尚林濤,王 靜,邢偉榮,劉 銘,申 晨,周 朋

(華北光電技術(shù)研究所,北京 100015)

1 引 言

II類應(yīng)力層超晶格(SLS)超晶格(T2SL)材料在探測(cè)器、激光器、調(diào)制器上具有廣泛的應(yīng)用,尤其在紅外探測(cè)領(lǐng)域具有極大的潛力和優(yōu)勢(shì),普遍認(rèn)為可以替代目前主流的HgCdTe材料。相比MCT材料技術(shù)約60年的漫長積累和發(fā)展,二類超晶格技術(shù)從20世紀(jì)70年代末提出至今仍在持續(xù)快速發(fā)展。

1950年H.Kroemer提出異質(zhì)結(jié)可以獨(dú)立控制電子/空穴分布,但當(dāng)時(shí)晶格匹配的體半導(dǎo)體有限,異質(zhì)帶的連續(xù)性較差或難以改變；直到1970年L.Esaki提出超晶格(SL)概念,異質(zhì)結(jié)技術(shù)可以用于獲得能級(jí)和能帶的不連續(xù)控制和更大的靈活性；1977年,諾貝爾獎(jiǎng)得主Sai-Halasz提出T2SL會(huì)成為激光、光電探測(cè)器和晶體等領(lǐng)域重要的材料體系,在紅外領(lǐng)域會(huì)替代MCT；觀點(diǎn)首先被Schulman和McGill在CdTe/HgTe SL材料系統(tǒng)中進(jìn)行了檢驗(yàn),證實(shí)比MCT合金更具均勻性優(yōu)勢(shì)；Smith,McGill和Schulman重新研究了CdTe/HgTe SL理論,確定與體材料相比,T2SLs可以顯著降低帶-帶隧穿,應(yīng)力可有效增強(qiáng)T2SL中光學(xué)吸收,D.L.Smith提出T2SL具有大的電子有效質(zhì)量和重輕空穴帶分裂,俄歇復(fù)合速率低于體半導(dǎo)體。Grein,Young和哈佛大學(xué)的H.Ehrenreich團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了詳細(xì)的理論計(jì)算并將這一概念置于堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)之上。1987年,Smith和Mailhiot提出了被廣泛認(rèn)為是T2SL紅外探測(cè)器理論和概念原型的InAs/GaxIn1-xSb T2SL；1990年,Chow和合作者報(bào)道了長波紅外(LWIR)響應(yīng)的高結(jié)構(gòu)質(zhì)量GaxIn1-xSb/InAs超晶格材料；1997年德國Fraunhofer IAF的Fuchs和同伴展示了77K截止波長8μm探測(cè)率靠近MCT的高性能InAs/GaInSb紅外探測(cè)器二極管；聚焦于7～11μm,美國西北大學(xué)量子器件中心(CQD),美國海軍實(shí)驗(yàn)室(NRL),Rockwell和其他機(jī)構(gòu)開始在Sb基T2SL領(lǐng)域開展廣泛的研究。

目前,世界主要的研究機(jī)構(gòu)如CQD、德國、美國噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)、NRL、瑞典(IRnova)和以色列SCD等很多機(jī)構(gòu)報(bào)道了T2SL材料、器件和FPA的研究進(jìn)展,國內(nèi)也積極開展了全面的研究。本文旨在簡單歸納總結(jié)了T2SL材料的發(fā)展歷史、材料特點(diǎn)和材料的基本結(jié)構(gòu)。

2 T2SL理論

2.1 概 述

T2SL是III-V族6.1?系Sb基材料,由晶格常數(shù)相互接近的InAs(6.0583?),GaSb(6.09593?)和AlSb(6.1355?)及其化合物按照一定的層厚度、組分及順序周期性交替堆疊而構(gòu)成人工晶體,由于相互之間晶格失配小,因而可以生長復(fù)雜的二元或三元化合物。Sb基材料及相關(guān)化合物的能隙,從0.41 eV(InAs)到1.70 eV(AlSb),InAs和GaSb之間的異質(zhì)結(jié)導(dǎo)致了II類“破帶隙”交錯(cuò)排列,InAs導(dǎo)帶比GaSb價(jià)帶低約0.15 eV。InAs和GaSb在層中分別形成電子或空穴量子阱,電子和空穴分別束縛于InAs和GaSb(或InGaSb)量子阱層中,鄰近阱間的隧穿形成導(dǎo)帶或價(jià)帶微帶,微帶或能態(tài)基本依賴于阱寬和勢(shì)壘；帶隙Eg由布里淵區(qū)中心電子微帶E1和第一個(gè)重空穴態(tài)HH1能量差決定,并在一定范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)(如圖1)。

