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红外探测技术在卫星侦察、军事制导、天文观测、医疗检测、现代通信等领域有着重要应用。红外探测器由众多光学元件组成，其中最为重要的是焦平面阵列芯片。当外界的光辐射经过带通滤光片等内置光学元件滤除不需要的光辐射后到达光敏芯片，芯片通过光电效应将光辐射转换为电信号输出到信号处理系统，完成对目标光辐射的探测[1]。红外探测器的性能需求随着技术发展不断上升，从第一代发展到现今的第三代，在性能、成本及稳定性等方面都得到了极大提升。第三代制冷型红外光电探测器的材料主要包含碲镉汞(HgCdTe)[2-3]、量子阱光探测(QWIPs)[4-6]、II类超晶格(T2SLs)[7-9]与量子点光探测(QDIPs)[10-12]。碲镉汞材料量子效率高，迁移率高，响应速度快，但其主要由离子键构成，相互作用力小，导致稳定性差，容易在生长过程中造成材料不均匀及材料缺陷等问题。此外，碲镉汞材料的衬底是价格昂贵的CdZnTe，使碲镉汞材料在成本和良率上陷入劣势[13]。尽管量子阱红外探测器和量子点红外探测器克服了成本问题且具有更低的暗电流和更高的响应度，然而量子阱红外探测器不能直接探测垂直入射辐射且响应波段较窄，单层量子点的密度低，吸收效率较低，外延生长过程中应力的积累会限制量子点的周期数，同时外延生长的量子点尺寸、成分、掺杂的不均匀性都会降低量子点层的吸收系数[14]。
Ⅱ类超晶格红外探测器势阱和势垒层的厚度随探测波长的增大而增大，对于中波Ⅱ类超晶格材料，其势阱和势垒层在2~3 nm之间。电子与空穴不受势阱和势垒层的限制，通过势垒隧穿形成微带。这种电子与空穴隧穿形成的微带之间的距离类似禁带宽度，微带的位置可以通过调节超晶格的组分、厚度以及界面的应变来改变，使得Ⅱ类超晶格红外探测器的光谱响应范围可在2~30 µm范围内调节，覆盖从短波到甚长波的整个红外波段[15]。另外，这种结构使得电子有效质量受探测波长变化的影响较小，从而降低器件的带间隧穿电流[16]。Ⅱ类超晶格材料由III-V共价键构成，材料结构稳定[17-18]，工艺成熟，器件产业化趋势明显，能够匹配GaSb和GaAs等大尺寸商业化衬底[19]。经过20多年的发展，以InAs/GaSb （含Ga）和InAs/InAsSb （不含Ga）为代表的T2SLs有望成为继碲镉汞(MCT)材料之后新一代红外探测材料。
在器件设计方面，为了减小器件暗电流，提高探测器的探测率和工作温度，势垒型结构的T2SLs探测器近年来得到了快速发展。尤其是2006年Maimon 和Wicks等人提出了nBn型势垒结构nBn结构之后[20]，XBn结构[21-22]、互补势垒红外探测器(CBIRD)结构[23-24]、双异质结构(DH)[25-26]和pMp结构[27-28]等多种势垒型结构被应用于T2SLs红外探测器，展现出与传统碲镉汞红外探测器相匹敌的器件性能。
文中介绍了InAs/InAsSb T2SLs的发展历程，总结了nBn、pBn、CBIRD 三种不同势垒结构的发展，分析了近年来势垒型InAs/InAsSb T2SLs红外探测器的关键性能和发展趋势，指出了势垒型InAs/InAsSb T2SLs红外探测器需要解决的关键问题和未来发展方向。
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超晶格按能带结构分为三种：（1）以GaAs/AlGaAs为代表的I类超晶格，GaAs的禁带完全落入AlGaAs的内部，电子和空穴都被限制在材料GaAs中；（2）以InAs/GaSb为代表的T2SLs，InAs的禁带和GaSb的禁带错开，电子被限制在InAs中，而空穴被限制在GaSb中；（3）以HgTe/CdTe为代表的III类超晶格，其能带结构与I类超晶格类似，但其中一种组成材料为半金属，半金属的厚度对超晶格的能带结构起到了决定性的作用。
锑化物T2SLs，通常由窄带系的6.1Å族材料如InAs、GaSb、AlSb、InSb、GaAs和AlAs组成，通过改变周期厚度及材料组分，使得超晶格子带形成的禁带宽度小于组成的材料，吸收波长范围可覆盖短波到甚长波，展现出优异的能带可调节性，在红外探测器及激光器领域有着广泛的应用。目前，InAs/GaSb和InAs/InAsSb T2SLs被广泛认为最具潜力的两种T2SLs材料体系[29]。
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自20世纪70年代开始， InAs/GaSb II 类超晶格被广泛应用于红外探测器研究。近年来，InAs/GaSb II 类超晶格在很多性能参数上，比如外量子效率、响应率等已经可以与MCT相媲美，但仍然受限于少数载流子寿命，主要受限于材料体系内的缺陷态[30]。Ga被认为导致InAs/GaSb II 类超晶格的缺陷态主要来源之一。研究表明，InAs的少子寿命（~325 ns）要比GaSb （~100 ns）的寿命长[31]，并且InAs0.80Sb0.20 的少子寿命(~250 ns)与InAs相当[32]。因此，GaSb或者含Ga的界面材料被认为是引起缺陷态的主要来源之一，其较高的缺陷态密度导致了较大的非辐射复合的暗电流，包括Shockley–Read–Hall (SRH) 非辐射复合，缺陷辅助隧穿 (Trap-assisted tunneling，TAT)电流等，严重制约了InAs/GaSb T2SLs的器件性能。相比于InAs/GaSb，InAs/InAsSb T2SLs具有以下优点：
（1）更长的少子寿命：InAs/InAsSb T2SLs不含Ga原子，杜绝了由于Ga产生的缺陷态，同时异质结界面更为简单，可实现更长的载流子寿命；研究表明，InAs/InAsSb T2SLs比InAs/GaSb T2SLs的少子寿命高了~1-2个数量级，在77 K达到~10 μs，可以和MCT材料相比拟[33]。
（2）更简化的异质外延过程：InAs/InAsSb异质结具有两种相同的元素（In和As），只有Sb是变量元素，具有更加简单的异质结界面结构。InAs/InAsSb T2SLs的能带结构依赖于层的厚度及As/Sb元素之比。由于MBE外延生长过程中，In和As可以一致保持开的状态，只需要控制Sb源挡板阀的开关，就可以完成整个超晶格的生长过程，有望在大规模生产中更好地控制界面及更高的良率[34-35]。
（3）更大的缺陷态容忍度： InAs/InAsSb T2SLs（导带差∆Ec ~142 meV，价带差∆Ev ~226 meV）比InAs/GaSb (导带差∆Ec ~930 meV, 价带差∆Ev ~510 meV)具有较小的导带差和价带差[36]，两种超晶格的能带结构如图1所示。InAs/InAsSb T2SLs的导带较低，缺陷态能级位于导带边之上，具有较大缺陷容忍度，使得相同缺陷态密度下少子寿命更长[37]。
图 1 (a) InAs/GaSb能带结构； (b) InAs/InAsSb能带结构
Figure 1. (a) Band structure of InAs/GaSb; (b) Band structure of InAs/InAsSb
