陳冬瓊，楊文運(yùn)，鄧功榮，龔曉霞，范明國(guó)，肖婷婷，尚發(fā)蘭，余瑞云

銦砷銻紅外探測(cè)器的研究進(jìn)展

陳冬瓊，楊文運(yùn)，鄧功榮，龔曉霞，范明國(guó)，肖婷婷，尚發(fā)蘭，余瑞云

（昆明物理研究所，云南 昆明 650223）

InAs1－Sb屬于III-V族化合物半導(dǎo)體合金材料，隨Sb組分含量的不同，室溫下可覆蓋3～12mm波長(zhǎng)，并且InAsSb材料具有載流子壽命長(zhǎng)、吸收系數(shù)大、載流子遷移率高等優(yōu)點(diǎn)，是一種具有廣闊應(yīng)用前景的紅外光電材料。探測(cè)器可以在150K甚至近室溫下工作，具有較高的靈敏度和探測(cè)率，是低功耗、小型化、高靈敏度和快響應(yīng)中長(zhǎng)波紅外探測(cè)系統(tǒng)的良好選擇，InAsSb中長(zhǎng)波紅外探測(cè)器受到廣泛的關(guān)注和研究。本文首先簡(jiǎn)要概述了InAsSb材料的基本性質(zhì)。其次，對(duì)國(guó)內(nèi)外InAsSb紅外探測(cè)器發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行了介紹。最后，對(duì)InAsSb紅外探測(cè)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行了總結(jié)與展望。

紅外探測(cè)器；InAsSb；高工作溫度

0 引言

1958年Woolley等人最早研究了基于InSb的InAs1－Sb合金，確定了InAs-InSb的混溶性[1]、偽二元相位圖[2]、帶隙[3]和有效質(zhì)量等基本性質(zhì)對(duì)成分的依賴性[3]。InAsSb具有高電子遷移率、較高的吸收系數(shù)、低熱產(chǎn)生率等優(yōu)點(diǎn)，此外，隨Sb組分含量的不同，其光譜響應(yīng)截止波長(zhǎng)可在1～14mm范圍內(nèi)變化，是中長(zhǎng)波紅外探測(cè)的理想材料。分子束外延（molecular beam epitaxy, MBE）、液相外延（liquid phase epitaxy, LPE）、和金屬有機(jī)化學(xué)氣相外延（metal-organic chemical vapor deposition, MOCVD）技術(shù)的出現(xiàn)解決了InAsSb材料生長(zhǎng)液-固相分離、固相擴(kuò)散速率低以及InAs和InSb晶格失配等問(wèn)題，極大地促進(jìn)了InAsSb材料的發(fā)展。當(dāng)前對(duì)InAsSb紅外探測(cè)器的研究主要集中在以下幾個(gè)方面：在二元GaSb或GaAs襯底上延伸響應(yīng)波長(zhǎng)；高溫工作紅外探測(cè)器；采用勢(shì)壘結(jié)構(gòu)、浸沒(méi)透鏡、等離子增強(qiáng)技術(shù)提高紅外探測(cè)器性能等。

1 InAsSb合金性質(zhì)

相比于HgCdTe材料襯底昂貴、大面積組分不均勻，器件需制冷降低俄歇復(fù)合，InAs1－Sb的In與As及Sb為共價(jià)鍵結(jié)合，材料穩(wěn)定性均勻性更好，外延生長(zhǎng)采用GaSb或GaAs襯底材料，制造成本較低，同時(shí)具有超高的電子遷移率以及很小的有效質(zhì)量，介電常數(shù)較低（≈11.5），室溫下自擴(kuò)散系數(shù)低（≈5.2×10－16cm2/s）[4-5]。相比于InAs/GaSb超晶格材料，InAsSb材料的肖克萊-里德復(fù)合壽命更長(zhǎng)，InAsSb體材料少數(shù)載流子遷移率各向同性，采用InAs/InAsSb II 類超晶格，由于不含有Ga元素，非輻射復(fù)合中心減小，載流子壽命長(zhǎng)于InAs/GaSb材料[6-7]。此外，采用勢(shì)壘結(jié)構(gòu)器件可顯著降低器件的肖克萊-里德霍爾復(fù)合暗電流和隧穿電流，提升器件工作溫度。

