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铟砷锑红外探测器的研究进展

陈冬琼, 杨文运, 邓功荣, 龚晓霞, 范明国, 肖婷婷, 尚发兰, 余瑞云

陈冬琼, 杨文运, 邓功荣, 龚晓霞, 范明国, 肖婷婷, 尚发兰, 余瑞云. 铟砷锑红外探测器的研究进展[J]. 红外技术, 2022, 44(10): 1009-1017.
引用本文: 陈冬琼, 杨文运, 邓功荣, 龚晓霞, 范明国, 肖婷婷, 尚发兰, 余瑞云. 铟砷锑红外探测器的研究进展[J]. 红外技术, 2022, 44(10): 1009-1017.
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CHEN Dongqiong, YANG Wenyun, DENG Gongrong, GONG Xiaoxia, FAN Mingguo, XIAO Tingting, SHANG Falan, YU Ruiyun. Research Progress of InAsSb Infrared Detectors[J]. Infrared Technology , 2022, 44(10): 1009-1017.
Citation: CHEN Dongqiong, YANG Wenyun, DENG Gongrong, GONG Xiaoxia, FAN Mingguo, XIAO Tingting, SHANG Falan, YU Ruiyun. Research Progress of InAsSb Infrared Detectors[J]. Infrared Technology , 2022, 44(10): 1009-1017.
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铟砷锑红外探测器的研究进展

  • 昆明物理研究所, 云南 昆明 650223

基金项目: 

云南省中青年学术和技术带头人后备人才项目 202205AC160054

详细信息
    作者简介:

    陈冬琼（1989-），女，博士研究生，研究方向是光电材料与器件。E-mail: dqchensci@163.com

    通讯作者:

    杨文运（1968-），男，研高工，研究方向是光电材料与器件。E-mail: yangwenyun@olied.com

  • 中图分类号: TN216

Research Progress of InAsSb Infrared Detectors

  • Kunming Institute of Physics, Kunming 650223, China

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    摘要
  • 摘要: InAs1－xSbx属于Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体合金材料，随Sb组分含量的不同，室温下可覆盖3~12 μm波长，并且InAsSb材料具有载流子寿命长、吸收系数大、载流子迁移率高等优点，是一种具有广阔应用前景的红外光电材料。探测器可以在150 K甚至近室温下工作，具有较高的灵敏度和探测率，是低功耗、小型化、高灵敏度和快响应中长波红外探测系统的良好选择，InAsSb中长波红外探测器受到广泛的关注和研究。本文首先简要概述了InAsSb材料的基本性质。其次，对国内外InAsSb红外探测器发展状况进行了介绍。最后，对InAsSb红外探测技术的发展进行了总结与展望。
    Abstract: The cut-off wavelength of the spectral responses of the Ⅲ-Ⅴ semiconductor alloys InAs1-xSbx can be changed from 3 to 12 μm by tuning the relative amount of antimony in the alloy at room temperature. In addition, with longer carrier lifetime, higher optical absorption coefficient and higher carrier mobility can be achieved. InAsSb is a type of prospective MWIR and LWIR detector material that has potential applications. InAsSb detector can work at 150 K even at near room temperature with higher sensitivity and detectivity. Hence, it is one of the best choices for low-power, miniaturized, low-cost, highly sensitive, and fast-response MWIR and LWIR detection systems. InAsSb detectors have been widely studied and developed. In this paper, the fundamental material properties are described. Next, the status of the InAsSb infrared photodetectors domestic and abroad is introduced. Finally, the development of the InAsSb infrared detection technology is summarized and prospected.
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  • 0.   引言

    1958年Woolley等人最早研究了基于InSb的InAs1－xSbx合金，确定了InAs-InSb的混溶性[1]、伪二元相位图[2]、带隙[3]和有效质量等基本性质对成分的依赖性[3]。InAsSb具有高电子迁移率、较高的吸收系数、低热产生率等优点，此外，随Sb组分含量的不同，其光谱响应截止波长可在1~14 μm范围内变化，是中长波红外探测的理想材料。分子束外延（molecular beam epitaxy, MBE）、液相外延（liquid phase epitaxy, LPE）、和金属有机化学气相外延（metal-organic chemical vapor deposition, MOCVD）技术的出现解决了InAsSb材料生长液-固相分离、固相扩散速率低以及InAs和InSb晶格失配等问题，极大地促进了InAsSb材料的发展。当前对InAsSb红外探测器的研究主要集中在以下几个方面：在二元GaSb或GaAs衬底上延伸响应波长；高温工作红外探测器；采用势垒结构、浸没透镜、等离子增强技术提高红外探测器性能等。