圖1 T2SL理論

通過調(diào)節(jié)構(gòu)成SL周期中各阱層厚度可以獨(dú)立調(diào)節(jié)導(dǎo)帶和價(jià)帶,進(jìn)而調(diào)節(jié)帶隙Eg(或者截止波長λ,λ=1.24/Eg),由于構(gòu)成SL的體材料帶隙大于SL有效帶隙,相比相同截止波長的體材料,SL的暗電流較低,并具良好的材料強(qiáng)健性和可制造性,而且獨(dú)立調(diào)節(jié)導(dǎo)價(jià)帶更利于復(fù)雜的異質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。早期驗(yàn)證了InAs/GaSb,后期也通過InAs/GaInSb進(jìn)行了驗(yàn)證。截止波長可在1.5～30 μm范圍調(diào)節(jié),覆蓋SWIR到VLWIR。實(shí)驗(yàn)上已經(jīng)展示了截止波長2～32μm的超晶格[1]。電子微帶相對(duì)較寬,電子有效質(zhì)量比空穴小,能級(jí)對(duì)InAs阱的厚度更加靈敏；空穴能級(jí)靠近GaSb價(jià)帶頂部,價(jià)帶微帶相對(duì)較窄,不易發(fā)生顯著改變。因此,在超晶格(如InAs/GaSb)中,一般固定價(jià)帶空穴阱(GaSb)寬度而改變導(dǎo)帶電子阱(InAs)寬度來調(diào)節(jié)導(dǎo)帶從而改變帶隙寬度Eg。此外,由于電子阱中相對(duì)小的電子質(zhì)量,電子波函數(shù)可以拓展越過界面與空穴波函數(shù)重疊,微帶間電子-空穴復(fù)合的光學(xué)躍遷大多發(fā)生于電子和空穴波函數(shù)重疊最多的界面,較高的微帶間吸收使其具有高的量子效率(QE),并且可以克服量子阱材料(QWIP)需要借助光柵和折皺并且只可吸收水平入射光的缺陷,超晶格材料也可以吸收垂直入射光,具有較高的QE優(yōu)勢(shì),使得這一窄帶隙Sb基超晶格探測(cè)器非常適合紅外探測(cè)應(yīng)用。通過設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)某Ц癫牧蠈雍窈筒煌瑢娱g應(yīng)力匹配的界面可以構(gòu)筑靈活合理的能帶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),打開設(shè)計(jì)各種符合器件性能要求的新材料結(jié)構(gòu)的可能性(如各種同質(zhì)結(jié)p-i-n結(jié)構(gòu),雙異質(zhì)結(jié)DH、異質(zhì)結(jié)W、M、N、BIRD、CBIRD、p-π-M-N、pbibn、nBn、XBp、pMp等結(jié)構(gòu)),還可以集成吸收層堆棧在一個(gè)焦平面陣列(FPA)像元上實(shí)現(xiàn)集成多色/多帶探測(cè)[2]。因此,T2SL探測(cè)器可以滿足實(shí)現(xiàn)大面陣、高溫工作、高性能、多帶/多色探測(cè)的第三代紅外探測(cè)器需求,尤其在長波紅外(LWIR)和甚長波紅外(VLWIR)及雙色/多帶探測(cè)上可以替代MCT。在通信、遠(yuǎn)程傳感,天體觀測(cè),光譜輻射,醫(yī)藥檢測(cè)[3-4]空間基宇航和陸地污染監(jiān)控,空中監(jiān)控,復(fù)雜環(huán)境中的目標(biāo)確定,血管和癌癥探測(cè)、工業(yè)過程監(jiān)控[5]和疫情防控等軍事和民用領(lǐng)域中具有重要作用。

2.2 T2SL相比MCT的優(yōu)勢(shì)

(1)帶隙工程?？刂艸g1-xCdxTe中的Cd的組分可以調(diào)制MCT探測(cè)器的波長。一個(gè)主要缺陷是隨截止波長增加,波長調(diào)節(jié)難度加大,如圖2,在7 μm截止波長時(shí),組分改變?chǔ)=0.002,截止波長僅改變0.12 μm,但15 μm時(shí),波長改變量就已經(jīng)增到了0.56 μm,因此在8 μm及以上的LW和VLW段制備是個(gè)挑戰(zhàn)；而在II類超晶格中,僅通過改變InAs和GaSb層的厚度而不引入顯著地晶格失配就可以連續(xù)調(diào)節(jié)帶隙(如圖2),從1.5 μm到半金屬(零帶隙)。還可以設(shè)計(jì)采用不同的超晶格變形結(jié)構(gòu)來抑制不同的暗電流分量(如隧穿和G-R電流),通過精細(xì)調(diào)節(jié)能帶結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的器件結(jié)構(gòu)。

