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類超晶格InAs/InAsSb作為紅外光敏材料時結構穩定，且具有低暗電流、高溫工作特性以及優越的光電轉化效率，是研制高溫工作紅外探測器的理想材料。

據麥姆斯咨詢報道，近期，陜西理工大學機械工程學院葉偉副教授課題組在《激光與光電子學進展》期刊上發表了以“銻基Ⅱ類超晶格InAs/InAsSb紅外探測器的研究進展”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類超晶格InAs/InAsSb的研究進展，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類超晶格InAs/InAsSb探測器的發展進行展望。

銻化物InAs/InAsSbⅡ型超晶格（T2SL）的研究進展

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，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，也可應用在工業檢測、監控、測溫、醫學以及光電搜索、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單、成本較低，是高溫工作紅外探測器領域的重要材料。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波長范圍內工作時沒有足夠小的帶隙。為了解決上述問題，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Ⅱ類能帶排列，T2SL的有效能帶比單個材料組成的結構更窄，可以保持晶格匹配或應變平衡條件，從而實現窄帶隙目的。在中波紅外（MWIR）和長波紅外（LWIR）探測器中用InAs/InAsSb T2SL作為吸收層時，可使探測器表現出優異的工作性能。

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）生長在InAs襯底上的InAs/InAs0. 93Sb0.07結構；（c）兩個躍遷的質量降低結果。

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，生長在晶格匹配的InP或GaSb襯底上，具有靈活的設計空間，可實現整個紅外波段內響應光譜的調節。此外，研究人員還提出一類新的銻化物，即Ⅱ類四元合金超晶格結構材料，進一步完善了超晶格材料體系。

銻化物InAs/InAsSbT2SL應用的典型勢壘結構

InAs/InAsSbT2SL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，人們提出了不同類型勢壘結構的探測器。對于Ⅲ-V族半導體化合物，可根據實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，在不同應用領域中將會有許多關鍵的挑戰。近年來，人們對Ⅲ-V族材料外延生長理論和工藝的研究使T2SL技術有了顯著的進展。此外，InAs/InAsSb超晶格的提出，避免了引入Ga后在禁帶中產生復合中心，有效提高了少數載流子壽命，且隨著Ⅱ超晶格技術及理論的不斷完善，銻化物超晶格紅外波焦平面技術在可操作性、均勻性、穩定性以及可擴展性上的優勢將更明顯。基于銻化物Ⅱ類超晶格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展具有重要研究意義和實用價值。

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

審核編輯 ：李倩