    1.   InAsSb合金性质

    相比于HgCdTe材料衬底昂贵、大面积组分不均匀，器件需制冷降低俄歇复合，InAs1－xSbx的In与As及Sb为共价键结合，材料稳定性均匀性更好，外延生长采用GaSb或GaAs衬底材料，制造成本较低，同时具有超高的电子迁移率以及很小的有效质量，介电常数较低（≈11.5），室温下自扩散系数低（≈5.2×10－16 cm2/s）[4-5]。相比于InAs/GaSb超晶格材料，InAsSb材料的肖克莱-里德复合寿命更长，InAsSb体材料少数载流子迁移率各向同性，采用InAs/InAsSb Ⅱ类超晶格，由于不含有Ga元素，非辐射复合中心减小，载流子寿命长于InAs/GaSb材料[6-7]。此外，采用势垒结构器件可显著降低器件的肖克莱-里德霍尔复合暗电流和隧穿电流，提升器件工作温度。

    1.1   带隙

    Ⅲ-Ⅴ族半导体材料具有闪锌矿结构，在布里渊区中心为直接带隙。InAs1－xSbx三元合金的带隙与组分x、能带弯曲系数C的关系可以表示为：

    $$ E_{\mathrm{g}}(x)=x E_{\mathrm{gInSb}}+(1-x) E_{\mathrm{gInAs}}-C x(1-x) $$ (1)

    文献[8-16]报道的InAs1－xSbx材料低温和室温下Sb组分x与带隙的关系如图 1所示。根据不同文献计算结果，在x＝0.6附近，InAs1－xSbx材料的禁带宽度最小。InAs1－xSbx早期报道InAsSb材料在温度接近或高于100 K下的能带弯曲系数为0.58~0.67 eV。Svensson博士在GaSb衬底上通过变质缓冲层外延InAsSb薄膜，通过实验结果拟合计算得到能带弯曲系数C＝0.87 eV[14]。Webster[10]在GaSb衬底上外延生长的InAs0.911Sb0.089材料在低温下弯曲系数为0.938 eV，是目前报道的最高值，室温下的能带弯曲系数为0.75 eV。

    图  1  InAs1-xSbx禁带宽度（Eg）与其成分（x）的关系曲线：(a) 低温；(b) 室温
    注：实线所示是文献[8-16]报道的实验数据，C为能带弯曲系数
    Figure  1.  InAs1-xSbx bandgap versus antimony composition for: (a) Low temperature; (b) Room temperature
    Note: Experimental data from the literature are shown as solid symbols. The bandgap bowing parameters C, are noted
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    InAs1－xSbx的禁带宽度与温度的关系用Varshni方程表述[17]：\$

    $$ {E_{\rm{g}}} = {E_{\rm{g}}}(0) - \frac{{\alpha {T^2}}}{{\beta + T}} $$ (2)

    Y. Lin等人[18]拟合出用MBE法在GaSb衬底采用变质缓冲层生长的InAs0.8Sb0.2的Eg(0)＝0.26 eV，α＝3.2 meV/K，β＝100.4 K，生长的InAs0.56Sb0.44的Eg(0)＝0.119 eV，α＝1.2 meV/K，β＝33.3 K。Soibel等人[19]在GaSb衬底上生长InAs0.91Sb0.09的Eg(0)＝0.33 eV，α＝0.4 meV/K，β＝310 K。Lancaster大学Craig等[20]报道的在晶格失配GaAs衬底生长的InAs0.90Sb0.1的Eg(0)＝0.42 eV，α＝0.942 meV/K，β＝641 K和晶格匹配GaSb衬底上生长的InAs0.92Sb0.08的Eg(0)＝0.39 eV，α＝0.747 meV/K，β＝610 K。