圖2 MCT帶隙調(diào)節(jié)示意圖

(2)大尺寸均勻性。MCT材料不僅在較長波長生長制備時(shí)有一定挑戰(zhàn),而且在生長過程中對(duì)束流和溫度非常敏感,導(dǎo)致大尺寸材料組分空間均勻性不易控制,產(chǎn)量較低,如圖3所示。

圖3 大尺寸T2SL性能均勻性

II類超晶格截止波長受控于不同層的厚度而不是組分,受束流和溫度的非均勻性而導(dǎo)致組分改變的影響較小,具有卓越的空間均勻性。Nguyen等在3英寸晶圓上生長的II類超晶格顯示了卓越的跨直徑性能均勻性(包括半峰寬FWHM、R0A、PL和截止波長),Mohseni等[1]已經(jīng)證實(shí)T2SLs在VLWIR范圍具有卓越的均勻性,使其具有大面陣FPA的制備優(yōu)勢(shì)。

(3)大的有效質(zhì)量。根據(jù)凱恩(Kane)理論,半導(dǎo)體的有效質(zhì)量大致正比于帶隙,意味著小帶隙半導(dǎo)體具有小的有效質(zhì)量,導(dǎo)致大的隧穿電流,這是紅外探測(cè)器中主要暗電流來源之一。在II類超晶格中,有效質(zhì)量基本上不遵循凱恩規(guī)則,不隨帶隙下降而幾乎保持恒定。例如在InAs/GaInSb SL中電子有效質(zhì)量m*≈0.02-0.03m0,同樣帶隙Eg≈0.1 eV的HgCdTe合金m*=0.009m0,相比MCT,有效質(zhì)量是其3倍多。隨著波長增大帶隙變小時(shí)大的有效質(zhì)量更具優(yōu)勢(shì),可顯著降低探測(cè)器的隧穿電流[6-7]。

(4)俄歇復(fù)合抑制。通常俄歇復(fù)合在高溫下占據(jù)主導(dǎo),是實(shí)現(xiàn)高溫工作的障礙。實(shí)驗(yàn)證實(shí)通過調(diào)節(jié)自旋-軌道價(jià)帶,重空穴和輕空穴帶可在帶隙中分離(圖4),降低了俄歇復(fù)合機(jī)率和數(shù)量,降低俄歇復(fù)合電流(除了耗盡的MCT),提高載流子有效壽命,提高器件性能。

圖4 MCT和T2SL材料俄歇復(fù)合示意圖

Sb基T2SL理論預(yù)測(cè)探測(cè)率高于MCT(如圖5a)。此外,III-V族材料系統(tǒng)固有的共價(jià)化學(xué)鍵比II-VI族MCT脆弱的Hg-Te離子鍵更強(qiáng)健堅(jiān)固,材料質(zhì)量更高,更穩(wěn)定,使用壽命更長。外延SL材料缺陷一般較低,小于100個(gè)/cm2,而CdZnTe基HgCdTe外延材料為～1000個(gè)/cm2,良好的均勻性可支持大直徑外延(2～6 in)生長,實(shí)現(xiàn)可重復(fù)批量生產(chǎn)(圖5(b)),顯著降低成本；在圖像校正之前就具有平滑的初始成像質(zhì)量(圖5(c))[8]而且無毒、環(huán)境友好[9]。

圖5 MCT與T2SL比較

3 T2SLs材料結(jié)構(gòu)

3.1 建模計(jì)算

超晶格結(jié)構(gòu)建?？梢杂?jì)算能帶并預(yù)測(cè)電學(xué)和光學(xué)屬性。由于生長方向上周期數(shù)和涉及的原子數(shù)較多,SL電子態(tài)的計(jì)算比一般體材料復(fù)雜。各種計(jì)算方法可分為經(jīng)驗(yàn)方法和非經(jīng)驗(yàn)方法兩大類。非經(jīng)驗(yàn)方法包括第一性原理(first principle)、從頭計(jì)算(ab intio)等；經(jīng)驗(yàn)方法包括Kronig-Penney(k.p)模型、經(jīng)驗(yàn)緊束縛模型(ETBM)、贗勢(shì)模型、包絡(luò)函數(shù)近似(EFA)、轉(zhuǎn)移矩陣法等。為了有效指導(dǎo)SL設(shè)計(jì),美國西北大學(xué)CQD采用Yajun Wei等發(fā)起的強(qiáng)大的ETBM方法[1],該方法考慮每個(gè)原子,充分處理超晶格層中或界面中的組分變化,沒有大量復(fù)雜的數(shù)值計(jì)算,在模型尤其考慮了應(yīng)力、界面、Sb偏析以及后來GaSb層中As背景的吸收效應(yīng),進(jìn)行了無數(shù)次實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算符合一致。