但InAs/InAsSb T2SLs也有诸多的局限性。图1中，两种超晶格都采用InAs电子量子阱，但它们在空穴量子阱方面有所不同：GaSb的价带边明显高于InAsSb的价带边，这将超晶格子价带边(HH1)拉得更高，从而更容易实现更小的超晶格带隙。也就是InAs/InAsSb需要较大的周期厚度达到与InAs/GaSb相同的吸收截止波长，减少了电子-空穴波函数的交叠，从而导致较弱的振子强度和较小的吸收系数[38]。同时，对于生长在GaSb衬底上的InAs/InAsSb T2SLs，InAs层处于轻微拉伸应变，而InAsSb层处于相对较高的压缩应变。通常需要相对较厚的InAs层来对InAs/InAsSb T2SLs中的InAsSb层进行应变平衡补偿。较厚的InAs层导致InAsSb价带量子阱的更大的分离，从而使得生长方向空穴有效质量增大[39-40]，限制了n型吸收层的少子空穴的扩散长度，进而影响器件的量子效率[41]，尤其是在长波红外波段会导致量子效率(QE)较低[42]。
为了提高InAs/InAsSb超晶格的吸收系数，研究人员发现，提高Sb组分，可有效减小周期厚度，增加波函数交叠。但由于严重的As-Sb置换，Sb组分的增加，需要足够高的Sb通量（束流），导致表面残留大量Sb原子，在InAs/InAsSb SLs界面处易诱导Sb偏析问题[43-44]。Sb偏析的产生，使超晶格出现缓变界面，不利于载流子的限制，又对应变的调控带来不确定因素，极大地提高了器件能带设计的难度[45]。
表1总结了InAs/GaSb与InAs/InAsSb超晶格各自的优缺点。总体来说，InAs/InAsSb超晶格材料在均匀性，稳定性和少子寿命上表现突出，高工作温度下暗电流小，且生长简单，是制造低成本、小尺寸、低重量和低功耗(C-SWaP)红外焦平面阵列(IRFPA)的优势材料。
表 1 InAs/GaSb与InAs/InAsSb超晶格优缺点对比
Table 1. Comparison of advantages and disadvantages of InAs/GaSb and InAs/InAsSb superlattices
InAs/InAsSb T2SLs InAs/GaSb T2SLs Longer minority carrier lifetime Higher absorption coefficient Advantages Simpler epitaxy process Greater offset of conduction band and valence band Better defect tolerance Larger cut-off wavelength range Lower absorption coefficient Short minority carrier lifetime Disadvantages Lower vertical hole mobility More complicated epitaxy process Shorter carrier diffusion length Intrinsic defects of Ga atom Sb segregation -
InAs/InAsSb T2SLs的发展路线[46]如图2所示，20世纪90年代Biefeld等首次生长了InAs/InAsSb超晶格[47]，Zhang等报道了InAs/InAsSb T2SLs的光泵浦的中红外激光器，并提出InAs/InAsSb可应用于长波红外探测器[48]。自此之后，有大约10年的时间，InAs/InAsSb超晶格一直处于沉寂期，鲜有研究人员对其进行红外探测器的研究。直到2009年，加拿大西蒙菲莎大学的Lackner等人为了实现低噪声探测，再次研究了InAs/InAsSb超晶格，开展了在GaSb衬底外延生长晶格匹配的InAs和InAsSb的超晶格结构的研究[49]。2011年，Steenbergen等通过时间分辨光致发光(TRPL)研究发现InAs/InAsSb超晶格具有比InAs/GaSb超晶格更长的少子寿命[50]。自此以后，InAs/InAsSb超晶格得到了广泛关注。2015年，美国桑迪亚国家实验室与亚利桑那州立大学、伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校合作表征了InAs/InAsSb T2SLs的少数载流子输运，测量了少子扩散长度及生长方向上的空穴迁移率[51]。同年，Prins等人通过实验表明，InAs/InAsSb T2SLs的缺陷态能级位于导带边之上，证明这类超晶格具有更好的缺陷态容忍能力，在低暗电流红外探测器上具有良好的应用前景[37]。
图 2 InAs/InAsSb T2SLs发展路线图
Figure 2. InAs/InAsSb T2SLs development roadmap
基于InAs/InAsSb T2SLs优异的材料性能，2012年，Kim等在GaSb衬底上外延生长InAs/InAsSb T2SLs，制备了nBn型长波红外探测器[8]。之后InAs/InAsSb超晶格被应用于中波[52-55]、长波[8, 56-59]、甚长波[41]及双色探测器[60]。另外，由于InAs/InAsSb T2SLs较大的缺陷态容忍度等优点，GaAs[59]、Si[52, 54]、Ge-Si[61-62]等衬底外延生长的InAs/InAsSb T2SLs也被先后报道，有望应用于大尺寸、低成本的红外焦平面。
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单极势垒结构能阻挡一种载流子类型(电子或空穴)，但允许另一种不受阻碍地流动。单极势垒结构可通过抑制SRH过程降低产生复合(Generation-Recombination, G-R)电流[20]。基本原理是将耗尽层限制在宽带隙势垒材料中，使SRH过程主要发生在宽禁带的势垒区而不是窄禁带的超晶格吸收层中。同时，宽禁带的势垒结构对窄禁带的超晶格吸收层具有钝化作用，有助于进一步减少器件的表面泄漏电流[63]。这种势垒结构很大程度上解决了III-V族半导体红外探测器暗电流过大的问题，其发展历程如图3所示。
图 3 势垒结构的发展历程
Figure 3. Roadmap of the barrier structure development
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2006年，S. Maimona[20]等提出了nBn结构，用势垒层代替p–n结的空间电荷区，实验证明该结构能有效地降低暗电流和噪声，提升器件的工作温度，在室温附近具有更高的探测能力。
nBn器件及能带结构如图4所示，超晶格吸收层产生光生电子空穴对，势垒层阻挡多数载流子从上电极注入，并允许少数载流子的漂移。理想情况下，nBn型结构中的导带偏移(CBO)必须足够大以阻挡大多数载流子，并且吸收层和势垒层之间的价带偏移(VBO)必须最小化，避免少数载流子空穴在势垒层界面处的积聚。同时，在势垒足够高，势垒区足够厚的情况下能有效抑制载流子的隧穿和热激发产生的暗电流。另外，由于势垒层的禁带宽度比吸收层大，使得势垒层中的SRH复合速率得到了极大的抑制，从而有效降低复合暗电流，提高器件的探测率[64]。另一方面，较大禁带宽度的势垒层可以起到钝化作用，有效减少了nBn器件的表面漏电流。标准光刻工艺后的nBn器件，采用选择性刻蚀在势垒阻挡层上形成接触层，器件有源吸收层被势垒层覆盖，从而避免了器件表面钝化的需求。
