长波红外InAs/InAsSb nBn探测器中的价带偏移工程

《IEEE Journal of Electromagnetics, RF and Microwaves in Medicine and Biology》：Valence-Band Offset Engineering in LWIR InAs/InAsSb nBn Detectors

　　

摘要：研究人员报道了具有跨越负、近零和正区间的吸收层-势垒价带偏移（VBO）工程化的长波红外InAs/InAsSb II型超晶格（T2SL）nBn探测器。电学和光学测量表明，近零价带偏移在载流子提取和暗电流抑制之间提供了最佳权衡。负价带偏移引入空穴阻挡，而正价带偏移则产生界面空穴积累区，该区域激活了空间间接的复合过程。温度相关测量揭示了一个约77 meV的有效激活能，与主导的界面相关复合过程相关联。这些结果确定了精确的价带偏移控制是高性能长波红外nBn探测器的关键设计准则。

长波红外InAs/InAsSb nBn探测器中的价带偏移工程：研究解读

一、研究背景与意义

长波红外（LWIR）探测器在热成像、遥感和国防应用中具有不可或缺的地位。基于InAs/InAsSb的II型超晶格（T2SL）已成为碲镉汞（HgCdTe）的重要替代方案，其优势包括精确的带隙调控能力、较低的俄歇复合率、较长的少子寿命以及优异的材料均匀性。与早期的InAs/GaSb体系相比，InAs/InAsSb T2SL具有更低的应变，并能与晶格匹配的AlGaAsSb势垒兼容，因而在中波红外（MWIR）和长波红外探测领域备受关注。

nBn探测器架构通过在吸收层与接触层之间引入宽带隙势垒，实现对多数载流子输运的阻挡，同时允许少数载流子的高效收集，从而显著提升器件性能。在该类器件中，吸收层与势垒之间的能带对齐对载流子输运和复合机制起着决定性作用。特别是价带偏移（VBO）控制着空穴提取效率，根据其符号和大小，可能引入输运势垒或局部势能极小值。

尽管价带偏移的重要性已被广泛认知，但其对长波红外InAs/InAsSb nBn探测器性能的系统性影响此前尚未被明确阐明。本研究正是针对这一空白，通过制备具有负、近零和正价带偏移的探测器，系统研究不同价带偏移对应的输运和复合机制。

二、主要技术方法

研究人员采用分子束外延（MBE）技术在砷化镓（GaAs）衬底上生长器件结构，并使用GaSb缓冲层以适配晶格失配。每个器件采用对称nBn架构，包含两个厚度为1 μm的InAs/InAsSb II型超晶格吸收层，周期为11.99 nm，由晶格匹配的宽带隙AlGaAsSb势垒分隔。吸收层名义上不掺杂，残余n型载流子浓度约为5×10¹⁵ cm^?3，设计截止波长为80 K下约10 μm。研究人员通过改变晶格匹配AlGaAsSb势垒中的Ga含量（典型范围约0.2至0.45）来调控价带偏移，制备了三种结构：S1（负价带偏移，ΔE_h≈?31 meV）、S2（近零价带偏移，ΔE_h≈0 meV）和S3（正价带偏移，ΔE_h≈+54 meV）。器件采用标准光刻和湿法刻蚀工艺制备圆形台面结构，并采用金（Au）金属化。主要表征手段包括温度相关的光谱电流响应率测量、暗电流密度-电压特性测量以及基于阿伦尼乌斯（Arrhenius）分析的激活能提取。

三、研究结果

1. 参考探测器（S2）的基本特性

研究人员首先对参考探测器S2进行了温度相关的光谱电流响应率（R_i）和暗电流密度-电压（J_d–V）特性测量。在?0.1 V偏压下，响应率在160 K以下基本保持恒定，在更高温度下因复合增强和载流子收集效率降低而下降。暗电流在偏压方向上近似对称，在80 K、?0.1 V条件下约为4.4×10^?5 A/cm²。

2. 三种器件的响应率对比

在80 K下，三种器件在各自最优偏压下的光谱响应率测量显示，截止波长均接近10 μm。参考探测器S2在?0.1 V低偏压下表现出最高响应率（R_i=0.22 A/W）。探测器S1和S3的响应率降低，且最优偏压向更高偏压方向移动，表明非零价带偏移限制了空穴输运。S1需要更高的偏压（?0.2 V）以克服价带势垒，而S3需要更大的偏压（?0.3 V）以减小促进空穴积累的局部价带势能极小值。

3. 暗电流特性与折衷分析

暗电流密度-电压特性测量显示，探测器S1由于部分空穴阻挡而呈现最低的暗电流，但以光电流降低为代价。相比之下，探测器S3的暗电流显著增加，这归因于势垒侧势能极小值中的空穴积累，导致吸收层导带中的电子与势垒中局域化的空穴之间空间重叠增强，从而激活了空间间接的II型复合通道。探测器S2在响应率和暗电流之间提供了最优折衷，以R_i/√J_d品质因数衡量，在散粒噪声限制条件下取得最高值。

4. 阿伦尼乌斯分析与激活能

研究人员通过拟合J_d随1/k_BT变化的阿伦尼乌斯关系提取了激活能（E_a）。在高温区，探测器S2和S1的激活能分别为123 meV和114 meV，均接近160 K下吸收层带隙（E_g≈116 meV），与吸收层体复合主导的扩散限制输运一致。探测器S3的激活能显著降低至68 meV，与E_g–ΔE_h（116–53 meV≈63 meV）吻合，表明高温主导复合路径转变为涉及吸收层电子和势垒价带空穴的空间间接II型过程。

在低温区，界面相关复合过程占据主导。探测器S2的激活能为77 meV。探测器S1的激活能增加至约109 meV，与E_a2,S2–ΔE_h（77+31 meV≈108 meV）一致，反映了空穴输运的额外势垒。探测器S3的激活能降低至约24 meV，与E_a2,S2–ΔE_h（77–54 meV≈23 meV）吻合，归因于价带势能极小值促进了空穴局域化。

四、讨论与结论

研究结果表明，负价带偏移（S1）引入空穴阻挡势垒，正价带偏移（S3）促进空穴积累并激活界面II型复合，导致暗电流增加和响应率降低，而近零价带偏移（S2）在响应率和暗电流之间提供了最佳平衡。S1–S3激活能的变化证明，相同的界面相关陷阱辅助复合通道主导了三种探测器的低温行为，而有效复合势垒受价带对齐调制。因此，价带偏移控制着界面态的能量可及性，并主导着扩散主导与界面复合主导输运机制之间的转变。

这些结果确立了价带偏移作为控制载流子输运、界面复合和整体器件性能的关键设计参数，为长波红外InAs/InAsSb nBn探测器的优化提供了实用指导。该论文发表于《IEEE Journal of Electromagnetics, RF and Microwaves in Medicine and Biology》。