3.2 界面問題

形成良好的界面是實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量超晶格材料生長的重要一步,為了從一種二元材料切換到另一種沒有共同元素的二元材料,需要二個(gè)二元材料間具有一個(gè)共同元素的界面。對(duì)InAs/GaSb超晶格,界面可以是InSb或者GaAs(如圖6)。界面的另一個(gè)作用是平衡應(yīng)力和降失配,InSb與GaSb間為壓應(yīng)力(7 %),GaAs與GaSb間為張應(yīng)力(-7 %)。對(duì)于LWIR設(shè)計(jì),由于具有相對(duì)大比例的InAs層,需要插入兩個(gè)InSb層以平衡應(yīng)力；然而,對(duì)于MWIR設(shè)計(jì),InAs層比例相對(duì)較少,兩個(gè)InSb界面將造成太多的張應(yīng)力,CQD采用了一個(gè)InSb界面和一個(gè)三元GaxIn1-xSb界面(生長速率由III族決定,相比SbxAs1-x型界面更可控和可重復(fù))；在M勢(shì)壘MWIR超晶格中,使用了一個(gè)GaAs和一個(gè)InSb界面以平衡應(yīng)力[3]。InSb界面層擴(kuò)展了II類帶排列,允許更強(qiáng)的載流子隧穿和波函數(shù)重疊,而GaAs界面為電子和空穴制造了勢(shì)壘,降低了空穴和電子波函數(shù)重疊,降低了光學(xué)吸收系數(shù)因而降低了超晶格的量子效率,一般要盡量避免使用GaAs界面。

圖6 超晶格的兩種主要界面和能帶排列

圖7 p-i-n型及其雙異質(zhì)結(jié)DH結(jié)構(gòu)

3.3 超晶格幾種主要結(jié)構(gòu)

3.3.1 p-i-n結(jié)構(gòu)

如圖7所示,通常采用p-i-n結(jié)構(gòu)替代簡單的p-n結(jié)構(gòu),由同種超晶格材料構(gòu)成時(shí)為同質(zhì)結(jié)p-i-n結(jié)構(gòu)[10],結(jié)構(gòu)由P型和N型超晶格電極接觸層以及超晶格吸收區(qū)i(π)層構(gòu)成,最頂部為n型InAs或p型GaSb覆蓋層。由于InAs和GaSb的固有摻雜行為,名義上未摻雜的超晶格通?；趦蓪拥南鄬?duì)厚度為輕p型或輕n型,背景摻雜濃度在中1014cm-3。QE主要由三個(gè)參數(shù)決定:吸收系數(shù)、耗盡寬度和少子擴(kuò)散長度。吸收系數(shù)決定光生少子速率,耗盡寬度和少子擴(kuò)散長度是光生少子提取效率的主要因素,大多數(shù)光子載流子須具有足夠長的擴(kuò)散長度才能被電極收集[11]。InAs/GaSb T2SL一個(gè)重要特點(diǎn)是空穴遷移率沿生長方向比平面方向低,如果吸收層為n型(空穴為少子),則容易導(dǎo)致超晶格橫向少子電流擴(kuò)散(串?dāng)_)和差的光生少子收集效率。因此一般采用p型吸收層,并且電子(少子)有效質(zhì)量小,遷移率相對(duì)較高,局域化少,少子壽命更高,擴(kuò)散長度更長,QE較高[12]。為了與常規(guī)的讀出電路ROIC互連時(shí)極性相匹配,通常采用極性反轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)(p型在頂部)。

對(duì)于窄帶隙長波或甚長波超晶格通常采用兩個(gè)寬帶隙接觸層夾在吸收區(qū)兩邊來抑制超晶格活性區(qū)產(chǎn)生的暗電流以及反偏壓下的隧穿電流,因此可以衍化為由不同種超晶格材料構(gòu)成的p-i-n型雙異質(zhì)結(jié)DH結(jié)構(gòu)。

圖8 “W”結(jié)構(gòu)及其結(jié)構(gòu)衍化

3.3.2 “W”結(jié)構(gòu)