    InAs1－xSbx材料的带隙不仅与材料组分、生长方法、生长条件等相关，还与材料内部结构有序化程度有关，1989年，Jen等人[21]在InAs或InSb上采用有机金属气相外延（organo-metallic vapor phase epitaxy, OMVPE）生长InAsSb（0.12≤x≤0.78），通过透射电子显微镜首先在InAsSb中观察到CuPt型有序化结构，即 < 111 > 方向的{111}最密排面是按一层InAs一层InSb交替排列的。文献[22-23]研究表明CuPt型有序化结构可以明显减小InAsSb的禁带宽度，有序化程度越高，材料的光学弯曲效应越明显，禁带宽度越小。到目前为止，InAs1－xSbx材料的禁带宽度还没有完全统一，文献中报道的结果还不完全一致。

    1.2   InAsSb能带排列

    两种不同的半导体构成异质结时，界面处能带不连续，已知半导体材料的能隙，能带偏移可以用导带偏移ΔEc和价带偏移ΔEv来标志。Wei和Zunger[24]利用第一性原理计算方法研究了InAs1－xSbx与InSb、InAs的能带排列。高有序化Cu-Pt结构使富As的InAs1－xSbx/InAs能带排列为Ⅰ型，当不存在Cu-Pt结构有序化且材料存在应力时，InAs1－xSbx/InAs能带排列为Ⅱ型。2012年，Steenbergen等人[25]研究了InAs/InAs1－xSbx的价带差模型，InAs1－xSbx价带弯曲系数随Sb组分变化线性变化CEv＝1.58x－0.62 eV（x＝0.28~0.4）。InAs1－xSbx（0.20＜xSb＜0.40）材料，12 K下价带弯曲系数为－0.38 eV[26]，室温下价带弯曲系数为－0.3 eV[18]。InAs1－xSbx导价带边与Sb组分的关系如图 2所示。InAs和InSb的价带边VB分别为－0.59 eV和0 eV，推荐使用的InAs1－xSbx禁带弯曲系数和价带弯曲系数为0.87 eV和－0.35 eV。

    图  2  InAs1－xSbx带边与其成分x的关系曲线
    Figure  2.  InAs1-xSbxconduction and valence band edges versus antimony composition
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    1.3   InAsSb材料的输运特性

    Rogalski和Jozwikowski在k·p理论的基础上考虑了导带价带混合对有效质量的影响，将导带有效质量表示为[27]：

    $$ \begin{array}{*{20}{c}} {\frac{1}{{m_{\rm{e}}^*}} = \frac{1}{{m_{{\rm{ce}}}^*}} + \frac{{\delta E}}{3}[\frac{1}{{m_{{\rm{hh}}}^*{E_{{\rm{gv}}}}}} + \frac{1}{{m_{{\rm{lh}}}^*{E_{{\rm{gv}}}}}} + \frac{1}{{m_{\rm{s}}^*({E_{{\rm{gv}}}} + \Delta v)}}}\\ {\;\;\;\;\;\;\;\; - \frac{1}{{m_{{\rm{ce}}}^*}}(\frac{2}{{{E_{{\rm{gv}}}}}} + \frac{1}{{({E_{{\rm{gv}}}} + \Delta v)}})]} \end{array} $$ (3)

    式中：δE＝Egv－Eg，Egv＝0.351－0.176x，Δv＝0.39+0.42x。mlh*，mhh*，ms*分别为轻空穴，重空穴和分裂带有效质量。最后，mce*不考虑带隙混溶的导带有效质量，由Kane方程计算得出。采用上式计算得出的me*与实验数据吻合很好。

    Rogalski考虑导带价带混合对InAs1－xSbx的本征载流子浓度的影响，得出InAs1－xSbx本征载流子浓度表示为成分x和温度T的关系[27]：

    $$ \begin{array}{l} {n_i} = (1.35 + 8.50x + 4.22 \times {10^ - }^3T - 1.53 \times {10^{ - 3}}xT - 6.73{x^2}) \times \\ \;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;{10^{14}}{T^{\frac{3}{2}}}E_{\rm{g}}^{\frac{3}{4}}\exp ( - \frac{{{E_{\rm{g}}}}}{{2kT}}) \end{array}$$ (4)

