紅外探測技術在衛星偵察、軍事制導、天文觀測、醫療檢測、現代通信等重要領域發揮著關鍵作用。

II類超晶格（T2SLs）紅外探測器作為繼碲鎘汞探測器之后的新一代紅外探測材料，在穩定性、可制造性和成本等方面具有獨特優勢。

勢壘型InAs/InAsSb T2SLs紅外探測器是最具潛力的T2SLs紅外探測器之一，近年來其關鍵性能得到了穩步提高，但仍受吸收系數低、異質外延生長困難和暗電流大等因素的制約。

據麥姆斯咨詢報道，近日，北京信息科技大學、合肥工業大學、長春理工大學的研究人員組成的團隊在《紅外與激光工程》期刊上發表了題為“勢壘型InAs/InAsSb II類超晶格紅外探測器研究進展”的綜述論文，文中綜述了III-V族T2SLs的發展歷程，分析了勢壘型InAs/InAsSb T2SLs紅外探測器的不同勢壘結構、關鍵性能和發展趨勢，指出了勢壘型InAs/InAsSb T2SLs紅外探測器需要解決的關鍵問題和未來發展方向。

II類超晶格

超晶格按能帶結構分為三種：

（1）以GaAs/AlGaAs為代表的I類超晶格，GaAs的禁帶完全落入AlGaAs的內部，電子和空穴都被限制在材料GaAs中；

（2）以InAs/GaSb為代表的T2SLs，InAs的禁帶和GaSb的禁帶錯開，電子被限制在InAs中，而空穴被限制在GaSb中；

（3）以HgTe/CdTe為代表的III類超晶格，其能帶結構與I類超晶格類似，但其中一種組成材料為半金屬，半金屬的厚度對超晶格的能帶結構起到了決定性的作用。

銻化物T2SLs，通常由窄帶系的6.1?族材料如InAs、GaSb、AlSb、InSb、GaAs和AlAs組成，通過改變周期厚度及材料組分，使得超晶格子帶形成的禁帶寬度小于組成的材料，吸收波長范圍可覆蓋短波到甚長波，展現出優異的能帶可調節性，在紅外探測器及激光器領域有著廣泛的應用。目前，InAs/GaSb和InAs/InAsSb T2SLs被廣泛認為最具潛力的兩種T2SLs材料體系。

圖1 InAs/InAsSb T2SLs發展路線圖

勢壘型InAs/InAsSb T2SLs紅外探測器

單極勢壘結構能阻擋一種載流子類型（電子或空穴），但允許另一種不受阻礙地流動。單極勢壘結構可通過抑制SRH過程降低產生復合（Generation-Recombination，G-R）電流。

基本原理是將耗盡層限制在寬帶隙勢壘材料中，使SRH過程主要發生在寬禁帶的勢壘區而不是窄禁帶的超晶格吸收層中。

同時，寬禁帶的勢壘結構對窄禁帶的超晶格吸收層具有鈍化作用，有助于進一步減少器件的表面泄漏電流。

這種勢壘結構很大程度上解決了III-V族半導體紅外探測器暗電流過大的問題，其發展歷程如圖2所示。

圖2 勢壘結構的發展歷程

nBn結構

2006年，S. Maimona等提出了nBn結構，用勢壘層代替p–n結的空間電荷區，實驗證明該結構能有效地降低暗電流和噪聲，提升器件的工作溫度，在室溫附近具有更高的探測能力。

nBn器件及能帶結構如圖3所示，超晶格吸收層產生光生電子空穴對，勢壘層阻擋多數載流子從上電極注入，并允許少數載流子的漂移。

圖3 nBn器件結構示意圖。（a）nBn探測器結構圖；（b）nBn結構能帶圖

加州理工學院研究人員創立的美國宇航局噴氣推進實驗室（Jet Propulsion Laboratory，JPL）和西北大學量子器件研究中心（Center for Quantum Devices，CQD）都對nBn型InAs/InAsSb T2SLs探測器進行了深入研究。JPL探索了nBn探測器在高工作溫度下的開啟行為，同時也分析了器件在低工作溫度下的暗電流特性及載流子輸運等問題。

