李红凯 李墨 董尚威 洪进 陈晔 敬承斌 越方禹 褚君浩

摘 要：InAs/GaSbⅡ型超晶格因其特殊的能带结构及成熟的材料生长技术， 被视为第三代红外探测器的优质材料。 本文介绍了长、 短波红外探测用的InAs/GaSbⅡ型超晶格探测器结构的光学性质， 对比超晶格和衬底的拉曼光谱， 指认了结构中存在的主要拉曼振动模式， 分波段光致发光谱揭示了器件存在近红外和远红外双波段特性。 通过反射光谱、 光电流谱以及宽波段红外透射光谱， 表征了短波红外和长波红外的明显吸收特性， 合理解释了基于InAs/GaSbⅡ型结构在近、 中、 远红外波段的探测功能。 研究结果可为研制基于InAs/GaSbⅡ型超晶格的双/多/宽波段红外探测器的结构设计和机理分析提供指导。

关键词：InAs/GaSb; Ⅱ型超晶格; 多波段探测; 拉曼光谱; 光学性质; 红外探测器

中图分类号：    TJ765.3+33   文献标识码：    A  文章编号：     1673-5048（2021）06-0095-05

0 引  言

视觉是人类感知外界信息的最重要渠道， 但是在可见光长波一侧十分宽广的红外波段（0.76 ～1 000 μm）不能被人眼感知， 却蕴含着丰富的信息。 为了探知并利用这一特殊且宽广的电磁波谱段， 人类研制了各种红外探测器。 红外探测器的发展很大程度上来自于军方的应用需求， 20世纪50年代， 工作波段为1～3 μm硫化铅（PbS）光导型探测器最先用于红外型空空导弹， 这可以说是近代红外探测器开始迅速发展的转折点; 在同一时期， 工作波段为3～5 μm窄禁带锑化铟（InSb）以及工作波段为8～14 μm的非本征锗（Ge： Hg）也得到了研究[1]; 1959年， 半导体材料碲镉汞（Hg1-xCdxTe）的报道[2]开启了一个HgCdTe盛行的时代， HgCdTe材料具备可调节的直接带隙、 高吸收系数、 高量子效率、 较宽的工作溫度范围等优点， 因此， 时至今日HgCdTe仍在红外探测领域中处于主导地位[3-4]。 随着技术要求的提高， HgCdTe材料也显现出了各种缺点， 如大面积制造均匀性差、 隧穿电流大、 俄歇复合速率高等。 相较于HgCdTe， 量子阱红外探测器[5]得益于Ⅲ-Ⅴ族材料成熟的生长技术， 器件的稳定性和均匀性较好， 成本相对较低， 更利于产业化的普及， 但是由于子带间跃迁选择定则的制约[6]， 量子阱的吸收系数和量子效率很低， 大大制约了量子阱器件的应用范围。

超晶格（SL）结构与量子阱类似， 是两种不同材料层状排列形成的周期性结构。 不同的是超晶格结构的每层厚度仅为原子间距量级， 相邻势阱中载流子的波函数发生交叠形成微能带（mini-band）， 其间存在窄的禁带， 不同于量子阱的子带吸收， 超晶格的光吸收发生在微能带之间。 通过调控材料在单周期内的厚度、  组分以及应变来改变微能带间的带隙， 可实现覆盖1.7～32 μm的探测波长范围[7-8]。 图1给出了InAs/GaSbⅡ型超晶格的能带结构示意图， 其中， InAs导带底低于GaSb价带顶， 使得二者具有“破带隙”（broken band gap）的特殊能带结构， 电子位于InAs层内， 而空穴位于GaSb层内， 电子和空穴在实空间上分离， 且由于应力场的作用GaSb层中轻重空穴带分离， 这些特性在理论上可有效抑制俄歇复合[9]。 除上述优点外， InAs/GaSbⅡ型超晶格的制备与量子阱相似， 易掺杂且大面积生长的均匀性良好， 利于大规模焦平面阵列红外探测器的制造。 可见，