图 4 nBn器件结构示意图。(a) nBn探测器结构图；(b) nBn结构能带图
Figure 4. Schematic diagram of the nBn device structure. (a) Structure diagram of nBn detector structure; (b) Energy band diagram of nBn structure
加州理工学院研究人员创立的美国宇航局喷气推进实验室JPL (Jet Propulsion Laboratory)和西北大学量子器件研究中心CQD (Center for Quantum Devices)都对nBn型InAs/InAsSb T2SLs探测器进行了深入研究[65]。JPL探索了nBn探测器在高工作温度下的开启行为，同时也分析了器件在低工作温度下的暗电流特性及载流子输运等问题[66]。2018年，JPL的David Z.Ting[67]等报道了一种基于InAs/InAsSb超晶格的中波高温势垒红外探测器，其采用nBn结构，使用低掺杂的AlAsSb势垒，探测器在150 K的温度下，50%截止波长为5.37 μm。在4.5 μm下的量子效率约为52%，−0.2 V反向偏压下的器件暗电流为4.5×10−5 A/cm2。与InAs/GaSb材料相比，势垒型InAs/InAsSb超晶格红外探测器有显著的高工作温度优势，具有很大的潜力[68]。
值得注意的是，在InAs/InAsSb T2SLs nBn探测器中，AlAsSb三元合金常被用作势垒层。但AlAsSb很容易在干法刻蚀等工艺加工的过程中氧化，在吸收层的表面形成氧化层，产生表面漏电流。同时，AlAsSb主要通过调节组分的方法实现近零的价带偏移，在势垒层/衬底（GaSb）晶格匹配的条件下，三元合金势垒会与吸收层不可避免形成价带偏移，使得器件的导通电压升高，增加器件的暗电流[69]。2022年，韩国i3system的Ahreum Jang等研究了一种InAs/AlAsSb/InAsSb T2SLs新型势垒，其具有最小限度的价带偏移(~0.007 eV)和接近零的导通电压(T2SLs势垒和AlAsSb势垒分别约为−0.1 eV和−0.15 eV)，器件的暗电流密度达到1.57×10−8 A/cm2 (130 K)，比三元合金势垒nBn器件的暗电流密度降低了20倍[70]。
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基于nBn结构，2010年，Andrew[71]等提出了具有能在零偏置状态下工作的pBn势垒探测器。pBn结构如图5(a)所示，由n型掺杂吸收层，n型掺杂InAs/InAsSb势垒层和p型掺杂接触层组成。在pBn结构中，p-n结位于重掺杂p型材料和低掺杂n型势垒之间的界面处，其能带结构如图5(b)所示。与nBn结构一样，由于耗尽区主要存在于势垒中，pBn结构仍然可以有效减少与SRH中心相关的G-R暗电流，并且不会明显穿透窄带隙n型吸收材料。
图 5 pBn器件结构示意图。(a) pBn探测器结构图；(b) pBn结构能带图
Figure 5. Schematic diagram of the pBn device structure. (a) Structure diagram of pBn detector structure; (b) Energy band diagram of pBn structure
2020年，昆明物理研究所的Deng[72]等人报道了基于InAs/InAsSb T2SLs的pBn FPA器件，实现了50%截止波长为4.8 μm，最高工作温度达到185 K。在无防反射涂层的情况下，平均量子效率为57.8%。工作偏压为−400 mV时，暗电流密度达到5.39×10−5 A/cm2。2022年，西北大学西部能源光子技术国家重点实验室和中国科学院半导体研究所联合报道了使用AlAsSb/InAsSb超晶格势垒结构的pBn中波红外光电探测器，在150 K下的截止波长约为5.0 µm。在150 K和−100 mV外加偏压下，光电探测器的暗电流密度为1.2×10−4 A/cm2，峰值响应率(~4.1 µm)下的量子效率为29%，比探测率为1.2×1011 cm·Hz1//2/W[73]。相比于nBn型结构，pBn需要较小的工作电压，有效降低了器件量子效率对偏压的依赖性，在低功耗、高动态响应的红外探测器中有着重要的应用前景。
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由于InAs/InAsSb较短的空穴扩散长度限制了nBn器件在量子效率上的提升。采用p型超晶格吸收层，利用较长的电子扩散长度，可有效提升器件的量子效率。2009年，David Z.Ting等提出一种p型超晶格吸收层被一对电子和空穴单极势垒包围的长波长InAs/GaSb红外探测器结构，即互补势垒红外探测器（CBIRD)。使用p型InAs/GaSb T2SLs 吸收层，InAs/GaSb T2SLs电子势垒和InAs/AlSb T2SLs空穴势垒结构，可有效解决表面漏电流问题并实现器件量子效率的提升[24]，器件结构如图6所示。但对于p型InAs/InAsSb T2SLs吸收层的CBIRD，量子效率的提升具有较大的挑战。
图 6 p-CBIRD能带结构图
Figure 6. Energy band structure diagram of p-CBIRD
在p型InAs/InAsSb T2SLs作为吸收层CBIRD中，探测器阵列需要暴露整个吸收层部分进行深台面蚀刻。尽管InAs/InAsSb T2SLs进行了p型掺杂，其表面仍为简并n型，暴露的侧壁受到表面p-n+结和表面缺陷的影响，形成新的暗电流产生路径[74]。CBIRD结构可以利用n型电子势垒有效抑制表面泄露电子形成的暗电流，但无法有效避免表面p-n+导致的G-R电流和隧穿电流。与仅使用p型吸收层不同，具有p型和n型吸收层部分组合的CBIRD可以采用较浅的台面蚀刻，减少p型吸收层暴露的表面积。
2021年，JPL 使用 CBIRD 结构制备势垒型红外探测器，该结构实现了截止波长从10.0~15.3 μm的覆盖范围，其中使用渐变n型InAs/InAsSb T2SLs吸收层和p型InAs/InAsSb T2SLs吸收层组合的互补势垒红外探测器结构(pn-CBIRD)[75]，其能带结构图如图7所示。在该类器件中，采用空穴扩散长度所允许的厚度构造n型吸收层，然后在其上叠加p型吸收层，实现了较高的量子效率。在60 K，50%截止波长13.3 µm的pn-CBIRD InAs/InAsSb T2SLs的暗电流为6.6×10−5 A/cm2，最大QE为~53%。13.3 µm截止pn-CBI-RD样品在30 K温度，比探测率为9.9×1010 cm·Hz1/2/W，显示出良好的器件性能[76]。
图 7 pn-CBIRD能带结构图