NRL的Meyer等最初開發(fā)“W”結(jié)構(gòu)用于增強(qiáng)T2SL中紅外激光器的增益,結(jié)構(gòu)如圖8所示,兩個(gè)InAs“電子阱”位于InGaSb“空穴”阱兩邊,并對(duì)稱束縛于AlSb(或AlGaInSb)“勢(shì)壘”層兩邊,形狀如字母“W”。勢(shì)壘圍繞空穴阱對(duì)稱的限制了電子波函數(shù),增加了電子-空穴波函數(shù)重疊同時(shí)近乎局域化了波函數(shù),導(dǎo)致準(zhǔn)二維態(tài)密度在WSL近帶邊強(qiáng)的吸附。 Fuchs等首次提出WSL用于LWIR和VLWIR單/雙帶探測(cè),相比LWIR的MCT,WSL降低了暗電流約兩個(gè)因子,R0A值可比于當(dāng)時(shí)的HgCdTe。

第一代WSL采用AlSb層為“勢(shì)壘”,第二代WSL使用不到60 %Al、最佳生長溫度靠近InAs和InGaSb的四元?jiǎng)輭緦?QBL)Al0.4Ga0.49In0.11Sb來取代AlSb勢(shì)壘,降低與InAs的導(dǎo)帶偏差,增大電子微帶寬度,增強(qiáng)了垂直電子遷移率,增強(qiáng)了QE。通過一系列(8～10個(gè))合適摻雜的轉(zhuǎn)變WSLs逐漸拉低價(jià)帶,同時(shí)保持空間電荷區(qū)(SCR)導(dǎo)帶近乎平坦,可將高場(chǎng)空間電荷耗盡區(qū)移動(dòng)到更寬帶隙區(qū),稱為耗盡區(qū)梯度帶隙WSL(GGW)二極管；增大了直接和陷阱輔助隧穿帶間隧穿勢(shì)壘,抑制了依賴于本征載流子濃度的俄歇和SRH的產(chǎn)生-復(fù)合過程,抑制暗電流而不衰退QE,暗電流改進(jìn)一階幅度；78 K、10.3 μm WSL展示外圍QE=34 %(8.6 μm,80 K),平均R0A=216 Ω·cm2,可比于MCT；由于GGW結(jié)構(gòu)的自鈍化效應(yīng),邊墻電阻率約為70 kΩ·cm。用更高垂直輸運(yùn)遷移率和均勻帶隙吸收的三元InAs/InGaSbT2SL取代相同窄帶隙WSL作為吸收區(qū)稱為梯度帶隙混合超晶格二極管(GGH)或HSL(TSL)二極管,去除勢(shì)壘層,電子微帶寬度增加四個(gè)因子,沿生長方向有效質(zhì)量降低；由于周期界面數(shù)由四個(gè)降低為兩個(gè),界面散射降低,垂直擴(kuò)散長度超過WSL近兩個(gè)因子,在降低暗電流的同時(shí)極大的增加了QE。采用應(yīng)力補(bǔ)償?shù)腎nAs/AlInSb SL勢(shì)壘(ALSL-B)可以進(jìn)一步增加WSLs耗盡區(qū)的價(jià)帶偏差,理論上更易抑制G-R和隧穿暗電流；使用梯度帶隙結(jié)的DH結(jié)構(gòu)可以構(gòu)筑淺刻蝕平臺(tái)隔離(SEMI)結(jié)構(gòu)以降低表面泄露電流。

圖9 “M”結(jié)構(gòu)及相關(guān)示意圖

3.3.3 “M”結(jié)構(gòu)

M勢(shì)壘結(jié)構(gòu)可以顯著降低暗電流而不影響器件光學(xué)性能。為抑制標(biāo)準(zhǔn)p-n結(jié)擴(kuò)散和帶-帶(BTB)隧穿電流,B-M.Nguyen等提出在i(π)和n區(qū)間插入M結(jié)構(gòu)超晶格勢(shì)壘。如圖9,在M結(jié)構(gòu)中,寬帶隙AlSb層夾在GaSb層中間,有效阻擋鄰近InAs阱中電子波函數(shù)相互接觸重疊,降低隧穿機(jī)率,增大電子有效質(zhì)量(ETBM計(jì)算),降低電子遷移率,阻止導(dǎo)帶擴(kuò)散機(jī)制。AlSb作為空穴勢(shì)壘將GaSb空穴量子阱分裂成兩個(gè)窄量子阱,降低GaSb層隧穿,AlSb層價(jià)帶低于GaSb價(jià)帶,更強(qiáng)的波函數(shù)束縛拉低了價(jià)帶量子阱能級(jí)；并稍微抬高了導(dǎo)帶微帶(相比價(jià)帶改變不顯著),同時(shí)作為導(dǎo)帶中空穴的勢(shì)壘,推動(dòng)其朝向InAs/GaSb界面,重輕空穴被上推束縛于GaSb層量子阱兩邊[3,13],導(dǎo)致強(qiáng)的空間電子波函數(shù)重疊,有利于光學(xué)吸收[13],提高了內(nèi)部量子效率。M結(jié)構(gòu)分裂GaSb成雙阱使價(jià)帶對(duì)GaSb層厚的改變非常靈敏,當(dāng)AlSb增厚時(shí),有效質(zhì)量隨能隙變小迅速增加。M結(jié)構(gòu)有效降低π結(jié)耗盡區(qū)尖銳的三角型內(nèi)置電場(chǎng),拓寬p型和n型空間隧穿勢(shì)壘,大電子有效質(zhì)量使耗盡區(qū)擴(kuò)散和隧穿輸運(yùn)電阻增大,暗電流降低,R0A改進(jìn)一階幅度。M結(jié)構(gòu)保持著II類帶排列,價(jià)帶可下調(diào)推至價(jià)帶(理論波長可低至1.5 μm),在 SWIR可設(shè)計(jì)出很多種高帶隙材料[3,13]。二元結(jié)構(gòu)的簡化性易于與標(biāo)準(zhǔn)的InAs/GaSb超晶格集成,無晶格失配限制,生長靈活。隧穿電流的抵制允許適當(dāng)?shù)脑黾踊钚詤^(qū)p型摻雜級(jí)以抑制擴(kuò)散電流以改進(jìn)光電二極管性能。

