基于Ⅱ類超晶格的中波紅外帶間級(jí)聯(lián)探測(cè)器（特邀）

薛婷，黃建亮，鄢紹龍，張艷華，馬文全

（1 中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所 半導(dǎo)體材料科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083）

（2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 材料與光電研究中心，北京 100049）

0 引言

紅外探測(cè)器在氣象探測(cè)、醫(yī)療診斷、對(duì)地觀測(cè)、夜視安防以及預(yù)警與跟蹤等領(lǐng)域有重要的應(yīng)用價(jià)值。目前市場(chǎng)上的高性能紅外探測(cè)器有碲鎘汞（Mercury Cadmium Telluride，MCT）和量子阱探測(cè)器等。其中MCT 探測(cè)器具有帶隙可調(diào)、量子效率高、復(fù)合暗電流低等優(yōu)點(diǎn)，但成本高；量子阱探測(cè)器成本低，但量子阱材料基于子帶間躍遷吸收，量子效率低，而且因?yàn)椴荒芪沾怪比肷涔?，需要制作表面光柵，增加了器件工藝成本。近年?lái)，InAs/GaSb Ⅱ類超晶格（T2SL）得到了廣泛關(guān)注。T2SL 的有效帶隙取決于電子和空穴形成的微帶，通過(guò)調(diào)節(jié)InAs 層和GaSb 層的厚度可以靈活調(diào)節(jié)帶隙實(shí)現(xiàn)約1～32 μm 的探測(cè)，因?yàn)槭菐чg躍遷，其量子效率遠(yuǎn)高于量子阱；而且，在Ⅱ類超晶格結(jié)構(gòu)中，因?yàn)檩p重空穴分離，降低了俄歇復(fù)合率；同時(shí)，由于電子有效質(zhì)量高，降低了隧穿暗電流［1］?；诖瞬牧希蒲腥藛T已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)了短波［2-5］、中波［6-8］、長(zhǎng)波［9-11］和甚長(zhǎng)波［11，13］的紅外探測(cè)。但T2SL 探測(cè)器通常要在低溫下工作，需要制冷，這大大增加了整機(jī)尺寸、功耗和成本。為了降低探測(cè)器的暗電流，不同勢(shì)壘能帶結(jié)構(gòu)的T2SL 探測(cè)器被提出，如采用單極勢(shì)壘［14-15］、互補(bǔ)勢(shì)壘［11］、M 結(jié)構(gòu)勢(shì)壘［16］、雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)［17］的探測(cè)器，以及帶間級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)紅外探測(cè)器［9，18］。

2005年，LI J V 和YANG R Q 采用了與帶間級(jí)聯(lián)激光器（Interband Cascade Laser，ICL）［19-20］相同的結(jié)構(gòu)制備出了帶間級(jí)聯(lián)探測(cè)器（Interband Cascade Infrared Photodetectors，ICIP）［21］，接近當(dāng)時(shí)商用PbSe 光電探測(cè)器的探測(cè)率水平。2010年，YANG R Q 采用InAs/GaSb 二類超晶格作為吸收區(qū)，報(bào)道了室溫下截止波長(zhǎng)為7 μm 的帶間級(jí)聯(lián)探測(cè)器，室溫下探測(cè)率達(dá)到4.5×108cm·Hz1/2/W［22］。KRISHNA S 課題組在2012年制備了七級(jí)帶間級(jí)聯(lián)中波探測(cè)器，295 K 時(shí)100%截止波長(zhǎng)是6.2 μm，探測(cè)率為8.9×108cm·Hz1/2/W［23］。該課題組在2014年制備了五級(jí)帶間級(jí)聯(lián)探測(cè)器焦平面陣列（Interband Cascade Photodetector Focal Plane Array，IC FPA），在300 K 時(shí)50%截止波長(zhǎng)為4.4 μm，最高工作溫度為180 K［24］。近年來(lái)，科研人員將不同的材料與ICIP 結(jié)構(gòu)結(jié)合。中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所制備了InAs 基的中波ICIP［25-26］，在300 K 時(shí)，兩級(jí)和三級(jí)帶間級(jí)聯(lián)探測(cè)器的探測(cè)率分別是2.23×108cm·Hz1/2/W 和1.94×108cm·Hz1/2/W。德國(guó)科學(xué)家BADER A 設(shè)計(jì)并制備了以Ga-free 超晶格材料作為吸收區(qū)的ICIP，目的是將InAs/InAsSb 材料的Ⅱ類超晶格材料的優(yōu)點(diǎn)與帶間級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，但因?yàn)槭艿讲牧仙贁?shù)載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度的限制，峰值探測(cè)率在300 K 只有約108cm·Hz1/2/W［27］。由以上結(jié)果可知，ICIP 在高溫工作條件下的表現(xiàn)優(yōu)于單級(jí)吸收區(qū)探測(cè)器。這是因?yàn)槠胀▎渭?jí)探測(cè)器在高溫時(shí)擴(kuò)散長(zhǎng)度變小，量子效率降低，而ICIP 的分級(jí)結(jié)構(gòu)使得擴(kuò)散長(zhǎng)度大于每一級(jí)吸收區(qū)，從而避免了高溫下變短的擴(kuò)散長(zhǎng)度帶來(lái)的響應(yīng)率的減小；同時(shí)，由于帶間級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)中存在高帶隙的AlSb 材料，且是多個(gè)結(jié)構(gòu)之間串聯(lián)，提高了電阻，這可能會(huì)進(jìn)一步降低暗電流［28］。