Figure 7. Energy band structure diagram of pn-CBIRD
通过对比使用n型吸收层、p型和n型组合吸收层或p型吸收层的三种互补势垒红外探测器结构，具有p型和n型组合吸收层的pn-CBIRD结构可以实现最小蚀刻深度，实现较小暗电流[76]，三种互补势垒结构拍摄的画面如图8所示。其中n-CBIRD，在77 K，0.15 V反偏下，截止波长为10.0 µm的QE为~25%。而p-CBIRD和pn-CBIRD的QE为~35%，由于使用p型吸收层，p-CBIRD和pn-CBIRD的QE比n-CBIRD要高约10%。
CBIRD结构可以有效解决表面漏电流问题，同时，通过调整势垒处附近的掺杂分布，可以进一步降低隧穿电流。但是其较短的空穴扩散长度和较低的吸收系数，限制了器件QE的进一步提升。尽管使用p型吸收层能够增加少子扩散长度，但是目前报道的探测性能还不够理想，在偏压较高时暗电流会迅速上升。因此，CBIRD结构还有很大的研究发展空间。
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nBn结构与传统p-n结相比，空间电荷区被阻挡电子的单极势垒层替代，p型接触层被 n型接触层替代，有效地减少与SRH中心相关的G-R电流。nBn结构的势垒层位置接近少数载流子接触层，且距离光学吸收区域较远，多数载流子的扩散被耗尽区的势垒阻挡，同时少数载流子可以相对自由地穿过器件，保证了高的量子效率，相比于p-n结，结合InAs/InAsSb T2SLs 较长少子寿命等优势，nBn InAs/InAsSb T2SLs探测器的暗电流得到了极大的降低，但需要一定的偏置电压进行工作。
pBn结构与nBn结构的不同之处在于，nBn结构中的n型接触层变为p型接触层，p型接触层和n型势垒层提供了内建电场，使器件能够零偏置工作。同时，p型接触层可以提升少数载流子空穴的传输效率，从而获得更高的量子效率[78]。但是p型层也同时引入较大的SRH复合电流，增大了器件的暗电流。
受限于较短的空穴扩散长度，InAs/InAsSb T2SLs在长波红外波段难以采用nBn和pBn型结构。CBIRD结构使用p型吸收层，通过较长的电子（少子）扩散长度可有效提高器件的量子效率。利用n型电子势垒可有效抑制表面泄露暗电流，但InAs/InAsSb T2SLs表面为n型简并，即使对其进行p型掺杂，不可避免引入表面p-n+结导致的G-R电流和隧穿电流。目前减少这种暗电流的方法是同时采用p型与n型吸收层，使n型吸收层的厚度尽可能接近空穴（少子）的扩散长度，目前，该类器件性能还有较大的提升空间。
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目前，InAs/InAsSb T2SLs在中波红外探测方面有着十分优秀的表现，高工作温度下的量子效率与MCT探测器相当。在长波方面，与更为成熟的InAs/GaSb T2SLs相比，InAs/InAsSb T2SLs具有更易于生长,更长的少数载流子寿命等优点，但InAs/InAsSb T2SLs需要更长的超晶格周期来实现相同的截止波长[79]。同时，在长波波段，InAs/InAsSb T2SLs在生长方向上空穴迁移率低于InAs/GaSb T2SLs，进一步降低了少子扩散长度。而InAs/InAsSb T2SLs的电子迁移率明显优于空穴迁移率[80]，因此，为了提高量子效率，长波需要采用p型InAs/InAsSb T2SLs作为吸收层，相关性能指标仍处于研发初期。总体来说，目前InAs/InAsSb T2SLs在高温工作中波红外探测器上优势明显，为进一步提升势垒型InAs/InAsSb T2SLs红外探测器性能，研究人员对其暗电流和探测率等关键性能参数进行了详细研究。
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暗电流是指在没有外加光辐射，探测器在外加偏压时产生的电流。暗电流一般由载流子的扩散或者器件表面和内部的缺陷以及杂质引起。对于T2SLs红外探测器其暗电流包含四种机制：扩散电流、产生-复合电流、隧穿电流、表面泄漏电流。
扩散电流与少数载流子密切相关。扩散电流Idiff随少子寿命τ延长而减少（Idiff ~ τ−1）。InAs/InAsSb T2SLs的少子寿命比InAs/GaSb T2SLs的延长了数十倍，理论上扩散电流将比InAs/GaSb T2SLs小数十倍，但实验上并没有得到证明。
器件的内部会存在许多不同的缺陷和杂质。在器件工作时，这些缺陷和杂质会捕获电子和空穴进行复合，产生G-R复合暗电流。G-R复合暗电流主要发生在耗尽层，也是pn型T2SLs红外探测器的主要组成部分。采用势垒型结构InAs/InAsSb T2SLs探测器可有效抑制G-R复合电流，降低器件G-R复合暗电流。
隧穿电流包括带间隧穿电流和陷阱辅助隧穿电流。隧穿电流与有效质量、掺杂浓度及外加电场密切相关。当器件的反向工作电压较大时，隧穿电流较大。势垒型结构InAs/InAsSb T2SLs探测器中降低器件工作电压是降低隧穿电流的有效途径。
表面漏电流是由于在蚀刻过程中器件侧壁形成的界面态产生的暗电流，势垒型结构能够有效地抑制表面泄漏暗电流[81]。
近年来，中波InAs/InAsSb T2SLs红外探测器的暗电流变化趋势如图9所示，在150~160 K的条件下，器件的暗电流已经接近Rule 07。这些具有如此低暗电流密度的势垒型 InAs/InAsSb T2SLs将在高温工作的中波红外探测器方面极具竞争潜力。
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光电探测器的噪声等效功率（NEP），是探测器的本征属性，和器件面积、测试环境有关。为了屏蔽这两者的影响，1953年Jones[89]定义了归一化探测率D*：
$$ {{{D}}^*} = D \times {({{{A}}_{{e}}} \cdot \Delta {{f}})^{1/2}}[{\text{cm}} \cdot {\text{H}}{{\text{z}}^{1/2}}/{\text{W}}] $$ (1) 式中：D为探测率即噪声等效功率的倒数；
${{A}}_{e}$ 为器件面积；$\mathrm{\Delta }{f}$ 为检测带宽。温度较高时，归一化探测性能受热噪声限制，此时归一化探测率D*为：$$ {D^*} = \frac{{q\lambda \eta }}{{2hc}}{\left( { \frac{{{R_0}A}}{{kT}} } \right)^{1/2}} $$ (2) 式中：q为电子电量；
$ \lambda $ 为波长；$ \eta $ 为量子效率；h为普朗克常数；c为光速；$ {R}_{0}A $ 为零偏动态电阻与器件面积的乘积；k为玻尔兹曼常数；T为温度。近年来，报道的中波InAs/InAsSb T2SLs探测率如图10所示。总体上，中波InAs/InAsSb T2SLs探测率在1011~1012 cm·Hz1/2/W，相关的提升机制有待进一步探索。
