高工作温度锑化物红外探测器研究进展

周 静,郝瑞亭,潘新昌,张龙刚,郭 猛,宋佩佩

(1.云南师范大学物理与电子信息学院,云南 昆明 650500；2.云南师范大学能源与环境科学学院,云南 昆明650500)

1 引 言

近年来,因红外探测技术发展迅速,各领域对红外探测器的需求也变得多种多样,追求器件高性能的同时保持高工作温度一直都是科研人员追求的目标。用于红外探测的材料主要有InSb、HgCdTe、多量子阱和锑化物II类超晶格,大多数HgCdTe、InSb红外探测器工作温度都是在77 K。如果提高器件的工作温度,暗电流会呈指数增加,而暗电流的增大将会导致红外探测器的性能严重下降[1]。为了让器件保持77 K的工作温度条件下,需要配备大功率制冷机,这样不仅导致系统体积大、功耗高、寿命受限等问题,还会带来诸多的使用不便[2]。已有研究表明,探测器的工作温度如果能够提高20 %～30 %,系统的寿命将会延长50 %～150 %。

目前,锑化物因其特殊的材料及器件结构,还具有低成本、大面积、均匀性好等优点,已成为制备高温工作红外探测器的最佳选择之一。本文从锑化物材料基本性质出发,综述了高工作温度锑化物红外探测器的研究进展。详细介绍了六种锑化物高温红外探测器,并展望了其未来的发展趋势。

2 锑化物材料基本性质

锑化物Ⅱ类超晶格材料最早由Esaki 等人在1977年提出[3]。该材料禁带宽度覆盖范围广、能带结构设计灵活、正入射且光吸收率高。如果选择的器件结构合适,不仅能抑制载流子的非辐射复合,而且还可以有效地提高器件的光电性能。然而,因GaSb材料中与Ga相关的本征缺陷在禁带中间引入了深缺陷能级,受到俄歇复合机制的影响,少数载流子的寿命非常低,使得锑化物Ⅱ类超晶格材料的优势在实际应用中并没有得到真正展现,器件性能与理论值有较大差距。

因此,研究人员提出了一种无Ga的材料体系,即InAs/InAsSb超晶格。这种无Ga超晶格的少数载流子寿命得到了大幅提高,暗电流有了显著降低。在此基础上,研究人员又提出InGaAs/InAsSb材料体系,将Ga元素加入到InAs层[4]。这种材料的红外吸收性能以及空穴迁移率都得到较大提升,器件性能更好。

2004年,高工作温度探测器的设想和概念被Ashley等人率先提出[5]。他们想要制备出具有较好性能的同时,还能在高温或是室温下正常工作的红外探测器。2015年,Kinch等人发现减小探测器的像元尺寸,不仅使红外成像系统的体积和功耗变小,工作温度还得以提高,很大程度地提升了系统在极端条件下工作的稳定性[6]。当然,器件能否在高温下工作,最主要的还是取决于探测器的结构以及暗电流大小。

近年来,锑化物在材料生长和理论模拟方面都取得了突破性进展。在这些基础上,研究人员研发了基于PIN、W、PΠMN、CBIRD、PBIBN、nBn型以及带间级联结构的红外探测器。通过改变器件结构,降低暗电流,实现提高红外探测器工作温度的目标。

3 高工作温度锑化物红外探测器研究进展

对于高温红外探测器,以色列Semiconductor Device(SCD)公司是最早开展此项研究的单位之一。20世纪90年代,SCD公司研究了离子注入型平面结工艺。后因工艺技术越来越成熟,开始朝着大面阵、小像元焦平面方向发展,最终制备出小尺寸,低功耗,重量轻与成本低的红外探测器[7]。2004年,SCD公司开始对InSb的外延成结技术进行研究,也就是将p型InSb外延到n型InSb衬底[7]。之后,于2008年提出 XBn和XBp势垒型器件结构,目的是抑制器件暗电流,从而提高器件的工作温度或灵敏度。其中,X是加偏置的电极层,B是势垒层,n或p是吸收层,nBn型器件的能带结构如图1所示。SCD公司把这个结构应用于InAsSb薄膜和InAs/GaSb II类超晶格材料中,nBn型InAsSb的结构如图2所示。此后,他们将研究重点放在nBn型 InAsSb 中波高温器件和高性能 pBp型InAs/GaSb II类超晶格长波器件上。