    式中：k为玻尔兹曼常数。当x≈0.63时，ni值最大。InAs1－xSbx薄膜的电子迁移率主要受位错散射、电离杂质散射和极性光学声子散射的影响，而空穴迁移率主要受位错散射、合金散射和电离杂质散射的影响。InAs1－xSbx总载流子迁移率可以表示为[28]：

    $$ \frac{1}{{{\mu _{{\rm{tot}}}}(x)}} = \frac{{1 - x}}{{{\mu _{{\rm{totInSb}}}}}} + \frac{x}{{{\mu _{{\rm{totInAs}}}}}} + \frac{{x(1 - x)}}{{{C_\mu }}}$$ (5)

    式中：μtotInSb、μtotInAs为InSb和InAs总载流子迁移率；μtot为InAs1－xSbx总载流子迁移率，第一、二项源自线性插值法，第三项考虑了合金扩散的影响。

    Egan等人[29]理论计算了InAsSb的电子迁移率，考虑了声子、合金散射、位错及电离杂质散射对电子迁移率的影响，并与实验结果相比较。结果表明，温度较低时，位错散射和电离杂质散射对电子迁移率起主要作用；合金散射、位错散射和电离杂质散射对空穴迁移率起主要作用。Dixit等人[30]用旋转Bridgman法生长Sb组分0.9的InAs0.1Sb0.9单晶，15 K和室温下电子迁移率为3.37×104 cm2·V－1·s－1和5.6×104 cm2·V－1·s－1，15 K下空穴迁移率降为175 cm2·V－1·s－1。由于生长方式、组分、衬底材料选取等的差别，不同文献[31-33]报道的迁移率值不一致，室温下电子迁移率多为(1~4)×104 cm2·V－1·s－1，且随温度的降低而减小。

    2.   InAsSb红外探测器国内外研究现状

    2.1   国外研究现状

    早期报道的InAsSb器件结构主要为简单的pn结、p-i-n结构，势垒型器件（nBn、pBnn、nBnn等）通过抑制吸收层的产生-复合电流有效降低器件暗电流提高器件工作温度，近十几年报道的InAsSb器件多采用势垒结构，工作在150~300 K。表 1[34-41]为国外InAsSb红外探测器研究结果。

    表  1  国外InAs1－xSbx红外探测器研究结果
    Table  1.  Research results of InAs1－xSbx infrared detectors abroad
    Research institute x Structure Temp./K λcut-off /μm Jdark/(A/cm2) D*/(cmHz1/2/W) NETD/mK Ref
    SCD 0.09 nBnn or CpBnn 150 4.2 < 10-6 - < 25 [34]
    DRS HRL 0.195 nBn 150 4.9 10-5 1.2×1011 44 [35]
    JPL 0.08 QD-BIRD 175 6.5 3.77×10-4 1.07×1011 - [36]
    0.085 nBn 300 4.5 1.6 1×109 - [37]
    VIGO 0.19 p+Bpin+ or p+Bppn+ 230 5.3 0.13 - [38]
    0.7 p+Bppn+ 300 14.2 - - - [39]
    Stony Brook university 0.4 nBn 77 10 5×10-4 4×1010 - [40]
    Nanyang Technological University 0.09 p-i-n 300 5 2.62 8.9×108 - [41]
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    1980年，Bubulac等人[42]在GaSb衬底上生长晶格匹配或近似晶格匹配的n型InAs1－xSbx（0.09≤x≤0.15）材料，再生长掺杂Zn的p型InAs1－xSbx材料，光子穿过宽禁带的GaSb衬底，被InAsSb光敏层吸收。短波长截止值取决于GaSb衬底，长波长截止值取决于InAsSb吸收层。77 K温度下，器件暗电流密度为10－9 A/cm2（@－100 mV）。