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近年来，势垒型InAs/InAsSb T2SLs的关键性能提升趋势明显。为方便比较，表2[68, 72-73, 75-76, 82-88, 90-93]汇总了近年来势垒型InAs/InAsSb T2SLs红外探测器的关键性能。2016~2018年，JPL在中波InAs/InAsSb T2SLs关键性能上进行了大量研究，通过蚀刻工艺降低表面态密度和暗电流，提高QE，设计了许多性能优异的器件。2021~2022年，该团队在中波的基础上，研究了长波、甚长波InAs/InAsSb T2SLs，基于pn-CBIRD势垒结构设计长波长InAs/InAsSb T2SLs，发现其暗电流特性受限于表面漏电流，需要在较低偏置条件下工作。
表 2 势垒型InAs/InAsSb T2SLs红外探测器关键性能对比表
Table 2. Key performance comparison chart of barrier-type InAs/InAsSb T2SLs infrared detectors
Time Structure Wavelength/
μmDetection rate/
cm· Hz1/2·W−1QE Working
temperature/KDark current/
A·cm−2Research
institutionsReference 2018 nBn 5.4 2.53×1011 49.1% 150 ~3×10−5 JPL [68] 2018 nBn 5.37 4.6×1011 52% 150 4.5×10−5 JPL [82] 2019 12.5 62 2.6×10−5 JPL [91] 2019 nBn 4.6 1.4×1011 150 1.6×10−4 CQD [83] 2019 nBn 5.5 56% 160 3.4×10−4 Air Force Research Lab [90] 2019 nBn 4.8 50% 150 5×10−6 JPL [88] 2020 pBn 4.4 7.1×1011 39% 150 1.16×10−5 CQD [84] 2020 nBn 5 1.82×1011 37.5% 150 1.55×10−4 Kunming Institute of Physics [85] 2020 pBn 4.8 4.43×1011 57.6% 5.39×10−5 Kunming Institute of Physics [72] 2020 double barrier 4.5 6.9×1011 45% 150 1.21×10−5 CQD [86] 2020 nBn 3.35 9.12×1011 23.5% 77 1.23×10−6 CQD [92] 2021 XBn 5 50% 150 4.5×10−5 ANR [87] 2021 pn-CBIRD 10.3 1.3×1011 77 5.4×10−5 JPL [75] 2021 nBn 3 50% 80 2×10−9 Korea i3 system [93] 2022 pn-CBIRD 13.3 53% 60 6.6×10−5 JPL [76] 2022 pBn 5.0 1.2×1011 29% 150 1.2×10−4 Northwestern University of China [73] 美国西北大学量子器件中心CQD的Razeghi团队2017年报道了势垒型InAs/InAsSb T2SLs的在多色探测器上的应用。在基于M结构的双带/多带集成探测上，设计了随偏压改变而探测不同波长的光电探测器[94]。偏压可选双频带器件通常由两个T2SLs吸收层和插入两个吸收层之间的薄势垒层组成，双带结构可以通过切换所施加的偏置电压来交替地处理两个吸收层。2020年，CQD使用锌离子注入设计了 nBn型T2SLs中波红外光电探测器[92]，其比探测率可达9.12×1011 cm·Hz1/2/W。
其他国外研究机构如韩国i3system，法国国家研究署(ANR)也对势垒型InAs/InAsSb T2SLs展开了研究，都取得了不错的器件性能。2021年，韩国i3system通过干法刻蚀和等离子体处理制备了InAs/InAsSb T2SLs nBn型中波红外探测器[93]，暗电流达到2×10−9 A/cm2。
表3[78, 95-105]汇总了近年来势垒型InAs/GaSb T2SLs红外探测器的关键性能。2016年，美国CQD设计的nBn型InAs/GaSb T2SLs红外探测器的探测率最高达到1.12×1013 cm·Hz1/2/W且其暗电流可以降低到9.5×10−9 A/cm2。
表 3 势垒型InAs/GaSb T2SLs红外探测器关键性能对比表
Table 3. Key performance comparison chart of barrier-type InAs/GaSb T2SLs infrared detectors
Time Structure Wavelength/
μmDetection rate/
cm·Hz1/2·W-1QE Working
temperature/KDark current/
A·cm-2Research
institutionsReference 2008 nBn 4.8 2.8×1011 23% 250 3.1×10−6 University of New Mexico [95] 2012 p-CBIRD 11.5 1.1×1011 21% 80 JPL [96] 2012 pBiBn 4.2/8.7 8.9×1012
/7.9×101138%/23.5% 77 1.6×10−7/
1.42×10−5University of New Mexico [97] 2014 pMp 4.9 1.2×1012 67% 150 1.2×10−5 Northwestern University [100] 2015 nBn 2.7 2.5×1010 77 2.5×10−6 Kunming Institute of Physics [99] 2017 pBn 5 50% 80 2×10−5 University of New Mexico [102] 2017 pBp 2.3/
2.9/
4.41×1011/
6.3×1011/
2×101120%/
22%/
34%150 5.5×10−8/
1.8×10−6/
8.7×10−5CQD [101] 2018 pBn 4.5 50% 80 4.7×10−6 The Ohio State University [103] 2019 pBn 6.4 7.6×1011 77 2.9×10−5 Shanghai University of
Science and Technology[78] 2020 nBn 5.6 2.5×1011 77 1.44×10−5 Shanghai University of
Science and Technology[98] 2021 nBn 5.3 2.6×1011 77 3.5×10−3 Korean Academy of Sciences [104] 2022 nBn 10.4/
12.21.7×1010/
1.5×10109×10−4/
2×10−2University of Science and