基于帶間級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)在高溫工作的優(yōu)勢(shì)，本文采用T2SL 材料作為吸收區(qū)設(shè)計(jì)并制備了一個(gè)五級(jí)帶間級(jí)聯(lián)中波紅外光電探測(cè)器，相比于其他帶間級(jí)聯(lián)探測(cè)器，該器件在達(dá)到相似探測(cè)率水平下截止波長(zhǎng)更長(zhǎng)。且在77～220 K 溫度范圍的暗電流曲線中觀察到了負(fù)微分電阻效應(yīng)（Negative Differential Resistance，NDR），對(duì)峰谷電流比隨溫度升高而降低的趨勢(shì)進(jìn)行了解釋。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及生長(zhǎng)

如圖1所示，帶間級(jí)聯(lián)探測(cè)器采用多級(jí)級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)，每級(jí)由吸收區(qū)、空穴勢(shì)壘區(qū)和電子勢(shì)壘區(qū)組成，吸收區(qū)多采用InAs/GaSb 二類超晶格，空穴勢(shì)壘區(qū)一般采用InAs/AlSb 多量子阱，電子勢(shì)壘區(qū)一般采用GaSb/AlSb 多量子阱。吸收區(qū)位于空穴勢(shì)壘區(qū)和電子勢(shì)壘區(qū)之間，吸收光子能量產(chǎn)生電子，電子向電子勢(shì)壘區(qū)的運(yùn)輸被高勢(shì)壘阻擋，但可以在光學(xué)聲子的輔助下弛豫到最低能級(jí)，再通過(guò)電子勢(shì)壘區(qū)共振隧穿到下一吸收區(qū)的價(jià)帶，完成帶間級(jí)聯(lián)輸運(yùn)過(guò)程。

圖1 探測(cè)器的能帶結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic drawing of the band structure of the detector

在帶間級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)中，空穴勢(shì)壘區(qū)的能級(jí)E1應(yīng)與吸收區(qū)的電子基態(tài)能級(jí)E0接近，電子勢(shì)壘區(qū)的空穴能級(jí)HH02應(yīng)與吸收區(qū)的重空穴能級(jí)HH0接近，相鄰能級(jí)之間的弛豫和隧穿需要光學(xué)聲子的輔助，所以空穴勢(shì)壘區(qū)和電子勢(shì)壘區(qū)的能級(jí)應(yīng)設(shè)計(jì)為等差分布，相鄰能級(jí)之間的能量差應(yīng)為一個(gè)縱向光聲子能量，約為30 meV。

