InAs1-xSbx屬于III-V族化合物半導體合金材料，隨Sb組分含量的不同，室溫下可覆蓋3~12μm波長，并且InAsSb材料具有載流子壽命長、吸收系數大、載流子遷移率高等優點，是一種具有廣闊應用前景的紅外光電材料。探測器可以在150K甚至近室溫下工作，具有較高的靈敏度和探測率，是低功耗、小型化、高靈敏度和快響應中長波紅外探測系統的良好選擇，InAsSb中長波紅外探測器受到廣泛的關注和研究。當前對InAsSb紅外探測器的研究主要集中在以下幾個方面：在二元GaSb或GaAs襯底上延伸響應波長；高溫工作紅外探測器；采用勢壘結構、浸沒透鏡、等離子增強技術提高紅外探測器性能等。

據麥姆斯咨詢報道，近日，昆明物理研究所楊文運及其團隊在《紅外技術》期刊上發表了題為“銦砷銻紅外探測器的研究進展”的綜述文章。通訊作者為楊文運研高工，主要從事光電材料與器件研究。

本文首先簡要概述了InAsSb材料的基本性質。其次，對國內外InAsSb紅外探測器發展狀況進行了介紹。最后，對InAsSb紅外探測技術的發展進行了總結與展望。

InAsSb 合金性質

相比于HgCdTe材料襯底昂貴、大面積組分不均勻，器件需制冷降低俄歇復合，InAs1-xSbx的In與As及Sb為共價鍵結合，材料穩定性均勻性更好，外延生長采用GaSb或GaAs襯底材料，制造成本較低，同時具有超高的電子遷移率以及很小的有效質量，介電常數較低（≈11.5），室溫下自擴散系數低（≈5.2×10?1?cm2/s）。相比于InAs/GaSb超晶格材料，InAsSb材料的肖克萊-里德復合壽命更長，InAsSb體材料少數載流子遷移率各向同性，采用InAs/InAsSb II類超晶格，由于不含有Ga元素，非輻射復合中心減小，載流子壽命長于InAs/GaSb材料。此外，采用勢壘結構器件可顯著降低器件的肖克萊-里德霍爾復合暗電流和隧穿電流，提升器件工作溫度。

InAsSb 紅外探測器國內外研究現狀

國外研究現狀

早期報道的InAsSb器件結構主要為簡單的pn結、p-i-n結構，勢壘型器件（nBn、pBnn、nBnn等）通過抑制吸收層的產生-復合電流有效降低器件暗電流提高器件工作溫度，近十幾年報道的InAsSb器件多采用勢壘結構，工作在150~300K。

新加坡南洋理工大學張道華教授研究團隊在p-i-n異質結的基礎上，在p型接觸層和吸收層之間插入重摻雜寬帶隙的AlGaSb電子勢壘層，進而抑制器件暗電流，引入AlInAsSb層能顯著改善界面質量，提高器件性能，器件結構及能帶結構如圖1所示。室溫下沒有抗反射膜的探測器、-0.5V偏置電壓、3.5μm處的光譜探測率達8.9×10?cm·Hz1/2/W。

圖1（a）光電探測器截面結構示意圖，右邊的插圖是一個350μm正方形臺面結構的光學顯微鏡圖；（b）室溫零偏壓下結構的能帶結構示意圖

2006年，英國羅徹斯特大學S. Maimon和G. W. Wicks教授首次提出nBn結構器件，即“n型窄帶隙吸收層-寬帶隙勢壘層-n型窄帶隙接觸層”，勢壘層設置在少數載流子收集層附近遠離光學吸收層，能帶圖如圖2（a）所示，大的導帶偏移ΔEc阻擋多數載流子空穴流向接觸區，減小器件暗電流，較小的價帶偏移ΔEv使光生少數載流子空穴在低偏壓下流向未受阻的接觸區形成光電流。此外，導帶中的大能量勢壘起到自鈍化作用能夠抑制表面漏泄電流。如圖2（b）所示，與傳統pn結器件相比，相同的工作溫度下，nBn器件具有更高的信噪比。