Technology of China[105] 对比表2、表3中的探测率和暗电流，InAs/GaSb T2SLs在探测率上优于InAs/InAsSb T2SLs，但在暗电流方面，InAs/InAsSb T2SLs得益于没有Ga原子带来的缺陷，高温工作下暗电流低于InAs/GaSb T2SLs。
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美国喷气推进实验室(JPL)自20世纪90年代早期以来一直在积极开发III-V族红外探测器用于远程探测。JPL最初的势垒型红外探测器(nBn和XBn)使用在InAs衬底上生长的InAs/GaSb吸收层，或在GaSb衬底上生长的晶格匹配的InAsSb合金，截止波长分别约为3.2 μm和4 μm。这些探测器比基于InSb的MWIR探测器工作温度更高，但它们的光谱响应并未覆盖整个(3~5.5 μm) MWIR大气传输窗口。基于势垒结构探测器在工作温度上表现出的显著优势，在美国NASA SmallSat任务中，立方体卫星红外大气探测器和高光谱热成像仪都使用了JPL的势垒型T2SLs FPA[106]。
2018年，JPL报道了一种基于BIRD的高温MWIR FPA，在150 K工作温度下截止波长为5.4 μm。通过干蚀刻工艺，制备了640×512，像元间距24 μm的FPA。在80~150 K的温度范围内，FPA实现了18.5 mK的低噪声等效温差(NETD)和99.7%的有效像元。基于InAs/InAsSb T2SLs的BIRD FPA为实现制造低成本、高性能、具有出色均匀性的FPA提供了突破性的解决方案[68]。
2019年，JPL报道了具有极低暗电流的InAs/InAsSb中波FPA。在100 K的工作温度下，像元间距19 μm的1024×1024 FPAs实现了单个像素1×10−10 A/cm2的极低暗电流，35%的QE，有效像元率高达 99.7%[88]，为NASA外太空成像和高分辨光谱成像提供技术支持。
2021年，JPL将InAs/InAsSb T2SLs的波长拓展到长波波段，采用CBIRD结构，实现了13.3 μm的截止波长。制备的30 μm像元间距的320×256 FPA，在60 K工作温度，300 K背景温度和F/4条件下，实现了28 mK的NEDT，有效像元率达98.9%[75]。这为InAs/InAsSb T2SLs在长波红外探测的应用开辟了新的设计方案。
2021年，韩国i3system制备了像元间距为15 μm的640×512 InAs/InAsSb FPA。在150 K温度下，平均NETD值低于15 mK，有效像元率达99.5%[93]，实现了小体积、低重量及低功耗（SWaP）的高温工作的中波FPA。
2020年，昆明物理研究所提出了一种具有AlGaAsSb四元合金势垒的MWIR InAs/InAsSb T2SLs。他们采用倒置器件结构，在nBn器件中生长InAs/InAsSb T2SLs吸收层之前，预先生长了晶格匹配的Al0.83Ga0.17AsSb四元合金作为电子势垒[85]。该倒置的nBn器件结构可以减缓小像元间距FPA中的光电谱串扰的问题影响[107]。同年，昆明物理研究所基于InAs/InAsSb T2SLs制备了15 µm间距640×512的pBn型MWIR FPA[72]，可在185 K温度下工作，器件的有效像元率可达99.6%，在77 K和120 K时NETD分别为15.1 mK和27.8 mK。当温度升高到150 K和185 K时，FPA的NETD值上升至39.5 mK和84.9 mK，比探测率分别为4.43×1011和1.33×1011 Jones。
2022年，中国空空导弹研究院的何英杰[108]等制备了中心距30 μm的320×256 InAs/InAsSb二类超晶格中/中波双色焦平面探测器。器件短中波峰值探测率达到7.2×1011 cm·Hz1/2/W，中波峰值探测率为6.7×1011 cm·Hz1/2/W，短中波有效像元率为99.51%，中波为99.13%，获得了高质量的成像效果，实现中中双色探测。
总体而言，国外有许多研究InAs/InAsSb T2SLs的机构，其中以美国喷气推进实验室(JPL)和美国西北大学量子器件中心(CQD)两家机构为主。在国内，昆明物理研究所、中国科学院半导体研究所和中国空空导弹研究院等对InAs/InAsSb T2SLs开展了较多研究，但性能指标与欧美国家仍有较大差距。
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势垒型InAs/InAsSb T2SLs红外探测器能有效抑制暗电流，提升器件的工作温度。目前，中波势垒型InAs/InAsSb FPA的工作温度已经超过InSb探测器工作温度，极大地减少了制冷机的尺寸和重量需求。InAs/InAsSb T2SLs的理论性能可以超越MCT 探测器，但尚未被实验报道。现阶段势垒型InAs/InAsSb T2SLs红外探测器主要有以下几点问题及发展方向：
(1) 势垒型InAs/InAsSb T2SLs红外探测器波长覆盖范围较小，受限于较低的吸收系数及较短的空穴扩散长度，现在报道的势垒型InAs/InAsSb T2SLs红外探测器基本都处于中波波段，仅JPL设计出性能良好的长波、甚长波势垒型InAs/InAsSb T2SLs红外探测器，但器件性能仍与InAs/GaSb T2SLs红外探测器有一定的差距。如何设计出吸收系数高，少子扩散长度大是InAs/InAsSb T2SLs所面临的重大挑战及发展方向[109-110]。为了进一步提升InAs/InAsSb的吸收系数，可以适当地增加Sb组分来减少单位周期厚度，实现吸收系数的提升。但较大的Sb组分也带来应变平衡及Sb偏析问题。InAs/InAsSb是一种应变平衡超晶格，精细调节InAs和InAsSb层的厚度及Sb的组分达到应变平衡是未来的重要研究方向。同时，较大的Sb组分容易造成Sb偏析，如何通过控制外延生长时的工艺参数如沉积温度、沉积速率和V/III束流比来提升V族元素的黏附系数，增强Sb元素并入效率仍然是目前面临的严峻挑战[111]。
与此同时，InAs/InAsSb虽然比InAs/GaSb T2SLs具有数十倍长的少子寿命，但由于InAs/InAsSb在外延生长方向上的空穴迁移率较小，从而限制了少子的扩散长度。另外，电子的有效质量远低于空穴的有效质量，与体材料InSb相当。因此，采用p型材料作为吸收层，增大吸收区厚度是提升器件量子效率的有效措施[75]。但由于InAs/InAsSb的表面是简并n型，会引入表面pn+结复合电流[75]。因此，结合p型和n型吸收层，采用CBIRD型结构是未来发展的高量子效率InAs/InAsSb超晶格探测器的一个重要研究方向。
(2) 势垒结构设计与外延生长是低暗电流势垒型InAs/InAsSb T2SLs红外探测器面临的重大挑战。势垒结构的设计需要从势垒的能带结构、晶格匹配，少子寿命，迁移率等多方面考虑。对于InAs/GaSb，其空穴的迁移率随着截止波长变化较小[39]。因此，在中波、长波乃至甚长波波段，都可采用n型吸收层。势垒层可采用晶格匹配的InAs/AlSb T2SLs等，可有效实现较大的导带势垒和零价带偏移，阻挡多子，并避免少子积聚。对于InAs/InAsSb，在中波波段，空穴迁移率与InAs/GaSb相当，可采用n型InAs/InAsSb作为吸收层，势垒通常采用晶格匹配的三元合金AlAsSb，但较难实现零价带偏移，因此更为复杂的四元合金AlGaAsSb[85]或AlAsSb/InAsSb T2SLs[84]等材料作为势垒结构被研究应用，增大了器件制备难度。因此，结构简单满足高可靠性要求的导带势垒有待进一步研究。
