综述：LWIR T2SL InAs/GaSb 探测器在 GaAs 上的最新进展与未来展望

《Advanced Photonics Research》：Recent Progress and Future Prospects of LWIR T2SL InAs/GaSb Detectors on GaAs

　　

镓基II类超晶格（T2SLs）是下一代长波红外（LWIR）焦平面阵列（FPA）探测器的有力竞争者。尽管它们大多生长在GaSb衬底上，但大尺寸晶圆的缺乏、相对较低的电导率以及相对较高的成本阻碍了它们在FPA中的广泛使用。目前正在探索GaAs衬底作为GaSb的可行替代品，因为它成本效益高且产量更高。然而，LWIR T2SLs与GaAs存在较大的晶格失配，可能导致高密度的穿透位错（threading dislocations），这对材料质量和器件性能有害。本综述概述了在GaAs衬底上异质外延GaSb所面临的挑战以及用于缓解这些瓶颈的可能策略。还调查了GaAs衬底上最先进的T2SL。最后，讨论了在GaAs上制造FPA的前景。

**1 引言**
长波红外（LWIR）探测器因其8–12 μm的工作波段在众多领域具有广泛应用。碲镉汞（MCT）及碲锌镉（CZT）衬底存在成本高、组分控制复杂及有害物质限制等问题。1987年，Smith和Mailhiot提出采用II类超晶格（T2SLs）作为红外探测器的吸收区。Esaki和Tsu于1970年首次提出超晶格（SLs）概念，通过周期性异质结构形成电子和空穴微带，其带隙可通过改变周期厚度进行调控。InAs/GaSb T2SLs具有破隙对齐特性，可抑制非辐射俄歇复合，同时较大的有效质量抑制带间隧穿。然而，Ga的引入导致Shockley–Read–Hall（SRH）复合中心增多，影响暗电流和少数载流子寿命。LWIR区域T2SLs的吸收系数较低，量子效率受限。由于InAs与GaSb之间存在0.6%的晶格失配，通常需在界面（IFs）生长InSb层以释放应变，但GaSb衬底尺寸有限且成本较高，因此研究者探索GaAs作为替代衬底，但GaAs与GaSb之间7.8%的晶格失配导致高密度穿透位错（TDs），需采用界面失配阵列（IMF）、位错过滤层（DFLs）、变质缓冲层（MBL）及低温（LT）成核等技术予以缓解。

**2 GaSb层在GaAs衬底上的异质外延**
GaAs衬底具有成本效益高、尺寸大、半绝缘等优势，但7.8%的晶格失配导致临界厚度仅10 ?。随着外延层厚度增加，弹性应变累积至临界厚度后，失配位错形成，损害器件性能。InAs/GaSb T2SLs的晶格常数接近GaSb，因此在GaAs衬底与吸收区之间需生长GaSb缓冲层。位错类型包括刃型位错（90°位错）、螺型位错和混合位错（60°位错）。纯90°位错可通过Volmer–Weber生长模式在扩展岛边缘注入，从而降低穿透位错密度（TDD），但高度失配的异质外延常因未释放应变和岛合并导致高位错密度。研究显示岛合并并非60°位错的主要成因，TDD随缓冲层厚度增加而降低的机制涉及位错滑移和相互作用。TDD的测量方法包括X射线衍射（XRD）、透射电子显微镜（TEM）、扫描隧道显微镜（STM）、扫描电子显微镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）及腐蚀坑密度（EPD）等。

**2.2 IMF阵列**
IMF阵列通过在界面形成周期性90°位错网络来释放应变。Huffaker研究组于2006年成功将GaSb生长在GaAs上，实现低至~5.4×10⁵ cm^-2的TDD。最优的IMF阵列要求形成正交的90°位错，避免60°位错产生。关键在于生长前在GaAs表面形成Sb-rich（2×8）重构，以消除岛合并。GaSb生长前需将GaAs表面从As-terminated（2×4）转为Ga-rich（4×2）再转为Sb-rich（2×8）。实验表明，该方法重复性极难控制，各研究组获得的TDD值介于10⁵–10⁹ cm^-2之间。例如，Jasik等通过优化参数将TDD降至3.5×10⁶ cm^-2（EPD测量）。MOCVD生长的IMF阵列也取得一定成果，最佳生长温度约520°C。