InAs/GaSbⅡ型超晶格红外探测器在理论上将上述两种探测器的优点结合于一身， 因此， InAs/GaSbⅡ型超晶格被认为是新一代红外检测和成像技术领域中最有力的竞争者[10]。

目前报道的超晶格器件载流子寿命远低于HgCdTe[11]， 并没有观察到理论上抑制俄歇复合现象的出现， 已有的研究表明， 这主要是因为Ga相关的深能级缺陷[12]促进了Shockley-Read-Hall（SRH）复合， 但针对此类问题尚无完美解决方案。 为了解InAs/GaSbⅡ型超晶格的光电特性， 提升器件性能， 进一步研究超晶格的光电物理特性是有必要的。 本文利用多种光谱测量手段对基于InAs/GaSbⅡ型超晶格的宽波段探测结构进行光学性质的研究。

1 实验内容

宽波段InAs/GaSbⅡ型超晶格探测器的生长采用分子束外延（MBE）技术。 图2为器件的结构示意图， 左侧标注了每个薄层的掺杂类型。 在～500 μm的GaSb衬底上依次外延出长波（LW）红外超晶格和短波（SW）红外超晶格， 短波红外超晶格（SWSL）的截止波长估算小于3 μm， 长波红外超晶格（LWSL）的截止波长大于8 μm。 便于比较并消除测试的误差， 对比研究两个样品的光学性质。  1号样品n-doped InAs： Si/GaSb薄层的厚度为 1 743 nm， 掺杂浓度为～1×1015 cm-3; 2号样品n-doped InAs：Si/GaSb薄层厚度为1 356 nm， 掺杂浓度为～3×1018 cm-3， 其余各薄层的参数均相同。

样品拉曼光谱测试基于分光型共聚焦显微拉曼光谱仪（inVia reflex）并采取背散射几何配置， 拉曼光谱测试范围为75～350 cm-1， 激发光源为532 nm固体激光器; 光致发光谱测试、 红外透射、 反射光谱以及光电流谱的测试基于真空型傅里叶变换红外光谱仪（VERTEX 80v）， 内置近中远红外光源， 配置了远红外DLaTGS、 液氮制冷的HgCdTe和液氮制冷的锗等探测器， 系统可探测波长范围为1～80 μm。 光致发光谱激发光源波长为405 nm， 其最大输出功率～300 mW。

2 结果与讨论

2.1 拉曼光谱

图3给出了两个样品在室温下的拉曼光谱， 测试时激发光源从超晶格探测器结构的正面入射。 由图可知， 两个样品拉曼光谱强度及线型无明显差异， 主要拉曼信号位于200～250 cm-1波数范围内， 通过对其进行洛伦兹拟合， 可以得出其存在三种主要的拉曼振动模式。 215 cm-1处较弱的拉曼峰来自于InAs的TO振动模[13]， 且由于激光的热效应及掺杂存在略微红移; 231 cm-1处的拉曼峰来自于InAs与GaSb耦合的LO振动模[14]; 236 cm-1处较强的拉曼峰为GaSb的LO振动模[15]。 同时， 在108 cm-1处有一较弱的拉曼信号。 因两样品谱型基本相同， 下面主要聚焦1号样品的拉曼结果进一步说明。