值得一提的是，对于长波p型InAs/InAsSb吸收层，由于InAs/InAsSb T2SLs的导带随截止波长几乎不变，较短波段的InAs/InAsSb T2SLs可作为长波InAs/InAsSb T2SLs的有效价带势垒[75]。
(3) 势垒型InAs/InAsSb T2SLs红外探测器缺乏高质量钝化技术，尤其对于p型吸收层的势垒型器件，器件的侧壁表面pn结导致暗电流较高。相比于MCT红外探测器，势垒型InAs/InAsSb T2SLs红外探测器的暗电流还未达到可替代水平，研究降低表面漏电流的方法未来的一个重要发展方向[112]。
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红外探测技术在航天航空、导弹制导，生物医疗等多种领域里发挥着重要作用，暗电流、探测率和工作温度等关键参数决定了红外探测器的适用范围。为保证探测精度、探测范围和探测效率，必须采取有效的方法减小器件暗电流，提高探测率和工作温度。势垒型InAs/InAsSb T2SLs由于较长的少子寿命，较大的缺陷态容忍度，较为简单的外延生长过程，是InAs/GaSb T2SLs的有力竞争者。势垒型InAs/InAsSb T2SLs红外探测器由最初的nBn型单极势垒到现在的pn-CBIRD的双极势垒，实现了中波和长波波段的高效探测。目前，在中波波段，InAs/InAsSb T2SLs已经实现了与InAs/GaSb T2SLs相匹敌甚至更优的器件性能。但在长波和甚长波波段仍有较大的发展空间。未来，势垒型InAs/InAsSb T2SLs红外探测器需要解决吸收系数低、载流子扩散长度短、Sb组分偏析、势垒结构生长难度大等问题。
Research progress of barrier InAs/InAsSb type-II superlattice infrared detectors (invited)
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摘要: 红外探测技术在卫星侦察、军事制导、天文观测、医疗检测、现代通信等重要领域发挥着关键作用。II类超晶格（T2SLs）红外探测器作为继碲镉汞探测器之后的新一代红外探测材料，在稳定性、可制造性和成本等方面具有独特优势。势垒型InAs/InAsSb T2SLs红外探测器是最具潜力的T2SLs红外探测器之一，近年来其关键性能得到了稳步提高，但仍受吸收系数低、异质外延生长困难和暗电流大等因素的制约。文中综述了III-V族T2SLs的发展历程，分析了势垒型InAs/InAsSb T2SLs红外探测器的不同势垒结构、关键性能和发展趋势，指出了势垒型InAs/InAsSb T2SLs红外探测器需要解决的关键问题和未来发展方向。
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关键词:
- 红外探测器 /
- T2SLs /
- InAs/InAsSb /
- 势垒结构
Abstract: Infrared detection technology plays a key role in many important fields, such as satellite reconnaissance, military guidance, astronomical observation, medical detection, and modern communications. Type-II superlattices, as a new generation of infrared detection materials after HgCdTe detectors, have unique advantages in terms of stability, manufacturability, and cost. The barrier-type InAs/InAsSb type-II superlattice infrared detectors are one of the most promising type-II superlattice infrared detectors. Their key performance has been steadily improved in recent years but is still constrained by factors such as low absorption coefficient, difficult heteroepitaxial growth, and large dark current. Herein, this article reviews the development history of III-V type-II superlattices, analyzes the different barrier structures, key properties and development trends of barrier-type InAs/InAsSb type-II superlattice infrared detectors, and points out the potential key problems and future development directions of barrier type InAs/InAsSb type-II superlattice infrared detectors.-
Key words:
- infrared detector /
- Type-II superlattice /
- InAs/InAsSb /
- barrier structure
-
图 1 (a) InAs/GaSb能带结构； (b) InAs/InAsSb能带结构
Figure 1. (a) Band structure of InAs/GaSb; (b) Band structure of InAs/InAsSb
图 4 nBn器件结构示意图。(a) nBn探测器结构图；(b) nBn结构能带图
Figure 4. Schematic diagram of the nBn device structure. (a) Structure diagram of nBn detector structure; (b) Energy band diagram of nBn structure
图 5 pBn器件结构示意图。(a) pBn探测器结构图；(b) pBn结构能带图