**2.3 AlSb DFL**
位错过滤层（DFL）通过使穿透位错在界面处弯曲并沿横向运动来降低上层TDD。Matthews和Blakeslee模型描述了位错在界面处的弯曲条件。AlSb因其与GaSb晶格失配适中而被广泛用作DFL。Kim等发现LT-AlSb缓冲层（480°C）有助于形成90°位错。Zhou等优化了AlSb层的生长温度和厚度。Wang等研究表明，在AlSb生长前暴露GaAs于Sb₂ flux形成（2×8）表面重构可显著降低TDD（至6×10⁷ cm^-2）。IMF阵列与DFL结合效果更佳：Mansoori等发现距IMF界面越远的AlSb DFL，上层GaSb的TDD越低（从4×10⁸降至4×10⁷ cm^-2）。Addamane等证实大多数残留TD源自GaSb/GaAs IMF界面，而非DFL。Jasik等对比不同厚度LT-AlSb，发现1 nm AlSb层可实现2.2×10⁶ cm^-2的TDD（EPD），但较厚的AlSb层会降低晶体质量。

**2.4 MBL**
变质缓冲层（MBL）通过直接生长厚GaSb、应变层超晶格（SLS）或渐变组分缓冲层来降低TDD。Jasik等发现4 μm GaSb缓冲层TDD最低（HRXRD：4.1×10⁸ cm^-2，EPD：4.0×10⁵ cm^-2），而8 μm缓冲层因表面粗糙导致TDD上升。Fastenau等研究不同生长温度和衬底取向的影响，发现低温生长（420°C）可降低表面粗糙度，且2°离轴衬底在渐变缓冲层中表现更好。Jasik等直接比较MBL与IMF缓冲层，发现MBL具有更好的晶体质量（HRXRD显示主要由90°位错松弛）、更低表面粗糙度（0.32 nm）和较高松弛度（99.8%），而IMF缓冲层表面粗糙度为1.32 nm。Müller等研究渐变变质缓冲层，发现较低的生长温度（450°C）优化光学性能但损害结构性能，且中间GaSb缓冲层厚度影响暗电流和均匀性。

**3 InAs/GaSb T2SL在GaAs衬底上的生长**
主要生长方法为分子束外延（MBE）和金属有机物化学气相沉积（MOCVD）。MBE提供原子级精度，适合LWIR T2SL的薄层精确控制；MOCVD成本较低但界面控制困难。

**3.1 MBE生长的InAs/GaSb LWIR T2SL结构质量**
Klin等发现针状缺陷形成于T2SL-GaSb缓冲层界面，与生长温度及InSb界面层含量相关，但与缓冲层TDD无关。Müller等发现较低生长温度改善光学性能但降低结构质量，且中间GaSb缓冲层无显著改善。Kwan等比较GaSb与GaAs衬底上生长12/4 ML InAs/GaSb T2SL pin二极管，GaAs衬底样品的XRD第一级峰半高宽（FWHM）为301 arcsec，远高于GaSb衬底的60 arcsec，且PL强度低8.5倍，表明质量下降。Benyahia等使用1 μm GaSb IMF缓冲层生长24/7 ML T2SL，获得七个卫星峰及99 arcsec的零级峰FWHM，证实厚缓冲层和优化界面可改善结构质量。后续工作揭示GaAs衬底样品存在60°位错和堆垛层错，且界面互混加剧。

**3.2 MOCVD生长的InAs/GaSb T2SL结构质量**
Zhang等优化MOCVD条件，发现490°C以上形成纳米管缺陷，500°C生长可兼顾形态与界面质量。采用1 ML InSb界面层使纳米管密度增加。优化后100周期T2SL无纳米管，XRD卫星峰达五级，与高质量MBE样品相当。Ning等使用As_xSb_1-x界面层，获得GaSb缓冲层RMS粗糙度0.5 nm，SL粗糙度0.6 nm，FWHM为201 arcsec。

**3.3 总结与讨论**
GaAs衬底上生长T2SLs仍具挑战，衬底选择不如超晶格设计、界面质量和生长条件关键。较厚SL周期或GaSb缓冲层结合IMF阵列可改善结构质量。InSb界面层在LWIR T2SL中可能引入问题，建议探索替代缓冲层以避免使用InSb。