1.1 帶隙

III-V族半導(dǎo)體材料具有閃鋅礦結(jié)構(gòu)，在布里淵區(qū)中心為直接帶隙。InAs1－Sb三元合金的帶隙與組分、能帶彎曲系數(shù)的關(guān)系可以表示為：

g()＝gInSb＋(1－)gInAs－(1－) (1)

文獻(xiàn)[8-16]報(bào)道的InAs1－Sb材料低溫和室溫下Sb組分與帶隙的關(guān)系如圖1所示。根據(jù)不同文獻(xiàn)計(jì)算結(jié)果，在＝0.6附近，InAs1－Sb材料的禁帶寬度最小。InAs1－Sb早期報(bào)道InAsSb材料在溫度接近或高于100K下的能帶彎曲系數(shù)為0.58～0.67eV。Svensson博士在GaSb襯底上通過(guò)變質(zhì)緩沖層外延InAsSb薄膜，通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果擬合計(jì)算得到能帶彎曲系數(shù)＝0.87eV[14]。Webster[10]在GaSb襯底上外延生長(zhǎng)的InAs0.911Sb0.089材料在低溫下彎曲系數(shù)為0.938eV，是目前報(bào)道的最高值，室溫下的能帶彎曲系數(shù)為0.75eV。

圖1 InAs1-xSbx禁帶寬度（Eg）與其成分（x）的關(guān)系曲線：(a) 低溫；(b) 室溫

注：實(shí)線所示是文獻(xiàn)[8-16]報(bào)道的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，為能帶彎曲系數(shù)

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

Y. Lin等人[18]擬合出用MBE法在GaSb襯底采用變質(zhì)緩沖層生長(zhǎng)的InAs0.8Sb0.2的g(0)＝0.26eV，＝3.2meV/K，＝100.4K，生長(zhǎng)的InAs0.56Sb0.44的g(0)＝0.119eV，＝1.2meV/K，＝33.3K。Soibel等人[19]在GaSb襯底上生長(zhǎng)InAs0.91Sb0.09的g(0)＝0.33eV，＝0.4meV/K，＝310K。Lancaster大學(xué)Craig等[20]報(bào)道的在晶格失配GaAs襯底生長(zhǎng)的InAs0.90Sb0.1的g(0)＝0.42eV，＝0.942meV/K，＝641K和晶格匹配GaSb襯底上生長(zhǎng)的InAs0.92Sb0.08的g(0)＝0.39eV，＝0.747meV/K，＝610K。

InAs1－Sb材料的帶隙不僅與材料組分、生長(zhǎng)方法、生長(zhǎng)條件等相關(guān)，還與材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)有序化程度有關(guān)，1989年，Jen等人[21]在InAs或InSb上采用有機(jī)金屬氣相外延（organo-metallic vapor phase epitaxy, OMVPE）生長(zhǎng)InAsSb（0.12≤≤0.78），通過(guò)透射電子顯微鏡首先在InAsSb中觀察到CuPt型有序化結(jié)構(gòu)，即<111>方向的{111}最密排面是按一層InAs一層InSb交替排列的。文獻(xiàn)[22-23]研究表明CuPt型有序化結(jié)構(gòu)可以明顯減小InAsSb的禁帶寬度，有序化程度越高，材料的光學(xué)彎曲效應(yīng)越明顯，禁帶寬度越小。到目前為止，InAs1－Sb材料的禁帶寬度還沒(méi)有完全統(tǒng)一，文獻(xiàn)中報(bào)道的結(jié)果還不完全一致。

1.2 InAsSb能帶排列

兩種不同的半導(dǎo)體構(gòu)成異質(zhì)結(jié)時(shí)，界面處能帶不連續(xù)，已知半導(dǎo)體材料的能隙，能帶偏移可以用導(dǎo)帶偏移Dc和價(jià)帶偏移Dv來(lái)標(biāo)志。Wei和Zunger[24]利用第一性原理計(jì)算方法研究了InAs1－Sb與InSb、InAs的能帶排列。高有序化Cu-Pt結(jié)構(gòu)使富As的InAs1－Sb/InAs能帶排列為I型，當(dāng)不存在Cu-Pt結(jié)構(gòu)有序化且材料存在應(yīng)力時(shí)，InAs1－Sb/InAs能帶排列為II型。2012年，Steenbergen等人[25]研究了InAs/InAs1－Sb的價(jià)帶差模型，InAs1－Sb價(jià)帶彎曲系數(shù)隨Sb組分變化線性變化Cv＝1.58－0.62eV（＝0.28～0.4）。InAs1－Sb（0.20＜Sb＜0.40）材料，12K下價(jià)帶彎曲系數(shù)為－0.38eV[26]，室溫下價(jià)帶彎曲系數(shù)為－0.3eV[18]。InAs1－Sb導(dǎo)價(jià)帶邊與Sb組分的關(guān)系如圖2所示。InAs和InSb的價(jià)帶邊VB分別為－0.59eV和0eV，推薦使用的InAs1－Sb禁帶彎曲系數(shù)和價(jià)帶彎曲系數(shù)為0.87eV和－0.35eV。