图4给出了1号样品GaSb衬底的拉曼光谱， 便于比较， 图中也给出了图3中1号样品的拉曼谱。 红色虚线箭头和蓝色实线箭头示意了激光的入射位置， 并与光谱结果的颜色对应。 由图4可以知道， GaSb衬底并没有出现108 cm-1的拉曼峰， 所以推测该模式可能与InAs或者InAs-GaSb间的界面混合态有关， 需要指出的是， 该模式与文献报道的InAs的2TA振动模式相似[16]; 同时， 从图中还可以明显看出， 200～250 cm-1频移范围内的峰宽在低频侧变窄。 图4中插图给出了GaSb衬底拉曼光谱的洛伦兹拟合结果， 得到的227 cm-1和236 cm-1处的两个拉曼峰为GaSb典型的TO和LO振动模[15]， 且可以看出215 cm-1和231 cm-1两处的振动模式消失， 这也进一步证实了超晶格结构中215 cm-1和231 cm-1两处的振动模式与InAs相关， 分别为InAs的TO振动模和InAs+GaSb的LO振动模， 而108 cm-1的拉曼峰可能为InAs的2TA振动模。

2.2 光致发光谱

为研究器件中电子能级的跃迁机制以及发光能力， 在室温下对两个样品进行了光致发光谱测试， 405 nm激发光源的功率为～300 mW。 因1号和2号样品的测量结果变化规律基本相似， 所以合并讨论。 图5给出了1号样品在4 K下的光致发光谱。 需要指出的是， 0.7eV以下的中远红外波段信号通过光调制技术完全消除了室温背景辐射的干扰信号。 由图5可见， 在0.12 eV（～10.3  μm）和0.75  eV（～1.65  μm）处出现两个尖锐的发光信号。 考虑InAs和GaSb在低温时的发光特性， 10 K时InAs的发光峰位置在～0.42  eV能量处[17];  4.2  K时

GaSb的主要发光峰位于～0.77 eV能量处[18]， 这与图5中GaSb衬底的发光峰对应。 故可推测0.12 eV和0.75 eV处的发光信号分别来自LWSL和SWSL中量子能级形成的微带辐射复合， 发光波段符合器件设计要求， 较窄的峰宽也表明了各层参量有着较好的均匀性。 值得注意的是， SWSL中通过超晶格层厚度调控获得的微带发光峰能量与基底材料GaSb的峰能量接近。

2.3 近、 中、 远红外透射光谱

图6（a）给出了超晶格探测器结构室温下近、 中、 远红外波段透射谱。 由图可见， 1号和2号样品的光学透射响应无本质差异。 在40 meV～0.7 eV（～30～1.8 μm）具有明显的吸收/透射特征。 在远红外波段， 小于40 meV（～30 μm）后透射率直接下降至0， 由于吸收曲线无明显结构， 并且透射率随着波长单调减少， 所以30 μm以上的长波段吸收可归为结构中的自由载流子吸收。 图6（b）给出了超晶格探测室温下近、 中红外波段的反射光谱， 反射率的变化趋势与对应波段透射率的变化类似， 最大反射率约为40%， 并出现明显的干涉条纹， 1号和2号样品的干涉条纹间距（Δv）分别为461 cm-1和530 cm-1。 根据膜厚的计算公式[19]：

2nd=104Δv（1）

可得到外延膜的厚度d（μm）， Δv的单位为cm-1。 为便于分析， 式（1）中忽略了小入射角的影响， 并认为超晶格的折射率n保持不变， 为3.6[20]， 通过计算得到1号和2号样品的膜厚分别为3.01 μm和2.62 μm， 结果与图2中给出的外延膜厚度相近， 约0.4 μm的厚度差与两个样品n-doped InAs：Si/GaSb薄層厚度差对应。 不考虑在测量透射/反射光谱时器件极其微弱的发光， 有T+A+R=1（T， A和R分别代表透射率、 吸收率和反射率）， 结合样品在整个波段的透过率值及近、 中红外波段反射率的值可知， 超晶格探测器在整个波段有着30%～70%的光吸收。