    Kim等人[43]首次报道了工作在室温下以InAsSb为基础的长波（8~14 μm）光敏二极管。利用分子束外延技术在（100）GaAs衬底上生长n+-InAsSb/p-InAsSb/p+-InAsSb异质结，300 K温度下，器件的响应波长达7~8 μm，300 K时峰值电压响应度是0.32 V/W。同时，他们还研究了GaAs衬底上外延p+Al0.07In0.93Sb/InAs0.06Sb0.94/n+Al0.07In0.93Sb异质结光电器件的室温特性，300 K下，器件截止波长为8 μm，峰值电流响应度是0.3 A/W，探测率为2×108 Jones。Chakrabarti等人[44]，采用LPE技术在（100）InAs上生长p+InAs0.96Sb0.04/i-InAs0.96Sb0.04/n+ InAs0.96Sb0.04结构光电探测器，器件响应率5.57×108 Jones，材料中SRH缺陷、高掺杂吸收层使器件隧穿电流增大，探测率降低。

    新加坡南洋理工大学张道华教授研究团队[45]在p-i-n异质结的基础上，在p型接触层和吸收层之间插入重掺杂宽带隙的AlGaSb电子势垒层，进而抑制器件暗电流，引入AlInAsSb层能显著改善界面质量，提高器件性能，器件结构及能带结构如图 3所示。室温下没有抗反射膜的探测器、－0.5 V偏置电压、3.5 μm处的光谱探测率达8.9×109 cmHz1/2/W。此外，该团队设计了一种二维亚波长金属孔阵等离子结构增强的室温中波红外探测器，该器件利用金属表面等离子体增强技术提高量子效率，实现室温工作的InAsSb中波红外探测。

    图  3  (a) 光电探测器截面结构示意图（不按实际比例），右边的插图是一个350 μm正方形台面结构的光学显微镜图；(b) 室温零偏压下结构的能带结构示意图[45]
    Figure  3.  (a) Cross-section schematic of the photodiode(not to real scale), The right inset is the microscope of the device; (b) Schematic energy band diagram of the photodiode[45]
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    2006年，英国罗彻斯特大学S. Maimon和G. W. Wicks教授首次提出nBn结构器件[46]，即“n型窄带隙吸收层-宽带隙势垒层-n型窄带隙接触层”，势垒层设置在少数载流子收集层附近远离光学吸收层，能带图如图 4(a)所示，大的导带偏移ΔEc阻挡多数载流子空穴流向接触区，减小器件暗电流，较小的价带偏移ΔEv使光生少数载流子空穴在低偏压下流向未受阻的接触区形成光电流。此外，导带中的大能量势垒起到自钝化作用能够抑制表面漏泄电流。如图 4(b)所示，与传统pn结器件相比，相同的工作温度下，nBn器件具有更高的信噪比。

    图  4  nBn结构器件：(a) 能带图；(b) 普通（实线）与nBn器件（虚线）暗电流温度特性理论曲线[46]
    Figure  4.  nBn detector: (a) Band edge diagram of the nBn architecture; (b) Schematic Arrhenius plot of temperature dependence of the dark current in standard diode and nBn photodetector[46]
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    目前，国外从事InAsSb红外探测器研究的主要有以色列SCD公司、美国喷气推进实验室（Jet Propulsion Laboratory，JPL）、美国DRS技术公司和HRL实验室以及波兰的Antoni Rogalski课题组等。

    2008年以来，以色列SCD公司[47-48]采用XBn势垒型器件以抑制器件的暗电流，从而提高器件的工作温度，器件采用GaSb衬底或GaAs衬底，包括1.5~3 μm的n型InAsSb吸收层，0.2~0.35 μm的n型AlAsSb势垒层，0.2~0.5 μm的n型InAsSb或p型GaSb接触层，器件少数载流子寿命约为700 ns，150 K下获得成像清晰的焦平面阵列器件。

    美国喷气推进实验室Alexander Soibel[49]等人制备InAs0.915Sb0.085-AlAs0.1Sb0.9 nBn结构器件，温度为77~325 K时，器件的量子效率保持不变为35%，当温度为150~325 K时，器件暗电流为扩散限电流，当温度低于150 K时，产生-复合电流占支配地位。温度为77~220 K时器件少数载流子寿命为300 ns，温度升高器件少数载流子寿命变短，温度升高至325 K时，少数载流子寿命为100 ns。300 K工作温度下D*＝1×109 cmHz1/2/W，250 K工作温度下D*＝5×109 cmHz1/2/W。