基于以上原理，采用8 k·p 模型對(duì)能帶結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算并對(duì)探測(cè)器中的級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)能級(jí)進(jìn)行設(shè)計(jì)，其中以InAs 材料的價(jià)帶頂為能量零點(diǎn)。為了實(shí)現(xiàn)中波紅外探測(cè)，吸收區(qū)采用InAs（2.4 nm）/GaSb（3.6 nm）超晶格結(jié)構(gòu)，厚度為0.5 μm，對(duì)應(yīng)的電子基態(tài)E0和重空穴基態(tài)HH0分別約為0.72 eV 和0.43 eV。該探測(cè)器利用了從HH0到E0的躍遷，因此吸收區(qū)的有效帶隙為0.29 eV，對(duì)應(yīng)的探測(cè)波長(zhǎng)就是4.28 μm。為了光生載流子輸運(yùn)，空穴勢(shì)壘區(qū)由AlSb（2.1 nm）/InAs（9.0 nm）/AlSb（2.2 nm）/InAs（8.1 nm）/AlSb（2.3 nm）/InAs（7.2 nm）/AlSb（2.4 nm）/InAs（6.3 nm）/AlSb（2.5 nm）/InAs（5.4 nm）/AlSb（2.4 nm）/InAs（4.5 nm）/AlSb（2.3 nm）/InAs（3.6 nm）/AlSb（2.2 nm）/InAs（2.9 nm）/AlSb（2.1 nm）組成，其對(duì)應(yīng)的電子能級(jí)（E1、E2、E3、E4、E5、E6、E7、E8）的差約等于一個(gè)縱向光學(xué)聲子的能量。電子勢(shì)壘區(qū)由兩個(gè)空穴量子阱組成，具體排列是AlSb（2.1 nm）/GaSb（5.3 nm）/AlSb（2.1 nm）/GaSb（7.5 nm）/AlSb（2.1 nm），計(jì)算得到相鄰能級(jí)的能量差與縱向光學(xué)聲子能量有輕微偏差，但基本符合設(shè)計(jì)。

P 型接觸層為0.5 μm 厚的GaSb 和100 個(gè)周期的InAs（2.4 nm）/GaSb（36 nm）超晶格，摻雜濃度為2×1018cm-3；級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)區(qū)由5 個(gè)周期的電子勢(shì)壘區(qū)、吸收區(qū)和空穴勢(shì)壘區(qū)組成；N 型接觸層由100 個(gè)周期的InAs（2.4 nm）/GaSb（3.6 nm）超晶格和20 nm 厚的InAs 層組成，摻雜濃度為2×1018cm-3。外延片樣品采用分子束外延技術(shù)在n 型GaSb（001）襯底上使用As 源和Sb 源生長(zhǎng)，將生長(zhǎng)的樣品進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化光刻和蝕刻制備成方形臺(tái)面結(jié)構(gòu)。方形臺(tái)面的尺寸為300 μm×300 μm。P 型和N 型歐姆接觸電極都采用Ti/Au 金屬。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 暗電流測(cè)試

圖2 是從77 K 到300 K 溫度范圍內(nèi)的變偏壓器件暗電流密度曲線，當(dāng)偏置電壓是-20 mV 時(shí)，在77 K、160 K 和300 K 時(shí)，暗電流密度分別為1.91×10-7A/cm2、1.95×10-5A/cm2和4.3×10-2A/cm2。圖2 中低溫特定正偏壓范圍內(nèi)可以觀察到負(fù)微分電阻效應(yīng)，并且呈現(xiàn)了與溫度相關(guān)的趨勢(shì)。根據(jù)暗電流密度的數(shù)據(jù)，可以計(jì)算得到零偏動(dòng)態(tài)電阻與面積的乘積R0A。例如，在77 K、160 K 和300 K 時(shí)，R0A分別為2.68×104Ω·cm2、1.02×103Ω·cm2和0.44 Ω·cm2。