圖2 InAs1－xSbx帶邊與其成分x的關(guān)系曲線

1.3 InAsSb材料的輸運(yùn)特性

Rogalski和Jozwikowski在k·p理論的基礎(chǔ)上考慮了導(dǎo)帶價(jià)帶混合對(duì)有效質(zhì)量的影響，將導(dǎo)帶有效質(zhì)量表示為[27]：

式中：＝gv－g，gv＝0.351－0.176，D＝0.39＋0.42。lh*，hh*，s*分別為輕空穴，重空穴和分裂帶有效質(zhì)量。最后，ce*不考慮帶隙混溶的導(dǎo)帶有效質(zhì)量，由Kane方程計(jì)算得出。采用上式計(jì)算得出的e*與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合很好。

Rogalski考慮導(dǎo)帶價(jià)帶混合對(duì)InAs1－Sb的本征載流子濃度的影響，得出InAs1－Sb本征載流子濃度表示為成分和溫度的關(guān)系[27]：

式中：為玻爾茲曼常數(shù)。當(dāng)≈0.63時(shí)，i值最大。

InAs1－Sb薄膜的電子遷移率主要受位錯(cuò)散射、電離雜質(zhì)散射和極性光學(xué)聲子散射的影響，而空穴遷移率主要受位錯(cuò)散射、合金散射和電離雜質(zhì)散射的影響。InAs1－Sb總載流子遷移率可以表示為[28]：

式中：totInSb、totInAs為InSb和InAs總載流子遷移率；tot為InAs1－Sb總載流子遷移率，第一、二項(xiàng)源自線性插值法，第三項(xiàng)考慮了合金擴(kuò)散的影響。

Egan等人[29]理論計(jì)算了InAsSb的電子遷移率，考慮了聲子、合金散射、位錯(cuò)及電離雜質(zhì)散射對(duì)電子遷移率的影響，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比較。結(jié)果表明，溫度較低時(shí)，位錯(cuò)散射和電離雜質(zhì)散射對(duì)電子遷移率起主要作用；合金散射、位錯(cuò)散射和電離雜質(zhì)散射對(duì)空穴遷移率起主要作用。Dixit等人[30]用旋轉(zhuǎn)Bridgman法生長(zhǎng)Sb組分0.9的InAs0.1Sb0.9單晶，15K和室溫下電子遷移率為3.37×104cm2·V－1·s－1和5.6×104cm2·V－1·s－1，15K下空穴遷移率降為175cm2·V－1·s－1。由于生長(zhǎng)方式、組分、襯底材料選取等的差別，不同文獻(xiàn)[31-33]報(bào)道的遷移率值不一致，室溫下電子遷移率多為(1～4)×104cm2·V－1·s－1，且隨溫度的降低而減小。

2 InAsSb紅外探測(cè)器國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

早期報(bào)道的InAsSb器件結(jié)構(gòu)主要為簡(jiǎn)單的pn結(jié)、p-i-n結(jié)構(gòu)，勢(shì)壘型器件（nBn、pBnn、nBnn等）通過(guò)抑制吸收層的產(chǎn)生-復(fù)合電流有效降低器件暗電流提高器件工作溫度，近十幾年報(bào)道的InAsSb器件多采用勢(shì)壘結(jié)構(gòu)，工作在150～300K。表1[34-41]為國(guó)外InAsSb紅外探測(cè)器研究結(jié)果。

