1 二類超晶格探測(cè)器原理

二類超晶格的概念由IBM研究院的Sai-Halasz和Esaki 等科學(xué)家于1977年提出隨后他們對(duì)InAs/GaSb二類超晶格的能帶結(jié)構(gòu)進(jìn)行了理論計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果：InAs/GaSb 超晶格根據(jù)其周期結(jié)構(gòu)厚度的不同，表現(xiàn)出半導(dǎo)體特性或半金屬特性。

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。

圖1 二類超晶格能帶與材料SEM

InAs/GaSb 超晶格由超薄的 InAs 層與 GaSb 層周期性地交替生長構(gòu)成，超晶格超薄層結(jié)構(gòu)使得材料中的電子和空穴不能被限制在其中某一個(gè)量子阱中，電子和空穴通過勢(shì)壘隧穿形成微帶，如圖 1 所示。二類超晶格這種特殊的能帶結(jié)構(gòu)使其可以表現(xiàn)為不同于組成材料的性質(zhì)，其有效帶隙可以通過周期厚度靈活調(diào)節(jié)。理論計(jì)算結(jié)果顯示二類超晶格有效帶隙可以從 0連續(xù)調(diào)節(jié)到 400meV，具有覆蓋 3.1～30μm 波段紅外探測(cè)能力。并在一定 范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。通過調(diào)節(jié)構(gòu)成周期中各阱層厚度，即可以獨(dú)立調(diào)節(jié)導(dǎo)帶和價(jià)帶，進(jìn)而調(diào)節(jié)帶隙 Eg。

2二類超晶格探測(cè)器結(jié)構(gòu)

當(dāng)前高質(zhì)量的InAs/GaSb 超晶格大都生長在GaSb 襯底上。

1)p-i-n 結(jié)構(gòu)‘

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。

圖2 InAs/GaSb 超晶格中波二極管示意圖

2) “W”結(jié)構(gòu)

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”。

圖3 “W”結(jié)構(gòu)探測(cè)器示意圖

3)“M”結(jié)構(gòu)

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，降低電子遷移率，阻止導(dǎo)帶擴(kuò)散機(jī)制。

圖4 “M”結(jié)構(gòu)示意圖

4)“N”結(jié)構(gòu)

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)。

圖5 “N”結(jié)構(gòu)示意圖

3二類超晶格探測(cè)器優(yōu)勢(shì)

1)響應(yīng)波段寬，且精確可調(diào)。

對(duì)于固定的 InAs 層厚度(26 ?)，GaSb 層厚度越大，截止波長也越短;對(duì)于固定的 GaSb 層厚度(27 ?)，InAs 層厚度越大，截止波長也越長。除了有效帶隙可以在 0～400meV 連續(xù)可調(diào)，覆蓋 3.1～30μm 波段紅外探測(cè)能力外。二類超晶格材料的帶邊(導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂)可以獨(dú)立調(diào)節(jié)，為新型器件結(jié)構(gòu)(特別是勢(shì)壘型器件)設(shè)計(jì)開發(fā)提供了平臺(tái)。

2)載流子有效質(zhì)量大

二類超晶格由于其特殊的能帶結(jié)構(gòu)，載流子有效質(zhì)量相對(duì)較大(對(duì)于長波材料來說，二類超晶格電子有效質(zhì)量約為 0.03m 0 ，碲鎘汞電子有效質(zhì)量約為 0.009m 0 )。大的有效質(zhì)量可以降低探測(cè)器的隧穿電流，而隧穿電流在長波和甚長波碲鎘汞紅外探測(cè)器的暗電流中起主要貢獻(xiàn)。

3)俄歇復(fù)合抑制。

對(duì)于二類超晶格材料來說俄歇復(fù)合可以通過對(duì)能帶結(jié)構(gòu)的調(diào)控加以抑制。長波(8～14 μm)及甚長波(14～20 μm)紅外探測(cè)器的工作溫度相對(duì)較低(T<80 K)，因此其漏電流以隧穿電流為主。InAs/GaSbⅡ類超晶格具有較大的電子有效質(zhì)量，較大的電子有效質(zhì)量抑制了 InAs/GaSb Ⅱ類超晶格中的俄歇復(fù)合

4)光吸收系數(shù)大，量子效率高

InAs/GaSbⅡ類超晶格帶間躍遷，可以吸收正入射，量子效率大于 30%。測(cè)量結(jié)果表明，選擇適當(dāng) 厚度的超晶格層，可以使其量子效率超過 70%。相對(duì)的量子阱探測(cè)器由于量子效率低，量子阱探測(cè)器只能通過延長積分時(shí)間來提高性能，而延長積分時(shí)間又會(huì)使得暗電流對(duì)積分電容的貢獻(xiàn)增大，因此量子阱紅外探測(cè)器只能工作在較低的溫度，量子阱探測(cè)器一般工作在 65～73K。因此，超晶格紅外探測(cè)器相對(duì)于量子阱紅外探測(cè)器有明顯的優(yōu)勢(shì)。

5)均勻性好

利用比較成熟的Ⅲ-Ⅴ族材料的 MBE 生長方法，可以制備出高均勻性的Ⅱ類超晶格材料。二類超晶格材料的電子結(jié)構(gòu)通過組成材料的周期厚度來控制，從分子束外延生長的角度來講，是由三族元素的撞擊速率決定，并不隨生長溫度和束流比變化。相比于三元化合物(碲鎘汞)的摩爾組分控制，二類超晶格材料的周期厚度控制對(duì)生長條件的依賴性更小，從而可以達(dá)到更好的均勻性。

審核編輯：湯梓紅