在DH結(jié)p-i-n結(jié)構(gòu)的超晶格活性區(qū)i層和n型接觸層之間插入M結(jié)構(gòu)可構(gòu)成p-π-M-n結(jié)構(gòu),高帶隙M勢(shì)壘可避開對(duì)靠近吸收層截止波長的吸收,僅聚焦于器件電學(xué)性能的改進(jìn),是MWIR、LWIR和VLWIR的選擇。高帶隙接觸區(qū)阻止了器件邊墻載流子電荷反轉(zhuǎn),降低了體和表面隧穿泄露電流,改進(jìn)了器件QE。通過選擇合適的M結(jié)構(gòu)能級(jí),降低π區(qū)/M結(jié)構(gòu)界面附加的導(dǎo)帶不連續(xù)性彎曲效應(yīng)[13]或者調(diào)整勢(shì)壘的摻雜級(jí)來降低勢(shì)壘寬度,增大p邊到n邊的導(dǎo)帶隧穿,可在M勢(shì)壘結(jié)構(gòu)的VLWIR p-π-M-n結(jié)構(gòu)中抑制隧穿電流,阻擋大多數(shù)空穴載流子而不影響光學(xué)性能,在p-π-M-n結(jié)構(gòu)中獲得截止波長14.3 μm,沒有鈍化和涂抗反涂層,QE=37 %,R0A=2.1,D*=～4×1010(77 K),等效于最好的MCT。

圖10 “N型”結(jié)構(gòu)

3.3.4 “N”結(jié)構(gòu)

為了提高探測(cè)器的工作溫度和增加探測(cè)率,土耳其Bilkent大學(xué)的Omer Salihoglu[14]于2012年報(bào)道了N型結(jié)構(gòu),如圖10所示,兩層AlSb作為電子勢(shì)壘非對(duì)稱的插在InAs和GaSb層之間,連續(xù)的材料能帶排列很像大寫字母“N”,故稱為N型結(jié)構(gòu)。N型設(shè)計(jì)旨在增加反偏壓下電子和空穴波函數(shù)重疊。N型結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)類似于超晶格pin結(jié)構(gòu),但與對(duì)稱的M結(jié)構(gòu)不同,在非對(duì)稱勢(shì)壘中,吸收增加而沒有任何附加損失。阻止高溫工作的障礙為相對(duì)低的吸收系數(shù)和增加的暗電流,大于吸收層帶隙的N型單極勢(shì)壘可在降低擴(kuò)散電流的同時(shí)保持光電流。在偏壓下,標(biāo)準(zhǔn)pin二極管中的電子和空穴波函數(shù)朝相反方向偏移。當(dāng)AlSb對(duì)稱插入GaSb層中間構(gòu)成M結(jié)構(gòu)時(shí)導(dǎo)致AlSb勢(shì)壘低能級(jí)邊的InAs/GaSb界面處波函數(shù)重疊增加,而更高能級(jí)邊InAs/GaSb界面處重疊變??；當(dāng)AlSb勢(shì)壘非對(duì)稱N型插入GaSb和InAs之間時(shí),電子和空穴波函數(shù)從AlSb勢(shì)壘界面處被推開,在GaSb/InAs界面處重疊增加。計(jì)算表明,使用AlSb勢(shì)壘時(shí)界面吸收增加約25 %。勢(shì)壘可以增加光學(xué)吸收并通過阻擋熱生電子降低擴(kuò)散電流。AlSb勢(shì)壘阻擋了兩個(gè)連續(xù)電子-空穴對(duì)間的相互作用,降低了隧穿機(jī)率并增加了電子有效質(zhì)量。盡管InAs和AlSb間沒有共同的原子很難獲得完美的晶格匹配,但可以像M結(jié)構(gòu)一樣降低暗電流。N型結(jié)構(gòu)SL在LWIR工作時(shí)效果更好。