圖2 77 K 到300 K 的暗電流密度曲線Fig.2 The dark current density curves from 77 K to 300 K

為了對(duì)暗電流機(jī)制進(jìn)行分析，做出如圖3所示的溫度從77 K 到300 K 時(shí)的暗電流密度對(duì)1 000/T（溫度）的依賴關(guān)系，即Arrhenius 曲線。從Arrhenius 圖可知，在180～300 K 之間器件的激活能為279 meV。對(duì)于T2SL 探測(cè)器來(lái)說(shuō)，50%截止波長(zhǎng)非常接近超晶格吸收區(qū)的有效帶隙，即電子基態(tài)能級(jí)和重空穴基態(tài)能級(jí)之間的差。而從圖4（a）可以得到在300 K 時(shí)器件50%截止波長(zhǎng)是4.88 μm，對(duì)應(yīng)的有效帶隙是254 meV。可見(jiàn)激活能非常接近有效帶隙的值，這意味著在180 到300 K 溫度范圍內(nèi)擴(kuò)散暗電流占暗電流的主導(dǎo)地位。這是因?yàn)椴捎昧藥чg級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)，對(duì)于其他結(jié)構(gòu)的T2SL 探測(cè)器，在類似的溫度范圍內(nèi)的暗電流通常以產(chǎn)生-復(fù)合暗電流為主。但在77 K 到140 K 左右的溫度范圍內(nèi)，測(cè)量得到的激活能只有23 meV 左右。該段的暗電流機(jī)制尚不清楚，其中一個(gè)猜測(cè)是測(cè)量得到的暗電流結(jié)果可能包括了暗電流和背景輻照導(dǎo)致的光電流。

圖3 暗電流密度在77 K 到300 K 之間的Arrhenius 圖Fig.3 The Arrhenius plot of the measured dark current density between 77 K and 300 K

圖4 當(dāng)偏置電壓為0 V 時(shí)，器件從77 K 到300 K 下的響應(yīng)率和探測(cè)率D*Fig.4 The responsivity and the detectivity D? of the device from 77 K to 300 K when the bias voltage is 0 V

2.2 響應(yīng)率與探測(cè)率光譜

實(shí)驗(yàn)中采用Bruker Vertex 70 傅里葉紅外光譜儀測(cè)試帶間級(jí)聯(lián)探測(cè)器的光譜，通過(guò)將黑體溫度設(shè)置在800 K 校準(zhǔn)得到光響應(yīng)譜。圖4 是77～300 K 溫度范圍內(nèi)零偏壓時(shí)的響應(yīng)率和探測(cè)率譜。ICIP 的探測(cè)率D*可以通過(guò)以下公式來(lái)計(jì)算［29］

式中，RP是響應(yīng)率，Kb是玻爾茲曼常數(shù)，T是溫度，RdA是動(dòng)態(tài)電阻與面積的乘積，R0A是零偏時(shí)的動(dòng)態(tài)電阻與面積乘積，結(jié)果在圖4（b）中呈現(xiàn)。在77 K 時(shí)，50%截止波長(zhǎng)為4.02 μm，器件的探測(cè)波長(zhǎng)非常接近我們的設(shè)計(jì)，峰值響應(yīng)波長(zhǎng)為3.79 μm，對(duì)應(yīng)的峰值響應(yīng)率為0.52 A/W，探測(cè)率D*為1.26×1012cm·Hz1/2/W。在300 K 時(shí)，器件的50%截止波長(zhǎng)紅移到了4.88 μm，峰值響應(yīng)波長(zhǎng)紅移到了4.47 μm，對(duì)應(yīng)的峰值響應(yīng)率為0.20 A/W，探測(cè)率D*為1.28×109cm·Hz1/2/W。

3 負(fù)微分電阻效應(yīng)分析

2.1 節(jié)中提到，77 K 到220 K 溫度范圍內(nèi)的暗電流中可以觀察到負(fù)微分電阻效應(yīng)（NDR）。在77 K 時(shí)，當(dāng)偏置電壓約為1.12～1.13 V 時(shí)，表現(xiàn)出NDR 效應(yīng)；在100 K 時(shí)，出現(xiàn)NDR 效應(yīng)的偏置電壓轉(zhuǎn)移到了1.05～1.08 V；到200 K 時(shí)，NDR 效應(yīng)的電壓范圍變?yōu)?.72～0.75 V；而當(dāng)溫度升到220 K 時(shí)，峰值暗電流與谷值暗電流重合在0.66 V 處。很明顯，出現(xiàn)NDR 效應(yīng)的偏壓隨溫度變化而變化，即器件中存在共振隧穿現(xiàn)象且隧穿條件隨溫度的變化而變化。

