高工作温度锑化物红外探测器研究进展

知识点：红外探测器

随着材料制备和器件工艺技术的进步，制冷型红外探测器向着体积小、重量轻、低功耗、高性能和低成本的目标迈进。锑化物材料因其自身特殊的能带结构以及优异的光学性能，在低暗电流和高工作温度应用方面有巨大的发展潜力，可满足多种应用场景的需求。因此，开展高工作温度锑化物红外探测器的研究，具有非常重要的意义。

据麦姆斯咨询报道，近期，云南师范大学能源与环境科学学院郝瑞亭教授课题组在《激光与红外》期刊上发表了以“高工作温度锑化物红外探测器研究进展”为主题的综述文章。郝瑞亭教授主要从事红外探测材料及器件的研究工作。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。

高工作温度锑化物红外探测器研究进展

2004年，高工作温度探测器的设想和概念被Ashley等人率先提出。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、PⅡMN、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。

以色列Semiconductor Device（SCD）公司，于2008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。他们把这个结构应用于InAsSb薄膜和InAs/GaSbⅡ类超晶格材料中。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/GaSbⅡ类超晶格长波器件上。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。

InSb探测器

InSb材料在３～５μｍ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。但因InSb材料波长不可调，温度在77Ｋ时，截止波长为5.5μｍ；到110K以上时，截止波长超过６μｍ；而InSb材料在波长为３～５μｍ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。

InSb/InAlSb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。它们具有较小的暗电流、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，后来成为红外焦平面探测器的重要发展方向。

Al掺杂InSb探测器

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。

InAsSb探测器

研究人员采用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。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。

为了抑制器件的暗电流，提高器件的工作温度或灵敏度，研究人员提出了势垒型InAsSb器件结构，图1为nBn结构的InAsSb器件结构示意图。利用现有的材料生长技术和器件制备工艺，研究人员分别研制出了nBn、pBp、XBn结构的InAsSb中、长波高温红外探测器。

图1 nBn型InAsSb器件结构示意图

InAs/GaSb超晶格红外探测器

基于InAs/GaSbⅡ型应变超晶格中红外探测器的能带结构如图2所示，器件性能经过优化和提升后，目前可在200K下工作。

图2 InAs/GaSb超晶格能带结构示意图

带间级联高温红外探测器

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。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3 带间级联探测器工作原理示意图

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150K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。

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