半導體所銻化物二類超晶格紅外探測器研究取得重要突破

　　銻化物InAs/GaSb二類超晶格材料具有二型能帶結構，電子有效質量大，俄歇復合率低，波長調節范圍大（約3-30微米），在高性能制冷型紅外探測器領域具有重要應用。與碲鎘汞紅外探測器相比，二類超晶格紅外探測器材料均勻性好，成本低，在中波及長波波段與碲鎘汞探測器性能相當，在甚長波波段則有較大優勢；與量子阱紅外探測器相比，其量子效率高，性能遠高于量子阱紅外探測器。因此，銻化物InAs/GaSb二類超晶格材料目前在國際上紅外探測器領域引起了廣泛關注，在國防建設、醫療、抗災等方面都有廣泛的應用，成為國際上競相發展的熱點之一。

　　在中國科學院和國家973等計劃的支持下，在陳良惠院士領導下，中科院半導體研究所納米光電子實驗室馬文全小組克服材料生長及器件工藝制作等諸多困難，目前已成功研制出銻化物二類超晶格中波、長波、甚長波及窄帶雙色紅外探測器原型器件。中波、長波及甚長波p-i-n型器件結構的X射線雙晶衍射衛星峰半高寬分別為20、17和21弧秒，應變在10-4量級，表明生長的材料具有極高的質量（圖1）。

　　科研人員研制出的中波器件在77K溫度下的50%截止波長為4.8微米，4.2微米處探測率為2.4×1011cm?Hz0.5/W ，并實現室溫探測（圖2（a）），此結果發表在Japn. J. Appl. Phys.（Vol. 51, 074002, 2012）；長波器件在77K溫度下的50%截止波長為9.6微米（圖2(b)），峰值響應率為3.2A/W，p-i-n型器件結構X射線雙晶衍射衛星峰半寬只有17弧秒，材料質量為目前世界上已有報道中最好結果，此結果發表在IEEE J. Quantum Electron.（Vol. 47, 1475, 2011）；甚長波器件在77K溫度下的50%截止波長為14.5微米，Johnson噪聲限制的探測率為4.3×109cm?Hz0.5/W，p-i-n型器件結構X射線雙晶衍射衛星峰半寬只有21弧秒，材料質量為目前世界上已有報道中最好結果，此結果發表在IEEE J. Quantum Electron.（Vol. 48, 512, 2012）。目前世界范圍內報道了甚長波器件結果的只有美國的西北大學及新墨西哥大學等幾家機構。

　　此外，馬文全小組還成功研制出通過改變偏壓極性實現雙色探測的窄帶型長波/甚長波InAs/GaSb二類超晶格紅外探測器器件，如圖2(d)所示，此器件在77K溫度下的50%的截止波長分別為10和16微米，響應譜屬于窄帶性，兩個響應帶的光學串擾只有約10%，此結果發表在Appl. Phys. Lett.（Vol. 100, 173511, 2012）。

圖1. 中波（MW）、長波（LW）、甚長波（VLW）p-i-n型器件結構的XRD曲線。

圖2 二類超晶格中波（a）、長波（b）、甚長波（c）及長波/甚長波雙色（d）紅外探測器的響應光譜。