圖5 呈現(xiàn)了NDR 效應(yīng)的峰值暗電流（IP）、谷值暗電流（IV）和峰谷電流比（Peak-to-Valley Current Ratio，PVCR）隨溫度的變化曲線，PVCR 是共振隧穿條件滿足程度的指標(biāo)。在77 K 時(shí)，IP約為7.44×10-4A，IV為4.16×10-4A，PVCR 計(jì)算得1.79。在160 K 時(shí)，IP約為7.45×10-4A，IV是5.69×10-4A，PVCR 變成1.31。在220 K 時(shí)，IP幾乎等于IV，約為8.23×10-4A，此時(shí)PVCR 變?yōu)?，觀察不到NDR 效應(yīng)。從圖5 中可以看出，隨著溫度的升高，IP基本不變，IV變大，PVCR 值降低。暗電流可以表示為

圖5 77 K 到220 K 下的峰值暗電流（IP）、谷值暗電流（IV）以及峰谷電流比（PVCR）Fig.5 The peak dark current（IP），the valley dark current（IV），and the peak-to-valley current ratio（PVCR）from 77 K to 220 K

式中，e為電子電荷，v(V)為平均電子漂移速度，A為探測(cè)器面積，n(V)為產(chǎn)生暗電流的電子濃度。n(V)可以表示為［30］

式中，N(E)為態(tài)密度，f(E)為Fermi-Dirac 分布函數(shù)，E為能量態(tài)，T(E，V)為隧穿概率。在本實(shí)驗(yàn)中，器件的隧穿機(jī)制共有兩種。一種是共振隧穿機(jī)制，另一種是通過(guò)電子勢(shì)壘區(qū)的隧穿機(jī)制。波谷處的暗電流IV主要是通過(guò)帶間級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)中勢(shì)壘的隧穿暗電流。當(dāng)溫度升高時(shí)，N(E)和f(E)的乘積增大，而隧穿概率T(E，V)與能態(tài)成指數(shù)正比關(guān)系，即T(E，V)隨溫度升高指數(shù)升高，所以n(V)急速升高，因此谷點(diǎn)處的暗電流會(huì)隨著溫度的升高而增加。而在NDR 峰值處的暗電流包含了兩種機(jī)制的暗電流，由兩種隧穿機(jī)制共同決定了暗電流的變化。根據(jù)負(fù)微分電阻效應(yīng)的原理，此處共振隧穿電流達(dá)到最大，繼續(xù)升高偏壓則不再滿足共振隧穿條件，暗電流隨之減小。為了簡(jiǎn)化模型，通常將共振隧穿電流的隧穿概率T(E，V)視為一個(gè)常數(shù)。溫度升高時(shí)，滿足共振隧穿條件時(shí)的N(E)和f(E)的乘積減小，n(V)減小，導(dǎo)致共振隧穿暗電流的減小。在暗電流的結(jié)果中可以觀察到IP基本不隨溫度變化，這可能是因?yàn)殡S著溫度的升高共振隧穿暗電流的減小量與通過(guò)勢(shì)壘的暗電流的增大量基本相等。相應(yīng)地，在較高的溫度下，基本不變的IP和升高的IV導(dǎo)致了PVCR 的減小，最終使PVCR 減小到1，不再觀察到負(fù)微分電阻效應(yīng)。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)并制備了一種采用T2SL 材料的帶間級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)的中波紅外光電探測(cè)器。在77 K 時(shí)，50%截止波長(zhǎng)是4.02 μm，0 V 峰值探測(cè)率為1.26×1012cm·Hz1/2/W。在300 K 時(shí)，峰值探測(cè)率達(dá)到1.28×109cm·Hz1/2/W，50%截止波長(zhǎng)是4.88 μm，與其他采用帶間級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)制備的更短波長(zhǎng)的探測(cè)器達(dá)到相同探測(cè)率水平。在180～300 K 的溫度范圍內(nèi)，器件的暗電流主要由擴(kuò)散電流而不是產(chǎn)生復(fù)合電流主導(dǎo)。在77～220 K 溫度范圍內(nèi)的暗電流曲線中也觀察到負(fù)微分電阻（NDR）效應(yīng)。結(jié)果表明，具有帶間級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)的T2SL 探測(cè)器可以進(jìn)行高溫工作，特別是在中波長(zhǎng)范圍內(nèi)。