    美国DRS技术公司和HRL实验室报道了可见光至中波（0.5~5 μm）InAsSb高工作温度、低暗电流大面阵红外探测器[50]。在GaAs衬底上外延InAsSb材料，采用新型锥体状吸收层设计和AlSb基复合势垒层设计，降低器件暗电流，探测器D*＞1×1010 cmHz1/2/W，200 K工作温度下，内量子效率＞80%。

    波兰的Antoni Rogalski组研发人员[51-52]从理论上分析测试GaAs衬底上外延InAs1－xSbx材料禁带宽度的温度特性，采用APSYS软件仿真分析高工作温度InAsSb/AlAsSb nBn结构器件的光电特性，室温工作下，当组分x＞0.15时，与p-on-n InAs1－xSbx器件相比，nBnn n+ InAs1－xSbx/AlAsSb器件相比具有更高的探测率。

    Sb组分为0.09的InAs0.91Sb0.09材料与GaSb衬底晶格匹配，而高Sb组分InAs1－xSbx材料由于缺乏与之晶格匹配的衬底材料，可以通过外延缓冲层来消除InAs1－xSbx材料与衬底之间的晶格失配。

    美国石溪大学和陆军实验室，在GaSb衬底上MBE外延生长GaInSb和AlInSb缓冲层，消除InAs0.6Sb0.4与GaSb衬底之间的晶格失配，然后生长1 μm厚的吸收层，势垒层采用AlInAsSb四元合金材料，图 5(a)为平衡态下长波异质结的能带图，图 5(b)为偏置电压下能带分布，箭头表示少子空穴输运方向[53-55]。77 K温度下，光谱探测率2×1011 cm·Hz1/2/W（λ＝8 μm），吸收层InAs0.6Sb0.4的带隙约为90 meV，响应波长8~12 μm，少数载流子（空穴）寿命为185 ns、扩散长度为9 μm、迁移率为~103 cm2 /Vs[53-55]。

    图  5  长波势垒探测器异质结的能带结构示意图：(a) 导带和价带能级；(b) 偏置电压下能带分布，少子（空穴），箭头表示少子空穴输运方向[55]
    Figure  5.  Schematic band diagrams of the barrier detector heterostructure: (a) conduction and valence band energies; (b) energy band profile under the operating bias, the direction of the minority hole transport being shown with an arrow[55]
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    波兰VIGO公司[56]采用MBE技术在（100）GaAs衬底上外延In0.74Al0.26Sb缓冲层，实现InAs0.3Sb0.7体材料生长，在n+接触层和InAs0.3Sb0.7吸收层之间生长一薄层InAs层，作为空穴势垒层阻挡空穴从n+接触层进入吸收层。器件结构和能带示意图如图 6所示[56]。300 K温度下，器件50%截止波长为14.2 μm。

    图  6  InAsSb势垒型异质结[56]：(a) 器件结构；(b) 能带示意图
    Figure  6.  InAsSb barrier heterojunction[56] (a) Device structure; (b) Conduction and valence band energies
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    美国俄亥俄州立大学[57]采用Al0.6In0.4Sb/AlSb数字合金和Al0.6In0.4Sb/AlSb短周期超晶格InAs1－xSbx缓冲层，把穿透位错限制在界面附近，提高外延层质量，数字合金技术（digital alloy, DA）生长材料表面光滑、位错密度小，结构与体材料相似。

    目前，InAsSb中波红外焦平面探测器已出现实用化商品。最为典型的是以色列SCD公司，2013年，SCD[58]推出第一款nBn中波高温产品Kinglet，焦平面阵列规模为640×512，像元中心距为15 μm，响应波长3.6~4.2 μm；2014年，SCD推出第二款nBn中波高温产品HOT Herclues，焦平面阵列规模为1280×1024，像元中心距为15 μm，响应波长3.4~4.2 μm。