2018年，JPL的David Z.Ting等報道了一種基于InAs/InAsSb超晶格的中波高溫勢壘紅外探測器，其采用nBn結構，使用低摻雜的AlAsSb勢壘，探測器在150K的溫度下，50%截止波長為5.37μm。在4.5μm下的量子效率約為52%，?0.2V反向偏壓下的器件暗電流為4.5×10??A/cm2。與InAs/GaSb材料相比，勢壘型InAs/InAsSb超晶格紅外探測器有顯著的高工作溫度優勢，具有很大的潛力。

pBn結構

基于nBn結構，2010年，Andrew等提出了具有能在零偏置狀態下工作的pBn勢壘探測器。pBn結構如圖4（a）所示，由n型摻雜吸收層，n型摻雜InAs/InAsSb勢壘層和p型摻雜接觸層組成。在pBn結構中，p-n結位于重摻雜p型材料和低摻雜n型勢壘之間的界面處，其能帶結構如圖4（b）所示。與nBn結構一樣，由于耗盡區主要存在于勢壘中，pBn結構仍然可以有效減少與SRH中心相關的G-R暗電流，并且不會明顯穿透窄帶隙n型吸收材料。

圖4 pBn器件結構示意圖。（a）pBn探測器結構圖；（b）pBn結構能帶圖

2020年，昆明物理研究所的Deng等人報道了基于InAs/InAsSb T2SLs的pBn FPA器件，實現了50%截止波長為4.8μm，最高工作溫度達到185K。在無防反射涂層的情況下，平均量子效率為57.8%。工作偏壓為?400mV時，暗電流密度達到5.39×10??A/cm2。

2022年，西北大學西部能源光子技術國家重點實驗室和中國科學院半導體研究所聯合報道了使用AlAsSb/InAsSb超晶格勢壘結構的pBn中波紅外光電探測器，在150K下的截止波長約為5.0μm。在150K和?100mV外加偏壓下，光電探測器的暗電流密度為1.2×10??A/cm2，峰值響應率(~4.1μm)下的量子效率為29%，比探測率為1.2×1011cm·Hz1/2/W。

相比于nBn型結構，pBn需要較小的工作電壓，有效降低了器件量子效率對偏壓的依賴性，在低功耗、高動態響應的紅外探測器中有著重要的應用前景。

CBIRD結構

2009年，David Z.Ting等提出一種p型超晶格吸收層被一對電子和空穴單極勢壘包圍的長波長InAs/GaSb紅外探測器結構，即互補勢壘紅外探測器（CBIRD）。

使用p型InAs/GaSb T2SLs吸收層，InAs/GaSb T2SLs電子勢壘和InAs/AlSb T2SLs空穴勢壘結構，可有效解決表面漏電流問題并實現器件量子效率的提升，器件結構如圖5所示。

但對于p型InAs/InAsSb T2SLs吸收層的CBIRD，量子效率的提升具有較大的挑戰。

圖5 p-CBIRD能帶結構圖

2021年，JPL使用CBIRD結構制備勢壘型紅外探測器，該結構實現了截止波長從10.0~15.3μm的覆蓋范圍，其中使用漸變n型InAs/InAsSb T2SLs吸收層和p型InAs/InAsSb T2SLs吸收層組合的互補勢壘紅外探測器結構（pn-CBIRD），其能帶結構圖如圖6所示。

在該類器件中，采用空穴擴散長度所允許的厚度構造n型吸收層，然后在其上疊加p型吸收層，實現了較高的量子效率。在60K，50%截止波長13.3μm的pn-CBIRD InAs/InAsSb T2SLs的暗電流為6.6×10??A/cm2，最大QE為~53%。13.3μm截止pn-CBI-RD樣品在30K溫度，比探測率為9.9×101?cm·Hz1/2/W，顯示出良好的器件性能。

圖6 pn-CBIRD能帶結構圖

通過對比使用n型吸收層、p型和n型組合吸收層或p型吸收層的三種互補勢壘紅外探測器結構，具有p型和n型組合吸收層的pn-CBIRD結構可以實現最小蝕刻深度，實現較小暗電流，三種互補勢壘結構拍攝的畫面如圖7所示。其中n-CBIRD，在77K，0.15V反偏下，截止波長為10.0μm的QE為~25%。而p-CBIRD和pn-CBIRD的QE為~35%，由于使用p型吸收層，p-CBIRD和pn-CBIRD的QE比n-CBIRD要高約10%。

圖7JPL CBIRD FPA成像

勢壘型InAs/InAsSb T2SLs紅外探測器關鍵性能研究進展 目前，InAs/InAsSb T2SLs在中波紅外探測方面有著十分優秀的表現，高工作溫度下的量子效率與MCT探測器相當。

在長波方面，與更為成熟的InAs/GaSb T2SLs相比，InAs/InAsSb T2SLs具有更易于生長,更長的少數載流子壽命等優點，但InAs/InAsSb T2SLs需要更長的超晶格周期來實現相同的截止波長。