图1 nBn 型器件能带结构示意图

图2 nBn型InAsSb探测器的结构示意图

同时,国内包括中国科学院半导体所、上海技术物理所、重庆光电技术研究所和昆明物理研究所等也相继开展了高温红外探测器的研究。接下来将分别介绍InSb、InSb/InAlSb、Al掺杂InSb、InAsSb、InAs/GaSb以及带间级联高温红外探测器的研究情况。

3.1 InSb探测器

1954年,Weiss首次报导了InSb 材料[8]。它在3～5 μm波段有近百分之百的量子效率,同时还具有禁带宽度窄、电子有效质量小、电子迁移率高等优点,一直都是制备高性能中波红外探测器的首选材料[9]。2004年,SCD公司[7]通过分子束外延(MBE)技术制备出了InSb 薄膜材料,SRH复合中心减小,载流子寿命得以提高,器件的暗电流与普通器件相比减小了15倍,制备出了性能较好的640×510焦平面红外探测器。图3是640×510 InSb 焦平面红外探测器的热成像图,(a)、(b)分别为95 K 和 110 K 时的成像效果,可以发现110 K 时成像效果与95 K相比并无大的差异,说明器件性能保持不变的同时工作温度也提高了。但因InSb材料波长不可调,温度在77 K时,截止波长为5.5 μm；到110 K以上时,截止波长超过6 μm；而InSb材料在波长为3～5 μm处的光吸收性能好,如果波长太长不仅会造成工作波段的浪费,还会使器件的暗电流密度增大,很难制备出性能优良的InSb高温红外探测器,为解决这一问题,研究人员在此材料的基础上进行优化设计,制备出势垒型InSb高温红外探测器。

(a)95 K

3.2 InSb/InAlSb 探测器

1983年,White.A.M最先在文献中提出势垒型探测器。随后,Ashley[5]等人提出单极势垒层的pBn结构InSb 探测器。依靠势垒差去抑制载流子的产生-复合,减小暗电流的大小,工作温度可提高到100 K。同时,将InAlSb材料生长在InSb基片上,通过调节Al组分中的掺杂量来控制势垒的高度,器件的光电性能保持良好,工作温度从110 K提高到了130 K。

2014年,Evirgen[10]等人在成熟的InSb探测技术基础上,制备出nBn型InSb/InAlSb/InSb红外探测器,工作温度得到较大提升。然而,通过研究发现高Al组分异质结外延生长会出现晶格失配问题,为了解决这个问题他们使用50 μm的InAlSb作为势垒层,并将InSb作为吸收层,制备出两种nBn型结构的器件。其中,一种结构采用固定Al 的组分含量在20 %,吸收区掺杂浓度在1×1016cm-3量级。另一种是将Al的组分含量从15 % 慢慢的增长到35 %。在偏压为50 mV、温度在77 K条件下,器件的暗电流为10-9A/cm2,截止波长为5.4 μm,与前面提到77 K温度下的InSb探测器的截止波长相差不大。但因nBn结构在很大程度上降低了红外探测器的产生-复合电流,工作温度有望达到120 K。

同时,采用 MBE技术制备的这些特殊结构的InSb探测器,具有较小的暗电流、较好的温度稳定性、更宽的响应波段以及更简单的制备技术等优点[11],后来成为InSb红外焦平面探测器的重要发展方向。

3.3 Al掺杂InSb探测器

InSb/InAlSb红外探测器,是基于InSb探测器制备技术发展起来的。前面提到过,InSb探测器存在工作温度低、波长不可调的问题。因此,研究人员利用掺Al的方法,来调节InSb/InAlSb红外探测器的截止波长以及能带宽度。在InAlSb材料保留了InSb材料良好电学性能的同时阻挡多数载流子的扩散,降低器件的暗电流,从而提高器件的工作温度。由于In1-xAlxSb的能带宽度会随着Al组分发生线性变化,当Al组分增加1 % 时,能带宽度可增加18 meV左右,此时截止波长向短波方向移动。若掺杂组分增加到3 % 时,可将InSb的截止波长从5.5 μm 减小到4.4 μm,此时的InSb/InAlSb红外探测器的暗电流大小仅为InSb探测器的1/20,这样就大大地提高了器件的工作温度[12]。

2003年,英国QinetiQ公司研发出工作温度为130 K且性能良好的256×256元InSb/InAlSb红外焦平面探测器。如图4所示,(a)、(b)、(c)分别为工作温度在80 K、100 K、130 K下的成像效果。