    2.2   国内研究现状

    国内对InAsSb光电子探测器的研究与国际先进水平存在较大的差距，大部分的研究集中在材料的制备、表征、材料特性分析上，极少数对制备的探测器性能进行了表征分析。

    2010年，同济大学高玉竹等人[59]采用熔体外延技术在InAs衬底上获得了50 μm厚层的InAsSb外延层，用该材料制作了光导探测器，在探测器上安装了锗（Ge）浸没透镜。非制冷条件下，InAs0.06Sb0.94探测器在波长8.0 μm及9.0 μm处的探测率D*分别为1.3×109 cmHz1/2/W及2.8×108 cmHz1/2/W，而在波长6.5 μm处，InAs0.06Sb0.94和InAs0.02Sb0.98的峰值探测率D*均大于1.0×109 cmHz1/2/W，可应用在红外探测和成像领域。

    2012年，中国科学院上海技术物理研究所孙常鸿[60]利用水平滑移LPE生长系统，采用改进型液相外延技术成功在高晶格失配的（100）GaAs衬底上生长了InAs0.05Sb0.95多晶厚膜材料，分析结果表明外延膜横向与纵向组分均匀，与GaAs衬底界限清晰，外延膜室温截止波长可达12.5 μm。2014年，黄亮博士针对InAsSb薄膜和器件进行了光谱、性能和少数载流子寿命的研究[61]。

    基于锑化物材料MOCVD生长的基础，2016年，哈尔滨工业大学宁振动博士[62]探索InAs1－xSbx体材料nBn结构中波红外探测器的制备并对制备的器件进行简单的测试分析。器件设计采用与GaSb衬底晶格匹配的InAs0.91Sb0.09作为有源区，而势垒材料则选择InPSb0.37。器件在77 K及300 K时的截止波长分别为4.29 μm和5.35 μm；在－0.8 V偏压下，77 K的黑体归一化探测率最高为1.2×109 cm∙Hz1/2/W。

    中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所的王婷婷等人[63]在（001）GaAs衬底上生长n型InAs0.81Sb0.19薄膜材料，通过Zn扩散形成p+n结，该平面结构避免了因台面刻蚀带来的器件的侧壁漏电流，85 K工作温度，－0.1 V偏置电压，器件暗电流为0.01A/cm2，5.5 μm处的光谱探测率为5.0×1011 cmHz1/2W－1。

    2019年，中国科学院半导体研究所张璇等人[64-65]研究了InAsSb薄膜材料的生长及InAs0.91Sb0.09/ AlAs0.08Sb0.92 nBn结构中波红外探测器性能，－0.2 V偏压300 K，器件的量子效率为~63.4%，峰值探测率为2.3×109 cmHz1/2W－1。

    2020年，谢浩博士[66]采用液相外延技术（LPE）制备InAs1－xSbx基pBin器件结构室温中波红外探测器，x＝0.06和x＝0.11两种Sb组分探测器，室温下的暗电流密度分别为1.4 A/cm2、1.7 A/cm2，峰值探测率分别为1.39×109 cmHz1/2/W、1.2×109 cmHz1/2/W。

    2020年，昆明物理研究所邓功荣等人[67-68]引入AlAsSb/AlSb复合势垒，成功制备XCBn结构的InAsSb 640×512中波红外焦平面探测器，150 K、－0.4 V偏置电压，暗电流密度~3.9×10－6 A/cm2，探测器峰值探测率为1.06×1012 cmHz1/2W－1，器件结构及热成像图如图 7所示[68]。

    图  7  XCBn结构器件：(a) 器件结构；(b) 仿真得到能带图[68]；(c) 150-205 K焦平面器件热成像图[68]
    Figure  7.  XCBn photodetector: (a) Device structure; (b) Energy bandgap diagram[68]; (c) Example images taken with the InAsSb MWIR FPA operating from 150 to 205 K[68]
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    3.   总结与展望

    综上所述，本文简要概述了InAsSb材料的基本性质，表明其是一种具有广阔应用前景的中长波红外光电探测材料。InAs0.91Sb0.09材料与GaSb衬底和AlAsSb宽带隙材料晶格完全匹配，国外以nBn结构为代表的中波高温工作InAs0.91Sb0.09焦平面阵列技术已经发展成熟并获得了广泛的应用；而在国内，InAsSb焦平面阵列的研究起步较晚，还未能实现工程化应用。未来的工作应集中在：一是提升InAsSb外延薄膜材料质量优化器件结构，提高器件性能，进一步提高器件的工作温度，实现TEC制冷，器件规模向更大焦平面阵列发展。二是继续探索InAsSb、Ga1－yInySb或者Al1－yInySb等高质量缓冲层生长方法以消除高Sb组分长波InAs1－xSbx薄膜与GaSb衬底之间的晶格失配，使光谱响应范围向长波范围拓展。深入研究InAsSb材料及新型结构器件的物理特性，对推进InAsSb焦平面探测器的发展具有重要作用。