3.3.5 單/雙極勢(shì)壘結(jié)構(gòu)(nBn/XBn和pMp/XBp、CBIRD和pBiBn、CpDBn)

異質(zhì)結(jié)概念自引入以來在窄帶隙紅外探測(cè)領(lǐng)域被證實(shí)也具有強(qiáng)大應(yīng)用。1963年描述互補(bǔ)單極勢(shì)壘DH激光器可降低吸收層擴(kuò)散暗電流；1987年A.M.White在MCT結(jié)構(gòu)中引入寬帶隙“單極勢(shì)壘”以改進(jìn)光導(dǎo)阻抗而不降低QE；2000年以來nBn、pBp、XBn、CBIRD等“B”形式單極勢(shì)壘出現(xiàn)[15]；Shimon Maimon2003年描述了nBn和XBn的工作原理；2006年,Maimon和Wicks提出和證明了影響深遠(yuǎn)(十年內(nèi)引用達(dá)200多次)的nBn光電探測(cè)器結(jié)構(gòu)[16]。

廣義上異質(zhì)結(jié)超晶格或者基于nBn/pBp/XBn設(shè)計(jì),或者是DH設(shè)計(jì)的變形。第一類包括:單雙帶超晶格nBn、pMp、pBn；第二類包括:DH、p-π-M-N、PbIbN、CBIRD(JPL開發(fā)的DH設(shè)計(jì)的變形)[17]。傳統(tǒng)III-V族材料具有較多耗盡暗電流以及缺乏良好鈍化而較多的表面泄露電流,得益于1958年以來大量MCT的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn),單極勢(shì)壘探測(cè)器BIRD概念(如MCT的DLHJ)也可應(yīng)用于III-V族Sb基T2SL外探測(cè)器,已經(jīng)應(yīng)用于體InAs、InSb、InAsSb、InGaAsSb、InAsPSb和HgCdTe以及InAs/GaSb和InAs/InAsSb T2SL[15,18]。BIRD可以阻止一種載流子(電子或空穴)而不阻止另一種,強(qiáng)烈抑制SRH過程的G-R暗電流,增加光生少子收集效率[15,17,19]；窄帶隙吸收層被寬帶隙勢(shì)壘覆蓋,無需鈍化可降低表面泄露電流[15,18],使得Sb基LWIR探測(cè)器暗電流已經(jīng)接近MCT的水平。6.1?系Sb基SL材料系統(tǒng)構(gòu)筑異質(zhì)結(jié)具有強(qiáng)大的靈活性,如BIRD結(jié)構(gòu),提供了高性能MWIR和LWIR高溫工作和低背景探測(cè)器應(yīng)用的巨大潛力[19-20]。

圖11 單/雙極勢(shì)壘結(jié)構(gòu)(nBn/XBn和pMp/XBp、CBIRD和PbIbN、CpDBn)

如圖11,nBn(或XBn)結(jié)構(gòu)在n型(或p型)接觸層和n型吸收層之間插入勢(shì)壘B,使得吸收層和勢(shì)壘間的n-B異質(zhì)結(jié)具有高的導(dǎo)帶偏差和零價(jià)帶不連續(xù),阻擋多數(shù)載流子暗電流(噪聲),允許光生空穴光電流(信號(hào))通過[15,18]；類似的,pMp(XBp)結(jié)構(gòu)在p型(或n型)接觸層和p型吸收層間插入勢(shì)壘B(或M),使得吸收層和勢(shì)壘間具有高的價(jià)帶偏差和零導(dǎo)帶不連續(xù),阻擋p型多子空穴暗電流輸運(yùn)而允許少子電子通過,電子擴(kuò)散長度更長,QE比nBn高,而且p型材料比n型更穩(wěn)定。nBn和pMp均是少子單極勢(shì)壘器件,是傳統(tǒng)光伏和光導(dǎo)器件的混合體。無B(或M)勢(shì)壘結(jié)構(gòu)時(shí)為傳統(tǒng)的光導(dǎo),有B(或M)結(jié)構(gòu)時(shí)工作類似于光伏。不僅繼承了簡單光導(dǎo)無內(nèi)置電場(chǎng)和電場(chǎng)低的優(yōu)點(diǎn),而且偏壓下電場(chǎng)均勻落在大有效質(zhì)量高阻抗勢(shì)壘區(qū),顯著解決隧穿問題,尤其在LW和VLW上具有優(yōu)勢(shì)。單極勢(shì)壘器件設(shè)計(jì)簡化是偏壓可選的雙色探測(cè)器件的候選。