圖2 nBn結構器件：（a）能帶圖；（b）普通（實線）與nBn器件（虛線）暗電流溫度特性理論曲線

目前，國外從事InAsSb紅外探測器研究的主要有以色列SCD公司、美國噴氣推進實驗室（JetPropulsion Laboratory，JPL）、美國DRS技術公司和HRL實驗室以及波蘭的Antoni Rogalski課題組等。

2008年以來，以色列SCD公司采用XBn勢壘型器件以抑制器件的暗電流，從而提高器件的工作溫度，器件采用GaSb襯底或GaAs襯底，包括1.5~3μm的n型InAsSb吸收層，0.2~0.35μm的n型AlAsSb勢壘層，0.2~0.5μm的n型InAsSb或p型GaSb接觸層，器件少數載流子壽命約為700ns，150K下獲得成像清晰的焦平面陣列器件。

美國噴氣推進實驗室Alexander Soibel等人制備InAs0.915Sb0.085-AlAs0.1Sb0.9 nBn結構器件，溫度為77~325K時，器件的量子效率保持不變為35%，當溫度為150~325K時，器件暗電流為擴散限電流，當溫度低于150K時，產生-復合電流占支配地位。溫度為77~220K時器件少數載流子壽命為300ns，溫度升高器件少數載流子壽命變短，溫度升高至325K時，少數載流子壽命為100ns。300K工作溫度下D*＝1×10?cm·Hz1/2/W，250K工作溫度下D*＝5×10?cm·Hz1/2/W。

美國DRS技術公司和HRL實驗室報道了可見光至中波（0.5~5μm）InAsSb高工作溫度、低暗電流大面陣紅外探測器。在GaAs襯底上外延InAsSb材料，采用新型錐體狀吸收層設計和AlSb基復合勢壘層設計，降低器件暗電流，探測器D*＞1×101?cm·Hz1/2/W，200K工作溫度下，內量子效率＞80%。

美國石溪大學和陸軍實驗室，在GaSb襯底上MBE外延生長GaInSb和AlInSb緩沖層，消除InAs0.6Sb0.4與GaSb襯底之間的晶格失配，然后生長1μm厚的吸收層，勢壘層采用AlInAsSb四元合金材料，圖3（a）為平衡態下長波異質結的能帶圖，圖3（b）為偏置電壓下能帶分布，箭頭表示少子空穴輸運方向。77K溫度下，光譜探測率2×1011cm·Hz1/2/W（λ=8μm），吸收層InAs0.6Sb0.4的帶隙約為90meV，響應波長8~12μm，少數載流子（空穴）壽命為185ns、擴散長度為9μm、遷移率為~103cm2/Vs。

圖3 長波勢壘探測器異質結的能帶結構示意圖：（a）導帶和價帶能級；（b）偏置電壓下能帶分布，少子（空穴），箭頭表示少子空穴輸運方向

波蘭VIGO公司采用MBE技術在（100）GaAs襯底上外延In0.74Al0.26Sb緩沖層，實現InAs0.3Sb0.7體材料生長，在n?接觸層和InAs0.3Sb0.7吸收層之間生長一薄層InAs層，作為空穴勢壘層阻擋空穴從n?接觸層進入吸收層。器件結構和能帶示意圖如圖4所示。300K溫度下，器件50%截止波長為14.2μm。

圖4 InAsSb 勢壘型異質結：（a）器件結構；（b）能帶示意圖

目前，InAsSb中波紅外焦平面探測器已出現實用化商品。最為典型的是以色列SCD公司，2013年，SCD推出第一款nBn中波高溫產品Kinglet，焦平面陣列規模為640×512，像元中心距為15μm，響應波長3.6~4.2μm；2014年，SCD推出第二款nBn中波高溫產品HOTHerclues， 焦平面陣列規模為1280×1024，像元中心距為15μm，響應波長3.4~4.2μm。

