以及高的性价比和可制造性特点,广泛应用于高端红外探测系统。特别是在国防
军事和空间探测领域中,InSb 探测器有着众多应用实例,已有超过 50 年的应用历史,如
红外热成像相机、前视红外系统、红外制导武器系统、红外天文观测系统等。一个最有名
的、也是最成功的案例是美军现役响尾蛇系列空空导弹及其派生的防空导弹均采用 InSb 红
外探测器进行目标探测。
进入 21 世纪特别是近 10 年来,最有意义的红外技术进展就是大规格及高工作温度
(HOT)型 InSb 基红外凝视型焦平面阵列器件的开发和应用
[3-4]
。将大规格(高清分辨率
格式) InSb 基红外探测阵列芯片与大规模 Si CMOS 型读出电路阵列芯片混成,得到红外
高分辨率成像器件;结合材料设计和探测器器件结构设计,还实现了如 nBn 型高工作温度
(超过 150 K)红外焦平面阵列探测器件。
尽管作为红外探测材料的 InSb 单晶有晶体质量高(位错密度≤100 cm
−2
)、材料稳定
性好、能带结构组成清晰,参数明确的优点,实现了大尺寸晶圆批量生产和大阵列规模成
像型器件批产制备,且 InSb 红外探测器生产工艺成熟、器件具有高可靠性工作特点,但相
较于另一种得到广泛研究和应用、现占据相对主导地位的红外探测器材料碲镉汞
(HgCdTe)而言,InSb 单晶也有其局限之处
[5]
。主要表现在由于禁带宽度一定,InSb 红
外探测器响应波长范围固定不可调节,响应仅限于短、中波红外而对长波红外无响应;另
外,受缺陷相关的复合中心影响,光生载流子寿命相对较小,制约了 InSb 探测器的高温工
作性能。这些基于材料的固有特点束缚了 InSb 探测器工程应用中的可适用性和灵活性。
文中将介绍为改进 InSb 红外探测器禁带宽度不可调、不能响应长波红外的不足,以
及为提高 InSb 材料的光电响应特性,针对 InSb 材料所开展的研究进展。研究主要体现在
采用掺杂方法改变 InSb 组分,形成多元新型合金材料,以及采用量子结构形成 InSb 低维
![](https://csdnimg.cn/release/download_crawler_static/87292677/bg2.jpg)
量子结构材料,介绍这些新颖探测材料的红外响应性能,并展望这些新颖 InSb 基红外探测
材料的发展趋势和研究重点。
1. InSb 材料特性
InSb 是由 III 族元素铟(In)和 V 族元素锑(Sb)依 1∶1 化学计量比形成的 III-V 族
二元金属间化合物。其晶体结构为闪锌矿结构,In-Sb 键夹角为 109°,最近临键长为 2.85
Å(1 Å=0.1 nm)。InSb 晶体结构对称性为 Td 对称,所属空间群为 F43 m,300 K 时其立方单
胞边长为 6.4793 Å。InSb 晶体原子结构示意图如图 1 所示。
图 1 InSb 的晶体结构
Fig. 1 Crystal structure of InSb
下载: 全尺寸图片 幻灯片
具有上述闪锌矿结构的 InSb 在 k 空间表现为体心立方结构,其布里渊区(Brillouin
zone)为截角八面体,该 14 面体结构如图 2 (a)所示。1957 年,Kane
[6]
采用 kp 微扰法,预
测了 InSb 导带为高度非抛物线形,价带类似 Ge 价带。理论预期的光吸收结果同实验数据
![](https://csdnimg.cn/release/download_crawler_static/87292677/bg3.jpg)
相一致,验证了 InSb 能带结构的准确性。图 2 (b)显示了 InSb 的能带结构,呈现出典型 III-
V 族材料特点
[7]
。
图 2 InSb 晶体布里渊区(a)及能带结构(b) (由经验赝势法计算得,未考虑自旋-轨道相互
作用)
Fig. 2 Brillouin zone (a) and band structure (b) of InSb crystal (calculated by empirical
pseudopotential method without spin-orbit coupling)
下载: 全尺寸图片 幻灯片
尽管在 Brillouin 区 L 点、X 点存在另外的电子能谷,InSb 材料在 300~77 K 温度范围
内,保持直接带隙特点。InSb 的带隙宽度为所有 III-V 族二元化合物半导体中最小的。室
温 300 K 时,带隙为 172 meV;液氮温度 77 K 下,带隙为 232 meV;0 K 时,带隙为 235
meV。图 3 给出 300 K 时 InSb 各能谷的带隙值和导带、价带形状
[8]
。直接带隙特点使得
InSb 作为红外探测材料时,由红外截止波长直至可见波段,都保持了相当高的光吸收量子
效率。
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图 4 InSb 晶体禁带宽度与温度关系曲线
Fig. 4 Band gap of InSb crystal variation with temperature
下载: 全尺寸图片 幻灯片
Varshini
[10]
指出,带隙 E
g
和温度的关系遵循:
Eg=Eg0−αT2(T+β)Eg=Eg0−αT2(T+β)
(1)
式中:E
g0
为 0 K 时的带隙;α,β 为材料的相关常数;对 InSb 材料,
α=2.750×10
−4
eV/K,β=136 K,E
g0
=0.235 eV。
InSb 禁带宽度随掺杂的类型和浓度的不同呈现出不同的变化。当掺杂浓度较低时,禁
带宽度不呈现随掺杂不同的显性变化。当掺杂水平提高,InSb 的浅施主和受主态提供载流
子,通常情况下,禁带宽度随掺杂浓度提高而减小。能隙的改变及对费米能级的影响随浓
度的不同而不同,见图 5
[11]
。
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