1980年，Bubulac等人[42]在GaSb襯底上生長(zhǎng)晶格匹配或近似晶格匹配的n型InAs1－Sb（0.09≤≤0.15）材料，再生長(zhǎng)摻雜Zn的p型InAs1－Sb材料，光子穿過(guò)寬禁帶的GaSb襯底，被InAsSb光敏層吸收。短波長(zhǎng)截止值取決于GaSb襯底，長(zhǎng)波長(zhǎng)截止值取決于InAsSb吸收層。77K溫度下，器件暗電流密度為10－9A/cm2（@－100mV）。

Kim等人[43]首次報(bào)道了工作在室溫下以InAsSb為基礎(chǔ)的長(zhǎng)波（8～14mm）光敏二極管。利用分子束外延技術(shù)在（100）GaAs襯底上生長(zhǎng)n+-InAsSb/p-InAsSb/p+-InAsSb異質(zhì)結(jié)，300K溫度下，器件的響應(yīng)波長(zhǎng)達(dá)7～8mm，300K時(shí)峰值電壓響應(yīng)度是0.32V/W。同時(shí)，他們還研究了GaAs襯底上外延p+Al0.07In0.93Sb/InAs0.06Sb0.94/n+Al0.07In0.93Sb異質(zhì)結(jié)光電器件的室溫特性，300K下，器件截止波長(zhǎng)為8mm，峰值電流響應(yīng)度是0.3A/W，探測(cè)率為2×108Jones。Chakrabarti等人[44]，采用LPE技術(shù)在（100）InAs上生長(zhǎng)p+InAs0.96Sb0.04/i-InAs0.96Sb0.04/n+InAs0.96Sb0.04結(jié)構(gòu)光電探測(cè)器，器件響應(yīng)率5.57×108Jones，材料中SRH缺陷、高摻雜吸收層使器件隧穿電流增大，探測(cè)率降低。

表1 國(guó)外InAs1－xSbx紅外探測(cè)器研究結(jié)果

新加坡南洋理工大學(xué)張道華教授研究團(tuán)隊(duì)[45]在p-i-n異質(zhì)結(jié)的基礎(chǔ)上，在p型接觸層和吸收層之間插入重?fù)诫s寬帶隙的AlGaSb電子勢(shì)壘層，進(jìn)而抑制器件暗電流，引入AlInAsSb層能顯著改善界面質(zhì)量，提高器件性能，器件結(jié)構(gòu)及能帶結(jié)構(gòu)如圖3所示。室溫下沒(méi)有抗反射膜的探測(cè)器、－0.5V偏置電壓、3.5mm處的光譜探測(cè)率達(dá)8.9×109cmHz1/2/W。此外，該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種二維亞波長(zhǎng)金屬孔陣等離子結(jié)構(gòu)增強(qiáng)的室溫中波紅外探測(cè)器，該器件利用金屬表面等離子體增強(qiáng)技術(shù)提高量子效率，實(shí)現(xiàn)室溫工作的InAsSb中波紅外探測(cè)。

2006年，英國(guó)羅徹斯特大學(xué)S. Maimon和G. W. Wicks教授首次提出nBn結(jié)構(gòu)器件[46]，即“n型窄帶隙吸收層-寬帶隙勢(shì)壘層-n型窄帶隙接觸層”，勢(shì)壘層設(shè)置在少數(shù)載流子收集層附近遠(yuǎn)離光學(xué)吸收層，能帶圖如圖4(a)所示，大的導(dǎo)帶偏移Dc阻擋多數(shù)載流子空穴流向接觸區(qū)，減小器件暗電流，較小的價(jià)帶偏移Dv使光生少數(shù)載流子空穴在低偏壓下流向未受阻的接觸區(qū)形成光電流。此外，導(dǎo)帶中的大能量勢(shì)壘起到自鈍化作用能夠抑制表面漏泄電流。如圖4(b)所示，與傳統(tǒng)pn結(jié)器件相比，相同的工作溫度下，nBn器件具有更高的信噪比。

圖3 (a) 光電探測(cè)器截面結(jié)構(gòu)示意圖（不按實(shí)際比例），右邊的插圖是一個(gè)350mm正方形臺(tái)面結(jié)構(gòu)的光學(xué)顯微鏡圖；(b) 室溫零偏壓下結(jié)構(gòu)的能帶結(jié)構(gòu)示意圖[45]

圖4 nBn結(jié)構(gòu)器件：(a) 能帶圖；(b) 普通（實(shí)線）與nBn器件（虛線）暗電流溫度特性理論曲線[46]