图4 256×256InSb/InAlSb红外焦平面成像图

随后,SCD公司也成功研制出了像元尺寸为30 μm的256×320元InSb/InAlSb焦平面探测器[7]。如图5所示,(a)、(b)分别为工作温度时100 K和110 K下的红外焦平面成像效果图。在性能保持不变的情况下,InSb/InAlSb焦平面探测器与传统InSb焦平面探测器相比,工作温度提升到100 K。2006年,该公司将探测器阵列的规格扩大到了480×384元,截止波长为4.2 μm,工作温度提高到120 K。在这之后,SCD公司持续研究出阵列规格更大的InSb/InAlSb红外焦平面探测器,其探测器的工作温度得到进一步提高。此后,InSb/InAlSb红外焦平面探测器继续朝着工作温度更高、像元尺寸更小的方向发展。

图5 256×320InSb/InAlSb红外焦平面成像图

3.4 InAsSb 探测器

3.4.1 光导型 InAsSb 探测器

2004年,同济大学的高玉竹教授利用熔体外延法,在InAs衬底上成功地生长出了截止波长为11 μm的InAsSb单晶[13]。其外延层厚度为100 μm,X射线衍射谱显示InAsSb单晶具有良好的结晶质量。该方法生长的材料,由于外延层在压力下形成的,能带弯曲参数变大,其禁带宽度明显变窄,截止波长会向长波方向延长。2010年,他们在较为成熟的材料生长技术之上,制备出InAsSb室温红外探测器,工作温度得到很大提高[14-15]。

2012年,郭轶等人在293 K工作温度下,采用 InAsSb 单晶材料制成高灵敏光导型 InAsSb 红外探测器,保持器件较好性能的同时初步实现了在室温条件下工作[16]。在293 K工作温度时,黑体探测率为6×108cm·Hz1/2·W-1,黑体响应度为168 V/W,探测器性能优良,应用前景广阔,尤其是在高温领域的红外探测应用有重要意义,该探测器的光谱响应如图6所示。

图6 InAsSb探测器在293 K时的光谱响应

3.4.2 势垒型 InAsSb 探测器

2008年,SCD公司提出了XBn和XBp势垒型器件结构,其中X是加偏置的电极层,B是势垒层,n或p是吸收层[7]。其主要作用就是抑制器件的暗电流,提高器件的工作温度或灵敏度,图7为nBn 结构的 InAsSb 器件结构示意图。此后,利用现有的材料生长技术和器件制备工艺,分别研制出了nBn、pBp结构的InAsSb中、长波高温红外探测器。

图7 nBn 型 InAsSb 器件结构示意图

2013年,SCD 研制出XBn型InAsSb中波高温探测器系列产品,器件的工作温度达到150 K,性能良好[7]。其中,XBn型InAsSb焦平面阵列规模是640×512,像元中心距15 μm,吸收层厚度3 μm,该焦平面阵列的热像图非常清晰,如图8所示。在这之后,研究人员还对探测器进行了变工作温度的热成像和制冷功耗进行了测试。如图9所示,工作温度在103～225 K时焦平面的成像效果。当温度升高到193 K时器件性能才出现明显的衰减；工作温度为95 K时,制冷机功率降低了20 %；温度达到150 K时,制冷机功率降低了60 %。

图8 640×512 InAsSb焦平面阵列150 K时的成像效果

图9 103～225 K温度范围焦平面阵列的成像效果

2014年,美国 DRS 公司研究出以GaAs为衬底的nBn型1024×1024 InAsSb焦平面阵列。工作温度为150 K时,探测率可达1.2×1011cm·Hz1/2·W-1,响应截止波长为4.9 μm,图10是150 K工作温度时的成像效果。随后,美国喷气推进实验室也报道了室温nBn结构的 InAsSb 中波红外探测器[17]。在截止波长为4.5 μm时,室温条件下的探测率为1.0×109cm·Hz1/2·W-1,250 K时的探测率为5.0×109cm·Hz1/2·W-1,器件性能保持良好,工作温度也得到极大提高。

图10 1024×1024 InAsSb 焦平面阵列

2017年,美国休斯实验室在GaAs衬底上生长了nBn 结构的InAsSb探测器,并制作了2040×1156焦平面探测器[18]。在截止波长为5.1 μm时,150 K工作温度条件下的有效像元为99.9 %,无抗反射膜红外探测器的量子效率大于60 %。