CBIRD結(jié)構(gòu)采用一對(duì)互補(bǔ)的空穴勢(shì)壘(hB)SL和電子勢(shì)壘(eB)SL將InAs/GaSb吸收層夾在中間,相對(duì)吸收層分別具有零導(dǎo)帶和零價(jià)帶偏差。hB SL降低了陷阱相關(guān)的隧穿,與吸收層間的單極勢(shì)壘Np結(jié)降低了SRH相關(guān)暗電流；eB SL防止了底部接觸額外的電子注入。稱頂部收集電子和空穴的CBIRD器件分別為n-CBIRD和p-CBIRD(通常使用的ROICs為p-on-n器件,從頂部收集空穴。因此CBIRD結(jié)構(gòu)可以顯著降低帶-帶隧穿、G-R和擴(kuò)散電流,并且設(shè)計(jì)具有零開啟偏壓和高的QE,暗電流密度僅約2.5倍于Rule07[17]。

New Mexico大學(xué)設(shè)計(jì)了超晶格基nBn結(jié)構(gòu),并在傳統(tǒng)PIN型超晶格結(jié)構(gòu)的P型和N型接觸電極附近分別插入電子勢(shì)壘(EB)和空穴勢(shì)壘(HB)設(shè)計(jì)了PbIbN結(jié)構(gòu),導(dǎo)致10.8 μm的LW二極管暗電流下降二階幅度。SCD設(shè)計(jì)的XBp超晶格[21]探測(cè)器已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商業(yè)應(yīng)用。美國西北大學(xué)還設(shè)計(jì)了稱為p型接觸雙勢(shì)壘n型吸收區(qū)結(jié)構(gòu)(CpDBn)的雙電子勢(shì)壘結(jié)構(gòu)來降低探測(cè)器的體和表面泄露電流[9,22]。

法國Chriostol也報(bào)道了77 K、11 μmXBp結(jié)構(gòu)的LWIR InAs/GaSb T2SL單元器件性能[23]。美國伊利諾斯州大學(xué)(芝加哥)Kazemi[24]報(bào)道了截止波長5 μm高QE MWIR nBp二極管,InAs/GaSb/AlSb SL,InAs/AlSb SL勢(shì)壘,80 K、零偏QE=62 %(4.5 μm),暗電流 8.5×10-9A/cm2,150 K、50 mV截止波長5.3 μm,QE=64 %(4.5 μm),1.07×10-4A/cm2。結(jié)果在多個(gè)AFRL實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了確定。

圖12 多帶集成探測(cè)示意圖

3.4 超晶格多波段集成

通過設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)某Ц癫牧蠈雍窈筒煌瑢娱g應(yīng)力匹配的界面可以構(gòu)筑靈活合理的能帶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),結(jié)合各種新的材料結(jié)構(gòu)可以在一個(gè)焦平面陣列(FPA)像元上集成吸收層堆棧實(shí)現(xiàn)集成多色/多帶探測(cè)(如圖12)。

4 結(jié) 論

本文簡單歸納總結(jié)了紅外探測(cè)II類超晶格材料的發(fā)展歷史、基本理論、相比MCT材料的優(yōu)勢(shì)和材料的基本結(jié)構(gòu)。通過設(shè)計(jì)6.1?系超晶格材料適當(dāng)?shù)膶雍窈筒煌瑢娱g應(yīng)力匹配的界面可以構(gòu)筑靈活合理的能帶結(jié)構(gòu),打開設(shè)計(jì)各種符合器件性能要求的新材料結(jié)構(gòu)的可能性(如各種同質(zhì)結(jié)p-i-n結(jié)構(gòu),雙異質(zhì)結(jié)DH、異質(zhì)結(jié)W、M、N、BIRD、CBIRD、p-π-M-N、pbibn、nBn、XBp、pMp等結(jié)構(gòu)),還可以在一個(gè)焦平面陣列(FPA)像元上集成吸收層堆棧實(shí)現(xiàn)集成多色/多帶探測(cè)。T2SL探測(cè)器可以滿足實(shí)現(xiàn)大面陣、高溫工作、高性能、多帶/多色探測(cè)的第三代紅外探測(cè)器需求,尤其在長波紅外(LWIR)和甚長波紅外(VLWIR)及雙色/多帶探測(cè)上可以替代MCT。