目前，國(guó)外從事InAsSb紅外探測(cè)器研究的主要有以色列SCD公司、美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JetPropulsionLaboratory，JPL）、美國(guó)DRS技術(shù)公司和HRL實(shí)驗(yàn)室以及波蘭的AntoniRogalski課題組等。

2008年以來(lái)，以色列SCD公司[47-48]采用XBn勢(shì)壘型器件以抑制器件的暗電流，從而提高器件的工作溫度，器件采用GaSb襯底或GaAs襯底，包括1.5～3mm的n型InAsSb吸收層，0.2～0.35mm的n型AlAsSb勢(shì)壘層，0.2～0.5mm的n型InAsSb或p型GaSb接觸層，器件少數(shù)載流子壽命約為700 ns，150 K下獲得成像清晰的焦平面陣列器件。

美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室AlexanderSoibel[49]等人制備InAs0.915Sb0.085-AlAs0.1Sb0.9nBn結(jié)構(gòu)器件，溫度為77～325K時(shí)，器件的量子效率保持不變?yōu)?5%，當(dāng)溫度為150～325K時(shí)，器件暗電流為擴(kuò)散限電流，當(dāng)溫度低于150K時(shí)，產(chǎn)生-復(fù)合電流占支配地位。溫度為77～220K時(shí)器件少數(shù)載流子壽命為300ns，溫度升高器件少數(shù)載流子壽命變短，溫度升高至325K時(shí)，少數(shù)載流子壽命為100ns。300K工作溫度下*＝1×109cmHz1/2/W，250K工作溫度下*＝5×109cmHz1/2/W。

美國(guó)DRS技術(shù)公司和HRL實(shí)驗(yàn)室報(bào)道了可見(jiàn)光至中波（0.5～5mm）InAsSb高工作溫度、低暗電流大面陣紅外探測(cè)器[50]。在GaAs襯底上外延InAsSb材料，采用新型錐體狀吸收層設(shè)計(jì)和AlSb基復(fù)合勢(shì)壘層設(shè)計(jì)，降低器件暗電流，探測(cè)器*＞1×1010cmHz1/2/W，200K工作溫度下，內(nèi)量子效率＞80%。

波蘭的Antoni Rogalski組研發(fā)人員[51-52]從理論上分析測(cè)試GaAs襯底上外延InAs1－Sb材料禁帶寬度的溫度特性，采用APSYS軟件仿真分析高工作溫度InAsSb/AlAsSb nBn結(jié)構(gòu)器件的光電特性，室溫工作下，當(dāng)組分＞0.15時(shí)，與p-on-n InAs1－Sb器件相比，nBnn n+InAs1－Sb/AlAsSb器件相比具有更高的探測(cè)率。

Sb組分為0.09的InAs0.91Sb0.09材料與GaSb襯底晶格匹配，而高Sb組分InAs1－Sb材料由于缺乏與之晶格匹配的襯底材料，可以通過(guò)外延緩沖層來(lái)消除InAs1－Sb材料與襯底之間的晶格失配。

美國(guó)石溪大學(xué)和陸軍實(shí)驗(yàn)室，在GaSb襯底上MBE外延生長(zhǎng)GaInSb和AlInSb緩沖層，消除InAs0.6Sb0.4與GaSb襯底之間的晶格失配，然后生長(zhǎng)1mm厚的吸收層，勢(shì)壘層采用AlInAsSb四元合金材料，圖5(a)為平衡態(tài)下長(zhǎng)波異質(zhì)結(jié)的能帶圖，圖5(b)為偏置電壓下能帶分布，箭頭表示少子空穴輸運(yùn)方向[53-55]。77K溫度下，光譜探測(cè)率2×1011cm·Hz1/2/W（＝8mm），吸收層InAs0.6Sb0.4的帶隙約為90meV，響應(yīng)波長(zhǎng)8～12mm，少數(shù)載流子（空穴）壽命為185ns、擴(kuò)散長(zhǎng)度為9mm、遷移率為～103cm2/Vs[53-55]。

波蘭VIGO公司[56]采用MBE技術(shù)在（100）GaAs襯底上外延In0.74Al0.26Sb緩沖層，實(shí)現(xiàn)InAs0.3Sb0.7體材料生長(zhǎng)，在n+接觸層和InAs0.3Sb0.7吸收層之間生長(zhǎng)一薄層InAs層，作為空穴勢(shì)壘層阻擋空穴從n+接觸層進(jìn)入吸收層。器件結(jié)構(gòu)和能帶示意圖如圖6所示[56]。300K溫度下，器件50%截止波長(zhǎng)為14.2mm。