2021年,Soibel等人研究了含有pn-CBIRD结构的长波InAs/InAsSb超晶格势垒红外探测器,其主要利用较长的电子扩散长度以达到提高量子效率的目的。还比较了n型吸收层、p型和n型吸收层两种组合以及p型吸收层这四种互补势垒红外探测器结构[19]。研究结果显示,使用pn-CBIRD结构的器件量子效率最高,虽然暗电流大小受表面p-n结的影响,但隧穿暗电流不太明显,在较低偏置条件下器件性能较好。图11是工作温度为78～148 K时暗电流密度与外加偏压的函数关系,其中(a)为n型吸收层势垒结构,(b)为pn-CBIRD势垒结构。

图11 暗电流密度与外加偏压的函数关系

3.5 InAs/GaSb超晶格红外探测器

2006年,Plis等人制备出基于InAs/GaSb II型应变超晶格中红外探测器[20],能带结构如图12所示。美国的圣·芭芭拉公司率先研发出工作温度在130～155 K范围的nBn 型II类超晶格中波红外探测器,其性能与工作温度在80 K的 InSb 红外探测器、95 K的HgCdTe红外探测器和115 K的HgCdTe 红外探测器的性能相差不大,图13则为InAs/GaSb探测器在不同温度时的成像效果。

图12 InAs/GaSb超晶格能带结构示意图

图13 InAs/GaSb探测器在不同温度时的成像效果

同时,Pour等人通过抑制主要暗电流的方案来提高InAs/GaSb II型超晶格中波探测器在高温工作时的性能[21]。优化后量子效率达到50 %,并且没有任何偏置依赖性。之后,胡锐等人也对nBn型InAs/GaSbII类超晶格红外探测器进行研究,发现150 K工作温度条件下的暗电流比77 K时大一个数量级,峰值探测却只下降了1/5,有望实现较高的工作温度[22]。

2015年,中国科学院半导体研究所牛智川小组对InAs/GaSb超晶格高温探测器进行了研究,他们主要优化了InAs/GaSb pΠMN型单元器件势垒区和吸收区的掺杂,利用势垒区的掺杂实现了零偏压全响应特性[23]。研究发现,高温情况下,热激发导致结区两端的少子浓度增加,在自建电场的漂移作用下,扩散电流占据暗电流的主要成分。中波InAs/Gasb超晶格材料,利用p-i-n型器件结构,在高温工作状态下,扩散电流占据主导地位。为了抑制扩散电流,对吸收区进行P型掺杂,发现隧穿电流也会随着结区电场的增加而增加,减少耗尽区宽度的同时也降低了器件的量子效率。因此,为了减少隧穿电流、增大载流子有效质量,提出了M型结构作为势垒层插入吸收层和电极层之间进行器件性能优化和提升。研究发现,在工作温度高于120 K时,扩散电流为主导。在200 K时,器件的动态阻抗RAmax达到764 Ω·cm2,峰值D*探测率达到1×1011量级,制备出阵列规模为320×256元InAs/GaSb pπMN型中波红外焦平面,其成像效果如图14所示。

图14 InAs/GaSbpΠMN型中波焦平面

3.6 带间级联高温红外探测器

新一代红外焦平面探测器的优化目标将聚焦于SWaP,也就是体积小(Size)、重量轻(Weight)、功耗低(Power consumption)、高性能(Performance)和低成本(Price)[24]。目前,提高红外探测器的工作温度成为研究的热点,高性能光子型红外探测器的高温或非制冷工作,兼顾了红外系统小尺寸、低功耗、低成本和高灵敏度、高响应速度、高帧频等诸多优点,是新一代红外焦平面探测技术的重要发展方向之一。采用新型量子结构,特别是国际上最新研究的带间级联探测器,已经显示了极其优越的室温光电性能。带间级联探测器是以InAs/GaSb/AlSb 为结构形成的多异质结势垒器件。如图15所示,为带间级联探测器的原理示意图,器件主要由吸收区InAs/GaSb、弛豫区InAs/AlSb以及隧穿区GaSb/AlSb三部分组成[25]。因不存在掺杂的PN结,可以利用势垒结构调控的方法去抑制复合电流和隧穿电流的产生,同时也可以利用分立的多吸收区的结构去解决载流子扩散长度小的问题,从而达到提高器件工作温度的目的。