光电流谱在某种程度上可以说是对透射光谱的补充。 图6（c）给出了1号样品室温下的光电流谱。 光电流响应在2.1 μm处截止， 并在红外短波侧因样品表面复合， 其信号逐渐变弱， 这表明器件具有较高的表面态密度; 从透射光谱可以看出， 器件在0.4～0.7 eV（3.1 μm～1.8 μm）波段范围内透射率迅速下降， 大于0.7 eV后器件变得“不透明”， 这是很典型的带间吸收过程， 结合器件的能带结构， 可以分析这一波段透射率的变化来自于SWSL层的微带吸收， 其光电流谱给出的截止波长（2.1 μm）也符合SWSL截止波长的设计要求。 在波长大于3.1 μm后， 透射率又迅速下降， 代表着其他吸收过程/机制的存在。 从图6（a）可以看出， 在8.3～14.7 μm的波长范围内存在吸收， 且有一透射率的极小值， 这部分的波段与LWSL层的截止波长设计（>8 μm）相对应， 所以这一波段内的透射率变化可归于LWSL微带的吸收。 图6（d）给出了器件的微能带结构示意， 长波和短波两个微带的吸收导致了不同波段透射率的变化， InAs/GaSbⅡ型超晶格通过SWSL和LWSL的结合可实现双/宽波段红外光的探测。

3 结  论

通过拉曼光谱、 光致发光谱、 反射光谱、 光电流谱以及宽波段红外透射光谱， 研究了InAs/GaSbⅡ型探测器结构的光学性质。 结果表明， n-doped InAs：Si/GaSb薄层参数并未对器件探测波段产生影响， 但是超晶格层厚度的变化可能会影响非平衡载流子寿命和迁移率， 进而影响器件的灵敏度和响应率。 拉曼光谱指认了超晶格器件结构236 cm-1处的拉曼峰来自GaSb的LO振动模， 231 cm-1处的拉曼峰来自InAs和GaSb耦合的LO振动模， 215 cm-1处的拉曼峰来自InAs的TO振動模， 108 cm-1处的拉曼峰可能为InAs的2TA振动模。 光致发光谱表明器件在0.12 eV和0.75 eV两处存在发光峰， 揭示了器件的双波段特性。 结合探测器结构和宽波段范围内的透射谱和谱分辨光电流谱， 合理地解释了器件具备宽波段红外探测的功能， 但器件结构的高界/表面态密度会限制器件性能。 上述研究结果可为理解InAs/GaSbⅡ型超晶格探测器的物理机制和特性， 以及器件结构设计和制备提供参考。

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Optical Properties of Type-Ⅱ InAs/GaSb Superlattices for

Wide Band Infrared Detection

Li Hongkai1， Li Mo2，3， Dong Shangwei1， Hong Jin1， Chen Ye1， Jing Chengbin1， Yue Fangyu1*， Chu Junhao1， 4

（1. Key Laboratory of Polar Materials and Devices， School of Physics and Electronic Science，

East China Normal University， Shanghai 200241， China;

2. China Airborne Missile Academy， Luoyang 471009， China;

3. Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Infrared Detector， Luoyang 471009， China;

4. National Laboratory for Infrared Physics， Shanghai Institute of Technical Physics，

Chinese Academy of Sciences， Shanghai 200083， China）

Abstract：  InAs/GaSb type-Ⅱ superlattices （T2SLs） are considered as high-quality material for the third-generation infrared detectors due to the special energy band structure and mature material growth technology. This paper introduces the optical properties of InAs/GaSb T2SLs for long-wave and short-wave infrared detection. The Raman vibration modes in the superlattice detector structure are obtained by Raman spectra at different layers， and the sub-band photoluminescence spectrum reveals that the device has dual band characteristics of near-infrared and far-infrared. The obvious absorption characteristics of short wave infrared and long wave infrared are characterized by reflection spectrum， photocurrent spectrum and wide band infrared transmission spectrum. The detection mechanism in the near， middle and far infrared bands is reasonably interpreted. The investigation can provide reference for the structural design and mechanism analysis of the development of dual/multi/broadband infrared detectors based on InAs/GaSb T2SLs.

Key words：  InAs/GaSb; type-Ⅱ superlattices; multi-band detection; Raman spectroscopy; optical pro-perty; infrared detector