**4 InAs/GaSb T2SL单像素探测器在GaAs衬底上的性能**
**4.1 基本材料参数**
**4.1.1 背景载流子浓度**
Benyahia等发现24/7 ML LWIR T2SL呈n型，因InAs层比GaSb层厚。Khoshakhlagh等研究13/7 ML T2SL，证实n型行为，生长温度影响载流子浓度和迁移率，高温生长导致更多缺陷和表面粗糙度，界面粗糙度是高温下的主要散射机制。
**4.1.2 俄歇复合**
T2SL的II型能带对齐可抑制俄歇复合。Mohseni等发现15.8/9.8 ML T2SL的响应度与T^-1.93成正比，载流子寿命26.8 ns，表明俄歇复合被抑制。Kwan等比较GaSb和GaAs衬底上12/4 ML T2SL，GaAs样品同时存在辐射复合和俄歇复合，与理论预期矛盾。

**4.2 电学性能**
**4.2.1 暗电流密度**
暗电流密度是重要指标，来源包括扩散、产生-复合（GR）、陷阱辅助隧穿和带间隧穿。GaSb衬底上含Ga T2SL屏障结构已接近或超越Rule 07性能，如Christol等实现扩散限制暗电流密度3.7×10^-4 A cm^-2（12.8 μm截止）。Pour等在GaAs和GaSb衬底上分别制备P⁺ π M N⁺屏障二极管，GaAs样品暗电流与GaSb样品相当，钝化后改善。Kwan等pin二极管在GaAs上性能明显更差。
**4.2.2 探测率**
GaSb衬底上屏障结构探测率可达10¹¹–10¹² Jones，如最高值1.4×10¹² Jones（9 μm截止）。GaAs衬底上Pour等屏障结构探测率1.1×10¹¹ Jones（11 μm截止），超过某些pin结构。
**4.2.3 量子效率**
Pour等发现GaAs衬底样品因Fabry–Perot（FP）振荡获得更高量子效率。吸收系数测量值：15.8/9.8 ML T2SL在10.6 μm为1800 cm^-1（300 K），20.2/7.1 ML T2SL在6 μm为3000 cm^-1（78 K）。

**5 T2SL探测器阵列的应用与展望**
**5.1 高工作温度器件**
LWIR探测器传统需冷却至77 K，近年研究向180–300 K热电冷却发展，以降低成本和尺寸。
**5.2 光学工程**
GaAs衬底作为光学浸没透镜可提高探测率，如Müller等实现210 K下探测率3.3×10⁸ Jones。纳米光子结构和超表面可增强吸收，如金属-绝缘体-金属（MIM）谐振腔模拟吸收率达99.95%，导模共振（GMR）结构使量子效率提升2.58倍。
**5.3 探测器架构**
屏障结构（如nBn、CBIRD、P⁺-π-M-N⁺等）可消除耗尽区GR电流，抑制SRH复合，适合高工作温度。Pour等在GaAs上实现P⁺-π-M-N⁺结构，R0A为20 Ω cm²。双波段探测器已实现中波/长波探测。
**5.4 表面钝化技术**
GaSb基异质结构表面易形成氧化物导致费米能级钉扎。聚酰亚胺（如SU8）物理钝化简单但效果有限。电介质钝化（SiO₂、Al₂O₃）和原子层沉积（ALD）可化学钝化悬挂键。硫族化合物钝化（如(NH₄)₂S、硫代乙酰胺TAM）可有效减少表面态。电化学阳极硫化（ACP）也展现良好效果。组合方案（如硫钝化+电介质覆盖层）被认为最佳。
**5.5 改进GaAs衬底上GaSb缓冲层生长策略的前景**
未来可能采用混合方法（如IMF+DFL），实时监控表面重构，机器辅助优化生长参数。变质缓冲层需兼顾厚度与性能，渐变缓冲层和温度分布优化是关键。

**6 结论**
GaSb与GaAs之间的高晶格失配导致TDD较高。通过MBL或IMF阵列可实现4–5×10⁵ cm^-2的低TDD，但文献中更现实的IMF生长TDD约为5×10⁶ cm^-2。MBL的TDD高一个量级，因此推荐IMF阵列。MBE生长的IMF模板已成功用于GaAs上T2SL生长，结构质量可接受。屏障结构在两种衬底上均取得最优结果，建议重点研究屏障器件。硫钝化结合电介质钝化可改善材料质量。光学浸没透镜是制造高性能FPA的有价值工具。