图15 带间级联探测器工作原理示意图

2010年,Oklahoma大学报道了中波带间级联探测器,在室温工作时,100 %截止波长超过7 μm。2015年,周易等人也提出了中波高温InAs/GaSb II类超晶格带间级联红外探测器[26]。他们将制备出来的单级和双级级联的红外探测器进行对比,分析了能带结构对暗电流的抑制以及光生载流子输运的影响。其中,单级器件的吸收区是由7.5 MLInAs/7 MLGaSb超晶格材料构成,厚度为1 μm。电子弛豫区由InAs/A1Sb多量子阱结构形成,该弛豫区也作为空穴势垒区降低器件暗电流,隧穿区由GaSb/A1Sb短波超晶格结构形成,也作为电子势垒区提高器件电学性能。其中电子弛豫区将相近量子阱能级差设计与声子能量接近,提高了电子弛豫速度,优化器件的输运。将单级器件进行级联且生长在InAs衬底上就是带间级联的红外探测器[27]。对比之后发现,在77 K时,吸收区厚度为1 μm的PIN器件,波长在3.61 μm处的量子效率为42.5 %。单级器件波长在3.64 μm处的量子效率为45.6 %,R0A为2.5×107Ω·cm2；两级级联器件波长在3.61 μm处的量子效率为25.5 %,R0A为3.5×107Ω·cm2。在300 K时,单级器件波长在4.39 μm处量子效率为18.8 %,R0A为0.04 Ω·cm2,说明室温下少子扩散长度接近或超过1 μm；两级级联器件波长在4.37 μm处量子效率为19.2 %,R0A为0.064 Ω·cm2,峰值探测率为2.56×109cm·Hz1/2·W-1,说明器件输运性能较好,没有形成其他的势垒阻挡光生载流子的输运。

在这之后,新墨西哥大学也报道了中波高温带间级联探测器。在工作温度为160 K时,量子效率为28.6 %；200 K时量子效率为35 %。同时,Oklahoma大学也报道了长波高温带间级联探测器,工作温度为78 K时90 %的截止波长为10.4 μm；300 K时90 %的截止波长为11.5 μm,探测率超过1×108cm·Hz1/2·W-1,与相同探测波长下的HgCdTe探测器相比较,提高了约两倍。

2019年,周易等人进一步报道了InAs/GaAsSb带间级联中波红外焦平面探测器[28]。研究发现,在80～120 K的工作温度条件下量子效率可达30 %。如图16所示,图(a)、(b)、(c)分别为工作温度在115 K、127 K、136 K时的带间级联红外焦平面成像图,可以发现在127 K下获得了较为清晰的演示性室温目标图像。

图16 带间级联红外焦平面成像图

4 总结与展望

本文对高温红外探测器的研究进展进行了综述。从InSb、InSb/InAlSb、Al掺杂InSb探测器、InAsSb 、InAs/GaSb、带间级联高温红外探测器的发展现状来看,国内外相关研究机构已在锑化物高温红外探测器的材料生长和制备技术等方面取得了较大进展,在器件性能良好的前提下工作温度可维持在150 K左右。

其中,InSb高温红外探测器工作温度在110K时,可保持较好的器件性能；基于nBn结构的InSb/InAlSb/InSb高温红外探测器有望工作温度可达到120K；InSb/InAlSb红外焦平面探测器工作温度在150K左右；光导型InAsSb 探测器初步实现了工作温度293K,探测器性能优良,应用前景广阔,尤其是在室温状态下军事领域的红外探测应用有重大的意义。nBn结构的InAsSb红外探测器也可实现250K下的工作温度；InAs/GaSb红外探测器目前可在200K下工作；而对于带间级联红外探测器,工作温度可达到300K左右,室温下有较好的信噪比。目前国际上最新发展的带间级联红外探测器已显示出极其优越的高温性能。

基于本文所提到的红外探测器,工作温度虽得到了大幅度的提高,但是也存在着材料生长不稳定、量子效率低等问题。距离我们想要的体积小、重量轻、功耗低、性能高和成本低的目标还有很长的路要走。对于锑化物新材料体系以及不同结构,未来需要从电子学和材料学等方面去进行综合考虑,对器件进行更好地优化,推动锑化物红外探测器向更高工作温度迈进。有学者提出利用人工微结构通实现光场调控,利用亚波长人工光学结构增强光耦合以及降低暗电流的新思路,有利于提高探测器的工作温度[29]。该方法与锑化物红外探测器进行结合,是实现SWaP目标的技术路线之一。