III-V族多级探测器：室温及热电制冷（200 K）下MCT的强劲替代方案

《IEEE Photonics Journal》：III-V multistage detectors as an alternative to MCT at room and thermoelectric cooling temperature (200 K)

本刊编辑推荐：为解决中长波及甚长波红外（MWIR-LWIR-VLWIR）探测中HgCdTe（MCT）材料在高温工作（HOT）时内阻低、吸收系数低、载流子寿命短等问题，研究人员开展了基于InAs/InAsSb型II类超晶格（T2SL）的带间级联红外光电探测器（ICIP）的性能研究。结果表明，在LWIR/VLWIR波段，ICIP在室温下的探测率（D*）优于或相当于MCT，且响应时间（τ）显著缩短，带宽（f）大幅提升，同时支持更大光敏面积制备。该研究为高性能非制冷/微制冷红外探测提供了新材料方案，对红外成像与传感技术发展具有重要意义。

　　

在红外探测领域，汞镉碲（HgCdTe，MCT）材料已经主导市场超过半个世纪。其可通过调节HgTe/CdTe组分比实现从短波红外到甚长波红外的探测波段定制，被誉为红外探测的“传统利器”。然而，当探测器在高温（HOT，通常指200 K及以上）环境下工作时，MCT的“阿喀琉斯之踵”便暴露出来：其内部电阻急剧下降，尤其是在中波红外（MWIR）以更长波段，严重限制了大规模面阵探测器的制备；同时，材料吸收系数低、载流子寿命短等问题在长波/甚长波红外（LWIR/VLWIR）波段尤为突出，制约了探测器性能的进一步提升。此外，MCT材料中汞元素的存在带来了环境耐受性差（高温下汞易扩散）和环保隐患。寻找一种高性能、高可靠性、环境友好的替代材料，成为红外探测技术发展的迫切需求。

近年来，III-V族半导体材料体系下的型II类超晶格（T2SL），特别是InAs/InAsSb超晶格，因其可媲美MCT的带隙可调性（通过改变超晶格周期和应变实现），以及无汞、组分间扩散系数低等优势，被视为MCT的理想替代者。但T2SL在高温工作时同样面临内阻低、吸收系数和载流子寿命不理想的问题。为此，研究人员创新性地提出了带间级联红外光电探测器（ICIP）的概念。其核心思想是将多个探测单元（吸收区）在生长方向上串联起来，如同多级火箭接力一样，使入射光子能依次被多个薄吸收层吸收。这种“化整为零”的策略，在保持总吸收厚度足够的同时，缩短了载流子输运到收集区的距离，从而有望同步解决低内阻、低吸收系数和短扩散长度三大难题。早年在MCT上尝试类似结构因汞扩散问题而失败，而T2SL材料优异的稳定性使得ICIP结构的成功制备成为可能。

发表在《IEEE Photonics Journal》的这项研究，由VIGO Photonics S.A. 与军事技术大学（Military University of Technology）的研究团队合作完成，系统性地比较了基于InAs/InAsSb T2SL的ICIP探测器与VIGO公司当前最先进的MCT探测器在室温（300 K）和热电制冷温度（200 K）下，覆盖MWIR、LWIR到VLWIR波段的综合性能。研究聚焦于探测率（D*）、响应时间（τ）、零偏压下的动态电阻-面积积（R₀A）以及最大可用光敏面积等关键参数，旨在从商业化应用角度评估ICIP技术的优势与挑战。

研究者主要采用了分子束外延（MBE）技术在3英寸GaAs衬底上生长ICIP外延层，并利用浸没透镜技术增大光学面积、提升探测效率。通过制备标准器件并测量其光电参数，与商品化MCT探测器数据进行对比分析。

室温（300 K）性能对比

研究首先展示了室温下的性能。在探测率方面，对于MWIR波段（~5 μm），MCT探测器（PVI-5）的探测率（1.25×10¹⁰Jones）仍略高于ICIP探测器（PVIA-5， 1.05×10¹⁰Jones）。

然而，在LWIR和VLWIR波段，情况发生逆转，ICIP表现出远超或相当于MCT的探测率。这主要是因为对于短波段，MCT本身具有很高的吸收系数和载流子扩散长度，级联结构带来的串联电阻反而可能成为负担；而对于长波段，ICIP的多级吸收优势得以充分发挥。

响应时间是ICIP的另一大亮点。在MWIR波段，ICIP（PVIA-5）的响应时间仅为2.7 ns（对应带宽59 MHz），而MCT（PVI-5）则长达120 ns（带宽1.3 MHz），ICIP快了40倍以上。

在LWIR波段，两者响应时间相当（1-5 ns）；而在VLWIR波段，ICIP更是达到了0.5-0.9 ns（带宽180-320 MHz）的极快响应，显著优于MCT。这表明在对探测器带宽要求高的应用场景（如高速成像、光通信），ICIP具有巨大优势。

在内阻与最大光敏面积方面，ICIP在MWIR波段展现出明显更强的能力，其R₀A乘积更高，意味着可以制备出光学面积更大的探测器。

在LWIR波段，ICIP与MCT的多结垂直结构（PVMI）探测器性能相近，但ICIP在探测率上更具优势。

200 K性能对比

当温度降至200 K时，基本趋势与室温类似。在MWIR波段，MCT的探测率优势扩大，约为ICIP的两倍。但在LWIR/VLWIR波段，尤其是9-10 μm附近，ICIP的探测率依然领先。

响应时间方面，ICIP在MWIR和VLWIR波段继续保持巨大优势。MWIR波段ICIP响应时间（2.3 ns, 90 MHz）比MCT（80-100 ns, 1.6-2 MHz）快约40倍。VLWIR波段ICIP（0.95-2.3 ns, 70-170 MHz）也比需要偏压的MCT光导探测器（5-6 ns, 27-32 MHz）快2-6倍。LWIR波段因MCT也采用级联（垂直方向）设计，两者响应时间接近。

在R₀A和最大光敏面积方面，200 K下ICIP与经过特殊结构优化（PVMI, PCI）的MCT探测器表现相当，均能实现足够大的器件面积，而标准MCT光电二极管在此温度下已难以满足大面积应用需求。

结论与意义

本研究表明，基于InAs/InAsSb T2SL的ICIP探测器已成为MCT在宽红外波段的有力竞争者。虽然在MWIR波段，尤其在200 K下，其探测率尚低于MCT，但在LWIR/VLWIR波段，无论是室温还是制冷条件下，ICIP均展现出更优或相当的探测性能。更为突出的是，ICIP在响应速度和带宽方面的优势是全波段的，特别是在MWIR和VLWIR波段，其高速特性远超MCT。此外，ICIP在制备大面积探测器方面也显示出巨大潜力，尤其是在室温MWIR应用场景。

这项研究的意义在于，它从实际应用的关键参数出发，全面论证了ICIP技术替代传统MCT技术的可行性与优势。ICIP不仅解决了MCT材料固有的环保和高温稳定性问题，更在性能上实现了多个维度的突破，特别是在高速、大面积、长波探测等应用方向展现出广阔前景。由Karol Dabrowski、?ukasz Kubiszyn、Bart?omiej Seredyński、Waldemar Gawron和Piotr Martyniuk等人完成的研究，为下一代高性能、高工作温度红外探测器的发展指明了新的方向，有望推动红外技术在军事、工业、科研和医疗等领域的更广泛应用。