Figure 5. Schematic diagram of the pBn device structure. (a) Structure diagram of pBn detector structure; (b) Energy band diagram of pBn structure
表 1 InAs/GaSb与InAs/InAsSb超晶格优缺点对比
Table 1. Comparison of advantages and disadvantages of InAs/GaSb and InAs/InAsSb superlattices
InAs/InAsSb T2SLs InAs/GaSb T2SLs Longer minority carrier lifetime Higher absorption coefficient Advantages Simpler epitaxy process Greater offset of conduction band and valence band Better defect tolerance Larger cut-off wavelength range Lower absorption coefficient Short minority carrier lifetime Disadvantages Lower vertical hole mobility More complicated epitaxy process Shorter carrier diffusion length Intrinsic defects of Ga atom Sb segregation 
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表 2 势垒型InAs/InAsSb T2SLs红外探测器关键性能对比表
Table 2. Key performance comparison chart of barrier-type InAs/InAsSb T2SLs infrared detectors
Time Structure Wavelength/
μmDetection rate/
cm· Hz1/2·W−1QE Working
temperature/KDark current/
A·cm−2Research
institutionsReference 2018 nBn 5.4 2.53×1011 49.1% 150 ~3×10−5 JPL [68] 2018 nBn 5.37 4.6×1011 52% 150 4.5×10−5 JPL [82] 2019 12.5 62 2.6×10−5 JPL [91] 2019 nBn 4.6 1.4×1011 150 1.6×10−4 CQD [83] 2019 nBn 5.5 56% 160 3.4×10−4 Air Force Research Lab [90] 2019 nBn 4.8 50% 150 5×10−6 JPL [88] 2020 pBn 4.4 7.1×1011 39% 150 1.16×10−5 CQD [84] 2020 nBn 5 1.82×1011 37.5% 150 1.55×10−4 Kunming Institute of Physics [85] 2020 pBn 4.8 4.43×1011 57.6% 5.39×10−5 Kunming Institute of Physics [72] 2020 double barrier 4.5 6.9×1011 45% 150 1.21×10−5 CQD [86] 2020 nBn 3.35 9.12×1011 23.5% 77 1.23×10−6 CQD [92] 2021 XBn 5 50% 150 4.5×10−5 ANR [87] 2021 pn-CBIRD 10.3 1.3×1011 77 5.4×10−5 JPL [75] 2021 nBn 3 50% 80 2×10−9 Korea i3 system [93] 2022 pn-CBIRD 13.3 53% 60 6.6×10−5 JPL [76] 2022 pBn 5.0 1.2×1011 29% 150 1.2×10−4 Northwestern University of China [73]
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表 3 势垒型InAs/GaSb T2SLs红外探测器关键性能对比表
Table 3. Key performance comparison chart of barrier-type InAs/GaSb T2SLs infrared detectors
Time Structure Wavelength/
μmDetection rate/
cm·Hz1/2·W-1QE Working
temperature/KDark current/
A·cm-2Research
institutionsReference 2008 nBn 4.8 2.8×1011 23% 250 3.1×10−6 University of New Mexico [95] 2012 p-CBIRD 11.5 1.1×1011 21% 80 JPL [96] 2012 pBiBn 4.2/8.7 8.9×1012
/7.9×101138%/23.5% 77 1.6×10−7/
1.42×10−5University of New Mexico [97] 2014 pMp 4.9 1.2×1012 67% 150 1.2×10−5 Northwestern University [100] 2015 nBn 2.7 2.5×1010 77 2.5×10−6 Kunming Institute of Physics [99] 2017 pBn 5 50% 80 2×10−5 University of New Mexico [102] 2017 pBp 2.3/
2.9/
4.41×1011/
6.3×1011/
2×101120%/
22%/
34%150 5.5×10−8/
1.8×10−6/
8.7×10−5CQD [101] 2018 pBn 4.5 50% 80 4.7×10−6 The Ohio State University [103] 2019 pBn 6.4 7.6×1011 77 2.9×10−5 Shanghai University of
Science and Technology[78] 2020 nBn 5.6 2.5×1011 77 1.44×10−5 Shanghai University of
Science and Technology[98] 2021 nBn 5.3 2.6×1011 77 3.5×10−3 Korean Academy of Sciences [104] 2022 nBn 10.4/
12.21.7×1010/
1.5×10109×10−4/
2×10−2University of Science and
Technology of China[105]
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