综述：铟砷锑（InAsSb）红外探测器的研究进展

InAs1-xSbx属于III-V族化合物半导体合金材料，随Sb组分含量的不同，室温下可覆盖3~12μm波长，并且InAsSb材料具有载流子寿命长、吸收系数大、载流子迁移率高等优点，是一种具有广阔应用前景的红外光电材料。探测器可以在150K甚至近室温下工作，具有较高的灵敏度和探测率，是低功耗、小型化、高灵敏度和快响应中长波红外探测系统的良好选择，InAsSb中长波红外探测器受到广泛的关注和研究。当前对InAsSb红外探测器的研究主要集中在以下几个方面：在二元GaSb或GaAs衬底上延伸响应波长；高温工作红外探测器；采用势垒结构、浸没透镜、等离子增强技术提高红外探测器性能等。

据麦姆斯咨询报道，近日，昆明物理研究所杨文运及其团队在《红外技术》期刊上发表了题为“铟砷锑红外探测器的研究进展”的综述文章。通讯作者为杨文运研高工，主要从事光电材料与器件研究。

本文首先简要概述了InAsSb材料的基本性质。其次，对国内外InAsSb红外探测器发展状况进行了介绍。最后，对InAsSb红外探测技术的发展进行了总结与展望。

InAsSb 合金性质

相比于HgCdTe材料衬底昂贵、大面积组分不均匀，器件需制冷降低俄歇复合，InAs1-xSbx的In与As及Sb为共价键结合，材料稳定性均匀性更好，外延生长采用GaSb或GaAs衬底材料，制造成本较低，同时具有超高的电子迁移率以及很小的有效质量，介电常数较低（≈11.5），室温下自扩散系数低（≈5.2×10⁻¹⁶cm²/s）。相比于InAs/GaSb超晶格材料，InAsSb材料的肖克莱-里德复合寿命更长，InAsSb体材料少数载流子迁移率各向同性，采用InAs/InAsSb II类超晶格，由于不含有Ga元素，非辐射复合中心减小，载流子寿命长于InAs/GaSb材料。此外，采用势垒结构器件可显著降低器件的肖克莱-里德霍尔复合暗电流和隧穿电流，提升器件工作温度。

InAsSb 红外探测器国内外研究现状

国外研究现状

早期报道的InAsSb器件结构主要为简单的pn结、p-i-n结构，势垒型器件（nBn、pBnn、nBnn等）通过抑制吸收层的产生-复合电流有效降低器件暗电流提高器件工作温度，近十几年报道的InAsSb器件多采用势垒结构，工作在150~300K。

新加坡南洋理工大学张道华教授研究团队在p-i-n异质结的基础上，在p型接触层和吸收层之间插入重掺杂宽带隙的AlGaSb电子势垒层，进而抑制器件暗电流，引入AlInAsSb层能显著改善界面质量，提高器件性能，器件结构及能带结构如图1所示。室温下没有抗反射膜的探测器、-0.5V偏置电压、3.5μm处的光谱探测率达8.9×10⁹cm·Hz1/2/W。

图1（a）光电探测器截面结构示意图，右边的插图是一个350μm正方形台面结构的光学显微镜图；（b）室温零偏压下结构的能带结构示意图

2006年，英国罗彻斯特大学S. Maimon和G. W. Wicks教授首次提出nBn结构器件，即“n型窄带隙吸收层-宽带隙势垒层-n型窄带隙接触层”，势垒层设置在少数载流子收集层附近远离光学吸收层，能带图如图2（a）所示，大的导带偏移ΔEc阻挡多数载流子空穴流向接触区，减小器件暗电流，较小的价带偏移ΔEv使光生少数载流子空穴在低偏压下流向未受阻的接触区形成光电流。此外，导带中的大能量势垒起到自钝化作用能够抑制表面漏泄电流。如图2（b）所示，与传统pn结器件相比，相同的工作温度下，nBn器件具有更高的信噪比。

图2 nBn结构器件：（a）能带图；（b）普通（实线）与nBn器件（虚线）暗电流温度特性理论曲线

目前，国外从事InAsSb红外探测器研究的主要有以色列SCD公司、美国喷气推进实验室（JetPropulsion Laboratory，JPL）、美国DRS技术公司和HRL实验室以及波兰的Antoni Rogalski课题组等。

2008年以来，以色列SCD公司采用XBn势垒型器件以抑制器件的暗电流，从而提高器件的工作温度，器件采用GaSb衬底或GaAs衬底，包括1.5~3μm的n型InAsSb吸收层，0.2~0.35μm的n型AlAsSb势垒层，0.2~0.5μm的n型InAsSb或p型GaSb接触层，器件少数载流子寿命约为700ns，150K下获得成像清晰的焦平面阵列器件。

美国喷气推进实验室Alexander Soibel等人制备InAs0.915Sb0.085-AlAs0.1Sb0.9 nBn结构器件，温度为77~325K时，器件的量子效率保持不变为35%，当温度为150~325K时，器件暗电流为扩散限电流，当温度低于150K时，产生-复合电流占支配地位。温度为77~220K时器件少数载流子寿命为300ns，温度升高器件少数载流子寿命变短，温度升高至325K时，少数载流子寿命为100ns。300K工作温度下D*＝1×10⁹cm·Hz1/2/W，250K工作温度下D*＝5×10⁹cm·Hz1/2/W。

美国DRS技术公司和HRL实验室报道了可见光至中波（0.5~5μm）InAsSb高工作温度、低暗电流大面阵红外探测器。在GaAs衬底上外延InAsSb材料，采用新型锥体状吸收层设计和AlSb基复合势垒层设计，降低器件暗电流，探测器D*＞1×10¹⁰cm·Hz1/2/W，200K工作温度下，内量子效率＞80%。