國內研究現狀

國內對InAsSb光電子探測器的研究與國際先進水平存在較大的差距，大部分的研究集中在材料的制備、表征、材料特性分析上，極少數對制備的探測器性能進行了表征分析

2010年，同濟大學高玉竹等人采用熔體外延技術在InAs襯底上獲得了50μm厚層的InAsSb外延層，用該材料制作了光導探測器，在探測器上安裝了鍺（Ge）浸沒透鏡。非制冷條件下，InAs0.06Sb0.94探測器在波長8.0μm及9.0μm處的探測率D*分別為1.3×10?cm·Hz1/2/W 及2.8×10?cm·Hz1/2/W，而在波長6.5μm處，InAs0.06Sb0.94和InAs0.02Sb0.98的峰值探測率D*均大于1.0×10?cm·Hz1/2/W，可應用在紅外探測和成像領域。

基于銻化物材料MOCVD生長的基礎，2016年，哈爾濱工業大學寧振動博士探索InAs1-xSbx體材料nBn結構中波紅外探測器的制備并對制備的器件進行簡單的測試分析。器件設計采用與GaSb襯底晶格匹配的InAs0.91Sb0.09作為有源區，而勢壘材料則選擇InP0.63Sb0.37。器件在77K及300K時的截止波長分別為4.29μm和5.35μm；在-0.8V偏壓下，77K的黑體歸一化探測率最高為1.2×10?cm·Hz1/2/W。

2019年，中國科學院半導體研究所張璇等人研究了InAsSb薄膜材料的生長及InAs0.91Sb0.09/AlAs0.08Sb0.92nBn結構中波紅外探測器性能，-0.2V偏壓300K，器件的量子效率為~63.4%，峰值探測率為2.3×10?cm·Hz1/2/W。

2020年，謝浩博士采用液相外延技術（LPE）制備InAs1-xSbx基pBin器件結構室溫中波紅外探測器，x=0.06和x=0.11兩種Sb組分探測器，室溫下的暗電流密度分別為1.4A/cm2、1.7A/cm2，峰值探測率分別為1.39×10?cm·Hz1/2/W、1.2×10?cm·Hz1/2/W。

2020年，昆明物理研究所鄧功榮等人引入AlAsSb/AlSb復合勢壘，成功制備XCBn結構的InAsSb 640×512中波紅外焦平面探測器，150K、-0.4V偏置電壓，暗電流密度~3.9×10??A/cm2，探測器峰值探測率為1.06×1012cm·Hz1/2/W，器件結構及熱成像圖如圖5所示。

圖5 XCBn結構器件：（a）器件結構；（b）仿真得到能帶圖；（c）150-205K焦平面器件熱成像圖

總結與展望

綜上所述，本文簡要概述了InAsSb材料的基本性質，表明其是一種具有廣闊應用前景的中長波紅外光電探測材料。InAs0.91Sb0.09材料與GaSb襯底和AlAsSb寬帶隙材料晶格完全匹配，國外以nBn結構為代表的中波高溫工作InAs0.91Sb0.09焦平面陣列技術已經發展成熟并獲得了廣泛的應用；而在國內，InAsSb焦平面陣列的研究起步較晚，還未能實現工程化應用。未來的工作應集中在：一是提升InAsSb外延薄膜材料質量優化器件結構，提高器件性能，進一步提高器件的工作溫度，實現TEC制冷，器件規模向更大焦平面陣列發展。二是繼續探索InAsSb、Ga1-yInySb或者Al1-yInySb等高質量緩沖層生長方法以消除高Sb組分長波InAs1-xSbx薄膜與GaSb襯底之間的晶格失配，使光譜響應范圍向長波范圍拓展。深入研究InAsSb材料及新型結構器件的物理特性，對推進InAsSb焦平面探測器的發展具有重要作用。

審核編輯：湯梓紅