同時，在長波波段，InAs/InAsSb T2SLs在生長方向上空穴遷移率低于InAs/GaSb T2SLs，進一步降低了少子擴散長度。而InAs/InAsSb T2SLs的電子遷移率明顯優于空穴遷移率，因此，為了提高量子效率，長波需要采用p型InAs/InAsSb T2SLs作為吸收層，相關性能指標仍處于研發初期。

總體來說，目前InAs/InAsSb T2SLs在高溫工作中波紅外探測器上優勢明顯，為進一步提升勢壘型InAs/InAsSb T2SLs紅外探測器性能，研究人員對其暗電流和探測率等關鍵性能參數進行了詳細研究。

近年來，中波InAs/InAsSb T2SLs紅外探測器的暗電流變化趨勢如圖8所示，在150~160K的條件下，器件的暗電流已經接近Rule 07。這些具有如此低暗電流密度的勢壘型InAs/InAsSb T2SLs將在高溫工作的中波紅外探測器方面極具競爭潛力。

圖8 中波InAs/InAsSb T2SLs暗電流變化趨勢

近年來，報道的中波InAs/InAsSb T2SLs探測率如圖9所示。總體上，中波InAs/InAsSb T2SLs探測率在1011~1012cm·Hz1/2/W，相關的提升機制有待進一步探索。

圖9 中波InAs/InAsSb T2SLs探測率變化趨勢

InAs/InAsSb T2SLs紅外焦平面發展歷程及未來發展方向

國外有許多研究InAs/InAsSb T2SLs的機構，其中以美國噴氣推進實驗室（JPL）和美國西北大學量子器件中心（CQD）兩家機構為主。在國內，昆明物理研究所、中國科學院半導體研究所和中國空空導彈研究院等對InAs/InAsSb T2SLs開展了較多研究，但性能指標與歐美國家仍有較大差距。 勢壘型InAs/InAsSb T2SLs紅外探測器能有效抑制暗電流，提升器件的工作溫度。

目前，中波勢壘型InAs/InAsSb FPA的工作溫度已經超過InSb探測器工作溫度，極大地減少了制冷機的尺寸和重量需求。InAs/InAsSb T2SLs的理論性能可以超越MCT探測器，但尚未被實驗報道。

現階段勢壘型InAs/InAsSb T2SLs紅外探測器主要有以下幾點問題及發展方向： 勢壘型InAs/InAsSb T2SLs紅外探測器波長覆蓋范圍較小，受限于較低的吸收系數及較短的空穴擴散長度，現在報道的勢壘型InAs/InAsSb T2SLs紅外探測器基本都處于中波波段，僅JPL設計出性能良好的長波、甚長波勢壘型InAs/InAsSb T2SLs紅外探測器，但器件性能仍與InAs/GaSb T2SLs紅外探測器有一定的差距。

如何設計出吸收系數高，少子擴散長度大是InAs/InAsSb T2SLs所面臨的重大挑戰及發展方向。 勢壘結構設計與外延生長是低暗電流勢壘型InAs/InAsSb T2SLs紅外探測器面臨的重大挑戰。結構簡單滿足高可靠性要求的導帶勢壘有待進一步研究。

勢壘型InAs/InAsSb T2SLs紅外探測器缺乏高質量鈍化技術，尤其對于p型吸收層的勢壘型器件，器件的側壁表面pn結導致暗電流較高。相比于MCT紅外探測器，勢壘型InAs/InAsSb T2SLs紅外探測器的暗電流還未達到可替代水平，研究降低表面漏電流的方法未來的一個重要發展方向。

結論

紅外探測技術在航天航空、導彈制導，生物醫療等多種領域里發揮著重要作用，暗電流、探測率和工作溫度等關鍵參數決定了紅外探測器的適用范圍。為保證探測精度、探測范圍和探測效率，必須采取有效的方法減小器件暗電流，提高探測率和工作溫度。

勢壘型InAs/InAsSb T2SLs由于較長的少子壽命，較大的缺陷態容忍度，較為簡單的外延生長過程，是InAs/GaSb T2SLs的有力競爭者。勢壘型InAs/InAsSb T2SLs紅外探測器由最初的nBn型單極勢壘到現在的pn-CBIRD的雙極勢壘，實現了中波和長波波段的高效探測。

目前，在中波波段，InAs/InAsSb T2SLs已經實現了與InAs/GaSb T2SLs相匹敵甚至更優的器件性能。但在長波和甚長波波段仍有較大的發展空間。未來，勢壘型InAs/InAsSb T2SLs紅外探測器需要解決吸收系數低、載流子擴散長度短、Sb組分偏析、勢壘結構生長難度大等問題。

審核編輯：劉清