美國(guó)俄亥俄州立大學(xué)[57]采用Al0.6In0.4Sb/AlSb數(shù)字合金和Al0.6In0.4Sb/AlSb短周期超晶格InAs1－Sb緩沖層，把穿透位錯(cuò)限制在界面附近，提高外延層質(zhì)量，數(shù)字合金技術(shù)（digital alloy, DA）生長(zhǎng)材料表面光滑、位錯(cuò)密度小，結(jié)構(gòu)與體材料相似。

圖5 長(zhǎng)波勢(shì)壘探測(cè)器異質(zhì)結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)示意圖：(a) 導(dǎo)帶和價(jià)帶能級(jí)；(b) 偏置電壓下能帶分布，少子（空穴），箭頭表示少子空穴輸運(yùn)方向[55]

目前，InAsSb中波紅外焦平面探測(cè)器已出現(xiàn)實(shí)用化商品。最為典型的是以色列SCD公司，2013年，SCD[58]推出第一款nBn中波高溫產(chǎn)品Kinglet，焦平面陣列規(guī)模為640×512，像元中心距為15mm，響應(yīng)波長(zhǎng)3.6～4.2mm；2014年，SCD推出第二款nBn中波高溫產(chǎn)品HOTHerclues，焦平面陣列規(guī)模為1280×1024，像元中心距為15mm，響應(yīng)波長(zhǎng)3.4～4.2mm。

2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)對(duì)InAsSb光電子探測(cè)器的研究與國(guó)際先進(jìn)水平存在較大的差距，大部分的研究集中在材料的制備、表征、材料特性分析上，極少數(shù)對(duì)制備的探測(cè)器性能進(jìn)行了表征分析。

2010年，同濟(jì)大學(xué)高玉竹等人[59]采用熔體外延技術(shù)在InAs襯底上獲得了50mm厚層的InAsSb外延層，用該材料制作了光導(dǎo)探測(cè)器，在探測(cè)器上安裝了鍺（Ge）浸沒(méi)透鏡。非制冷條件下，InAs0.06Sb0.94探測(cè)器在波長(zhǎng)8.0mm及9.0mm處的探測(cè)率*分別為1.3×109cmHz1/2/W及2.8×108cmHz1/2/W，而在波長(zhǎng)6.5mm處，InAs0.06Sb0.94和InAs0.02Sb0.98的峰值探測(cè)率*均大于1.0×109cmHz1/2/W，可應(yīng)用在紅外探測(cè)和成像領(lǐng)域。

2012年，中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所孫常鴻[60]利用水平滑移LPE生長(zhǎng)系統(tǒng)，采用改進(jìn)型液相外延技術(shù)成功在高晶格失配的（100）GaAs襯底上生長(zhǎng)了InAs0.05Sb0.95多晶厚膜材料，分析結(jié)果表明外延膜橫向與縱向組分均勻，與GaAs襯底界限清晰，外延膜室溫截止波長(zhǎng)可達(dá)12.5mm。2014年，黃亮博士針對(duì)InAsSb薄膜和器件進(jìn)行了光譜、性能和少數(shù)載流子壽命的研究[61]。

基于銻化物材料MOCVD生長(zhǎng)的基礎(chǔ)，2016年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)寧振動(dòng)博士[62]探索InAs1－Sb體材料nBn結(jié)構(gòu)中波紅外探測(cè)器的制備并對(duì)制備的器件進(jìn)行簡(jiǎn)單的測(cè)試分析。器件設(shè)計(jì)采用與GaSb襯底晶格匹配的InAs0.91Sb0.09作為有源區(qū)，而勢(shì)壘材料則選擇InPSb0.37。器件在77K及300K時(shí)的截止波長(zhǎng)分別為4.29mm和5.35mm；在－0.8V偏壓下，77K的黑體歸一化探測(cè)率最高為1.2×109cm?Hz1/2/W。