  • 图  1   InAs1-xSbx禁带宽度（Eg）与其成分（x）的关系曲线：(a) 低温；(b) 室温

    注：实线所示是文献[8-16]报道的实验数据，C为能带弯曲系数

    Figure  1.   InAs1-xSbx bandgap versus antimony composition for: (a) Low temperature; (b) Room temperature

    Note: Experimental data from the literature are shown as solid symbols. The bandgap bowing parameters C, are noted

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    图  2   InAs1－xSbx带边与其成分x的关系曲线

    Figure  2.   InAs1-xSbxconduction and valence band edges versus antimony composition

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    图  3   (a) 光电探测器截面结构示意图（不按实际比例），右边的插图是一个350 μm正方形台面结构的光学显微镜图；(b) 室温零偏压下结构的能带结构示意图[45]

    Figure  3.   (a) Cross-section schematic of the photodiode(not to real scale), The right inset is the microscope of the device; (b) Schematic energy band diagram of the photodiode[45]

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    图  4   nBn结构器件：(a) 能带图；(b) 普通（实线）与nBn器件（虚线）暗电流温度特性理论曲线[46]

    Figure  4.   nBn detector: (a) Band edge diagram of the nBn architecture; (b) Schematic Arrhenius plot of temperature dependence of the dark current in standard diode and nBn photodetector[46]

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    图  5   长波势垒探测器异质结的能带结构示意图：(a) 导带和价带能级；(b) 偏置电压下能带分布，少子（空穴），箭头表示少子空穴输运方向[55]

    Figure  5.   Schematic band diagrams of the barrier detector heterostructure: (a) conduction and valence band energies; (b) energy band profile under the operating bias, the direction of the minority hole transport being shown with an arrow[55]

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    图  6   InAsSb势垒型异质结[56]：(a) 器件结构；(b) 能带示意图

    Figure  6.   InAsSb barrier heterojunction[56] (a) Device structure; (b) Conduction and valence band energies

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    图  7   XCBn结构器件：(a) 器件结构；(b) 仿真得到能带图[68]；(c) 150-205 K焦平面器件热成像图[68]

    Figure  7.   XCBn photodetector: (a) Device structure; (b) Energy bandgap diagram[68]; (c) Example images taken with the InAsSb MWIR FPA operating from 150 to 205 K[68]

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    表  1   国外InAs1－xSbx红外探测器研究结果

    Table  1   Research results of InAs1－xSbx infrared detectors abroad

    Research institute x Structure Temp./K λcut-off /μm Jdark/(A/cm2) D*/(cmHz1/2/W) NETD/mK Ref
    SCD 0.09 nBnn or CpBnn 150 4.2 < 10-6 - < 25 [34]
    DRS HRL 0.195 nBn 150 4.9 10-5 1.2×1011 44 [35]
    JPL 0.08 QD-BIRD 175 6.5 3.77×10-4 1.07×1011 - [36]
    0.085 nBn 300 4.5 1.6 1×109 - [37]
    VIGO 0.19 p+Bpin+ or p+Bppn+ 230 5.3 0.13 - [38]
    0.7 p+Bppn+ 300 14.2 - - - [39]
    Stony Brook university 0.4 nBn 77 10 5×10-4 4×1010 - [40]
    Nanyang Technological University 0.09 p-i-n 300 5 2.62 8.9×108 - [41]
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-01-21
  • 修回日期:  2021-06-15
  • 刊出日期:  2022-10-19

目录

摘要
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  • 0.   引言

  • 1.   InAsSb合金性质

  • 1.1   带隙

  • 1.2   InAsSb能带排列

  • 1.3   InAsSb材料的输运特性

  • 2.   InAsSb红外探测器国内外研究现状

  • 2.1   国外研究现状

  • 2.2   国内研究现状

  • 3.   总结与展望

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