短波InAs/GaSb二类超晶格红外探测器材料及界面互混研究

Due to the type II broken band structure, InAs/GaSb superlattice shows many advantages such as low Auger recombination rate, long carriers lifetime, low tunneling dark current, good material uniformity and so on. Thus, it has been regarded as one of the best materials for the third generation infrared photodetectors. However, it suffers from the short period of short wavelength InAs/GaSb superlattice and interfacial intermixing because there are no common element between InAs and GaSb. In this application, theoretical calculation, MBE growth technology together with properties testing will be used to study short wavelength type II InAs/GaSb superlattice materials and its interface intermixing. The emphasis will be on the interface intermixing impact and its control including the impact of interface intermixing on the performance of short wavelength InAs/GaSb superlattice, addressing the impact by optimizing growth temperature, designing its structure and inserting a barrier layer. And then offer a method for how to realize short wavelength detection and how to control the detection wavelength within 2-3 μm. Finally, a prototype short wavelength type II InAs/GaSb superlattice infrared photodetector device will be achieved.

由于II型能带结构，InAs/GaSb超晶格具有低俄歇复合率、较长载流子寿命、低隧穿电流和良好均匀性等优势，故为第三代红外探测器的最理想材料之一。但对短波长（2-3 μm）而言，其周期厚度薄，InAs/GaSb材料生长中没有共同的V和III族元素造成界面互混影响较大等因素，最终导致短波段实现比较困难。本项目将采用理论模拟、分子束外延技术和光学测试等三个技术方面相结合，进行短波段InAs/GaSb二类超晶格红外探测器材料及界面互混的研究，探索界面互混对短波InAs/GaSb二类超晶格材料质量的影响；重点解决界面互混影响和界面互混控制等难题，并采用优化生长温度，优化InAs/GaSb周期结构设计和插入势垒（如AlGaSb）层应对界面互混带来的影响，为InAs/GaSb超晶格实现短波探测和波长控制提供思路。最终研制出短波InAs/GaSb二类超晶格红外探测器原型器件。

本项目以实现短波探测的InAs/GaSb二类超晶格红外探测器为目标，重点解决短波段二类超晶格材料中的界面互混影响和界面互混控制、以及短波段红外探测实现难等难题，开展了InAs/GaSb二类超晶格分子束外延生长条件（如生长温度、生长速率、V/III束流比等）优化，界面设计、界面互混对二类超晶格材料的性能影响，短波段InAs/GaSb二类超晶格材料结构设计、器件工艺制备和性能测试等内容的研究，已取得的成果如下：.1. 建立了该材料体系共格生长零适配的模型，研究发现随着应变的增大，其光学特性减弱；InSb界面会导致波长的红移，GaAs界面会导致波长的兰移。.2. 对短波段InAs/GaSb二类超晶格的变温光致荧光特性进行研究，随着温度从12 K升高至130 K，其PL峰值波长并非单一的红移变化，通过计算可得InAs与GaSb之间的能带交叠值由0.35 eV将至0.225 eV。.3. 通过研究反转型超晶格材料的电子迁移率，相比于非反转型超晶格材料，反转型材料的电子迁移率反而降低，主要由于能级发生反转之后，电子与空穴相互耦合，导致电子有效质量增加。.4. 实现了短波（1.1微米，1.92微米）超晶格红外探测器，在77 K温度下，其探测率可达1.1×10 13 Jones；在室温下，器件仍可以工作，探测率可达3.8×10 10 Jones。.5. 实现了电压调制的短/中波双色超晶格红外探测器，在室温下，对应的波长分别为3.62微米和4.96微米，对应的探测率可达4.71×1010和1.82×1010 Jones。.6. 实现了电压调制的短/甚长波双色超晶格红外探测器，在10K温度下，在较小偏压下，响应为短波波段，其波长为2.67微米，随着偏压的增加，响应为甚长波波段，其波长为17.8微米，电压调制的机制是由于采用了中波超晶格作为欧姆接触层从而在界面处形成了三角势垒。