美国石溪大学和陆军实验室，在GaSb衬底上MBE外延生长GaInSb和AlInSb缓冲层，消除InAs0.6Sb0.4与GaSb衬底之间的晶格失配，然后生长1μm厚的吸收层，势垒层采用AlInAsSb四元合金材料，图3（a）为平衡态下长波异质结的能带图，图3（b）为偏置电压下能带分布，箭头表示少子空穴输运方向。77K温度下，光谱探测率2×10¹¹cm·Hz1/2/W（λ=8μm），吸收层InAs0.6Sb0.4的带隙约为90meV，响应波长8~12μm，少数载流子（空穴）寿命为185ns、扩散长度为9μm、迁移率为~10³cm²/Vs。

图3 长波势垒探测器异质结的能带结构示意图：（a）导带和价带能级；（b）偏置电压下能带分布，少子（空穴），箭头表示少子空穴输运方向

波兰VIGO公司采用MBE技术在（100）GaAs衬底上外延In0.74Al0.26Sb缓冲层，实现InAs0.3Sb0.7体材料生长，在n⁺接触层和InAs0.3Sb0.7吸收层之间生长一薄层InAs层，作为空穴势垒层阻挡空穴从n⁺接触层进入吸收层。器件结构和能带示意图如图4所示。300K温度下，器件50%截止波长为14.2μm。

图4 InAsSb 势垒型异质结：（a）器件结构；（b）能带示意图

目前，InAsSb中波红外焦平面探测器已出现实用化商品。最为典型的是以色列SCD公司，2013年，SCD推出第一款nBn中波高温产品Kinglet，焦平面阵列规模为640×512，像元中心距为15μm，响应波长3.6~4.2μm；2014年，SCD推出第二款nBn中波高温产品HOTHerclues， 焦平面阵列规模为1280×1024，像元中心距为15μm，响应波长3.4~4.2μm。

国内研究现状

国内对InAsSb光电子探测器的研究与国际先进水平存在较大的差距，大部分的研究集中在材料的制备、表征、材料特性分析上，极少数对制备的探测器性能进行了表征分析

2010年，同济大学高玉竹等人采用熔体外延技术在InAs衬底上获得了50μm厚层的InAsSb外延层，用该材料制作了光导探测器，在探测器上安装了锗（Ge）浸没透镜。非制冷条件下，InAs0.06Sb0.94探测器在波长8.0μm及9.0μm处的探测率D*分别为1.3×10⁹cm·Hz1/2/W 及2.8×10⁸cm·Hz1/2/W，而在波长6.5μm处，InAs0.06Sb0.94和InAs0.02Sb0.98的峰值探测率D*均大于1.0×10⁹cm·Hz1/2/W，可应用在红外探测和成像领域。

基于锑化物材料MOCVD生长的基础，2016年，哈尔滨工业大学宁振动博士探索InAs1-xSbx体材料nBn结构中波红外探测器的制备并对制备的器件进行简单的测试分析。器件设计采用与GaSb衬底晶格匹配的InAs0.91Sb0.09作为有源区，而势垒材料则选择InP0.63Sb0.37。器件在77K及300K时的截止波长分别为4.29μm和5.35μm；在-0.8V偏压下，77K的黑体归一化探测率最高为1.2×10⁹cm·Hz1/2/W。

2019年，中国科学院半导体研究所张璇等人研究了InAsSb薄膜材料的生长及InAs0.91Sb0.09/AlAs0.08Sb0.92nBn结构中波红外探测器性能，-0.2V偏压300K，器件的量子效率为~63.4%，峰值探测率为2.3×10⁹cm·Hz1/2/W。

2020年，谢浩博士采用液相外延技术（LPE）制备InAs1-xSbx基pBin器件结构室温中波红外探测器，x=0.06和x=0.11两种Sb组分探测器，室温下的暗电流密度分别为1.4A/cm²、1.7A/cm²，峰值探测率分别为1.39×10⁹cm·Hz1/2/W、1.2×10⁹cm·Hz1/2/W。

2020年，昆明物理研究所邓功荣等人引入AlAsSb/AlSb复合势垒，成功制备XCBn结构的InAsSb 640×512中波红外焦平面探测器，150K、-0.4V偏置电压，暗电流密度~3.9×10⁻⁶A/cm²，探测器峰值探测率为1.06×10¹²cm·Hz1/2/W，器件结构及热成像图如图5所示。

图5 XCBn结构器件：（a）器件结构；（b）仿真得到能带图；（c）150-205K焦平面器件热成像图

总结与展望

综上所述，本文简要概述了InAsSb材料的基本性质，表明其是一种具有广阔应用前景的中长波红外光电探测材料。InAs0.91Sb0.09材料与GaSb衬底和AlAsSb宽带隙材料晶格完全匹配，国外以nBn结构为代表的中波高温工作InAs0.91Sb0.09焦平面阵列技术已经发展成熟并获得了广泛的应用；而在国内，InAsSb焦平面阵列的研究起步较晚，还未能实现工程化应用。未来的工作应集中在：一是提升InAsSb外延薄膜材料质量优化器件结构，提高器件性能，进一步提高器件的工作温度，实现TEC制冷，器件规模向更大焦平面阵列发展。二是继续探索InAsSb、Ga1-yInySb或者Al1-yInySb等高质量缓冲层生长方法以消除高Sb组分长波InAs1-xSbx薄膜与GaSb衬底之间的晶格失配，使光谱响应范围向长波范围拓展。深入研究InAsSb材料及新型结构器件的物理特性，对推进InAsSb焦平面探测器的发展具有重要作用。

审核编辑：汤梓红