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2025

二类超晶格红外探测器高量子效率机理的研究进展

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T2SL材料特性

T2SL是两种不同材料从几个纳米到几十个纳米的薄层交替生长并保持严格周期性的多层膜结构，事实上就是特定形式的层状精细复合材料。由于带隙灵活可调、高大面积均匀性、较高的重现性和可操作性、低俄歇复合及宽光谱响应范围(3 μm~30 μm)等优点，但由于T2SL材料中的Shockley-Read-Hall(SRH)复合限制了光生载流子扩散长度，使得T2SL具有相对较短的载流子寿命，且工艺上难生长较厚的高质量T2SL外延材料，薄的外延材料会使得光吸收不足，阻碍了QE的提高。

T2SL红外探测器高QE的研究进展

1.能带结构设计-增大吸收系数的高QE研究进展

T2SL中波函数重叠(wave function overlap，WFO)减弱，这种能带排列的改变会对光电转换过程产生不利影响，并呈现出增大WFO的同时QE也增大的规律。2022年，复旦大学WU等人提出了通过调节生长温度以及在AlSb层中插入阻挡层的双重策略来增强InAs/AlSb T2SL中的WFO。同年，中国科学院半导体所的研究人员报道的InAs/InAsSb/AlAsSb高性能红外P-I-N光电探测器中，如图1所示，减小InAs、InAsSb和AlAsSb层的厚度，并将顶部接触层设计得较薄，减少接触区域的吸收，提高了器件的QE。

采用厚吸收区提高QE的研究进展

2007年，美国西北大学NGUYEN等人通过对长波InAs/GaSb T2SL红外探测器的吸收层厚度进行调节，吸收层厚度1 μm增加到6 μm，器件QE从27%增大至54%。2013年，瑞典IRnova公司设计的中波红外异质结T2SL势垒焦平面探测器采用了4 μm的厚吸收层屏障结构，在50%截止波长5 μm处，实现了65%的高QE。2021年，土耳其Akdeniz大学用N-on-P结构的InAs/GaSb T2SL对器件不同区域的QE进行了研究，分析了具有相同周期长度和不同I层和P层厚度的3种T2SL InAs/GaSb红外光电探测器的QE成分，如图2所示。层厚增大0.4 μm时，QE从34%增大至40%。

P型吸收区的QE研究进展

除了上述方法还可以通过调节吸收区P型掺杂来增大载流子的扩散长度，从而增大QE。2017年，瑞典IRnova公司ASPLUND等人研究了载流子扩散长度与外部QE之间的关系，器件结构如图3a所示，采用P型掺杂的吸收区，最终实现了器件的高QE性能。工作温度80 K、波长为3 μm时，器件的实测QE高达80%，如图3b所示。2020年，美国SOIBEL等人发现QE随温度的增加是由于少数载流子(空穴)扩散长度的增加，而QE随偏压的增加是由于耗尽宽度的增加。其结果如图所示，温度从T=50 K增加到T=180 K时，QE从30%增加至60%。

改进材料提高QE的研究进展

载流子局部化的两种常见表现是极长的载流子寿命和低温下的PL峰蓝移。可通过优化材料质量来减少缺陷、减少SRH中心，从而增大载流子寿命，优化器件QE。2017年，复旦大学BI等人采用InAs/GaSb超晶格与3种不同的界面组成，研究了T2SL残余应变和QE之间的关系，如图4所示。具体方案为：采用适量的铟(In)沉积改善界面平整度，从而提高载流子寿命，进而增大器件的QE。随着In沉积时间的增加，QE的峰值从23%提高到50%。

其它相关研究

光学调控也是一种较为直接有效增大QE的方式。光学调控通常采用表面微纳结构，调控入射光的空间分布，比如采用光子晶体、陷光结构、表面等离子体增强等方式。借助于多种微加工手段和图形转移技术在器件表面设计并制备维纳结构，其尺寸可以精确控制在纳米量级，从而增大红外光吸收的吸收效率。

总结

这项研究总结了当前提高中长波T2SL红外探测器QE的方法以及相关研究进展。吸收系数大小、吸收层厚度、扩散长度以及载流子寿命长短都会对QE产生较大影响。重点讨论了能带结构设计、吸收层厚度设定、吸收层掺杂类型选择、材料改进等方面对T2SL红外探测器QE的影响机理以及在一定程度上取得的进展。总体而言，国内外有许多研究机构对提高T2SL红外探测器的QE进行了大量研究，从已报道的结果来看，国内相对国外研究还存在很大差距，亟需机理方面的改进。这项研究对今后T2SL红外探测器高QE设计具有较强指导意义。

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