中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所的王婷婷等人[63]在（001）GaAs襯底上生長(zhǎng)n型InAs0.81Sb0.19薄膜材料，通過(guò)Zn擴(kuò)散形成p+n結(jié)，該平面結(jié)構(gòu)避免了因臺(tái)面刻蝕帶來(lái)的器件的側(cè)壁漏電流，85K工作溫度，－0.1V偏置電壓，器件暗電流為0.01A/cm2，5.5mm處的光譜探測(cè)率為5.0×1011cmHz1/2W－1。

2019年，中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所張璇等人[64-65]研究了InAsSb薄膜材料的生長(zhǎng)及InAs0.91Sb0.09/ AlAs0.08Sb0.92nBn結(jié)構(gòu)中波紅外探測(cè)器性能，－0.2V偏壓300K，器件的量子效率為～63.4%，峰值探測(cè)率為2.3×109cmHz1/2W－1。

2020年，謝浩博士[66]采用液相外延技術(shù)（LPE）制備InAs1－Sb基pBin器件結(jié)構(gòu)室溫中波紅外探測(cè)器，＝0.06和＝0.11兩種Sb組分探測(cè)器，室溫下的暗電流密度分別為1.4A/cm2、1.7A/cm2，峰值探測(cè)率分別為1.39×109cmHz1/2/W、1.2×109cmHz1/2/W。

2020年，昆明物理研究所鄧功榮等人[67-68]引入AlAsSb/AlSb復(fù)合勢(shì)壘，成功制備XCBn結(jié)構(gòu)的InAsSb640×512中波紅外焦平面探測(cè)器，150K、－0.4V偏置電壓，暗電流密度～3.9×10－6A/cm2，探測(cè)器峰值探測(cè)率為1.06×1012cmHz1/2W－1，器件結(jié)構(gòu)及熱成像圖如圖7所示[68]。

圖7 XCBn結(jié)構(gòu)器件：(a) 器件結(jié)構(gòu)；(b) 仿真得到能帶圖[68]；(c) 150-205K焦平面器件熱成像圖[68]

3 總結(jié)與展望

綜上所述，本文簡(jiǎn)要概述了InAsSb材料的基本性質(zhì)，表明其是一種具有廣闊應(yīng)用前景的中長(zhǎng)波紅外光電探測(cè)材料。InAs0.91Sb0.09材料與GaSb襯底和AlAsSb寬帶隙材料晶格完全匹配，國(guó)外以nBn結(jié)構(gòu)為代表的中波高溫工作InAs0.91Sb0.09焦平面陣列技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成熟并獲得了廣泛的應(yīng)用；而在國(guó)內(nèi)，InAsSb焦平面陣列的研究起步較晚，還未能實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用。未來(lái)的工作應(yīng)集中在：一是提升InAsSb外延薄膜材料質(zhì)量?jī)?yōu)化器件結(jié)構(gòu)，提高器件性能，進(jìn)一步提高器件的工作溫度，實(shí)現(xiàn)TEC制冷，器件規(guī)模向更大焦平面陣列發(fā)展。二是繼續(xù)探索InAsSb、Ga1－InSb或者Al1－InSb等高質(zhì)量緩沖層生長(zhǎng)方法以消除高Sb組分長(zhǎng)波InAs1－Sb薄膜與GaSb襯底之間的晶格失配，使光譜響應(yīng)范圍向長(zhǎng)波范圍拓展。深入研究InAsSb材料及新型結(jié)構(gòu)器件的物理特性，對(duì)推進(jìn)InAsSb焦平面探測(cè)器的發(fā)展具有重要作用。

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Research Progress of InAsSb Infrared Detectors

CHEN Dongqiong，YANG Wenyun，DENG Gongrong，GONG Xiaoxia，F(xiàn)AN Mingguo，XIAO Tingting，SHANG Falan，YU Ruiyun

(,650223,)

The cut-off wavelength of the spectral responses of the III–V semiconductor alloys InAs1-xSbcan be changed from 3 to 12μm 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 150K 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.

infrared photodetector, InAsSb, high operation temperature

TN216

A

1001-8891(2022)10-1009-09

2021-01-22；

2021-06-16.

陳冬瓊（1989-），女，博士研究生，研究方向是光電材料與器件。E-mail: dqchensci@163.com。

楊文運(yùn)（1968-），男，研高工，研究方向是光電材料與器件。E-mail:yangwenyun@olied.com。

云南省中青年學(xué)術(shù)和技術(shù)帶頭人后備人才項(xiàng)目（202205AC160054）。