异质结构InSb-APD中波红外探测器的设计与表征

萧 生,叶 伟,边宁涛,张 琦

(1.陕西理工大学机械工程学院,陕西 汉中 723001；2.轻工业钟表研究所精密机电部,陕西 西安 710061)

1 引 言

随着对先进红外探测技术的需求不断增加,经过几十年的研究和高速发展,中波长红外(MWIR,3～5 μm)探测器的应用范围包括遥感、热追踪、气体监测和空间成像等重要领域[1-4]。目前,MWIR探测器中广泛使用的材料和结构主要包括HgCdTe(MCT)[5],量子阱与量子点[6-7],InSb焦平面阵列探测器[8],以InAs-GaSb为代表的锑基Ⅱ型超晶格焦平面阵列(FPAs)探测器[9]。然而,为了降低暗电流,提高信噪比[10],这些系统需要较低的环境温度才能工作,因此必须配备制冷设备,这导致其体积大、复杂度高、成本高、适用性差[11]。

目前,室温红外探测器的最新研究方向,如石墨烯[12]、黑磷[13]等二维材料或纳米线结构[14],由于材料本身和制造工艺的局限,目前尚处于研究阶段,还没有大规模的工业生产能力。

InSb作为一种直接禁带III-V半导体材料,具有量子效率高、响应速度快、稳定性高等优点。与目前主流的MCT探测器相比,InSb衬底成本较低,制备工艺较为成熟,是一种理想的MWIR红外探测器材料[15]。为了提高性能、解决窄禁带半导体材料在室温下复合速率高的问题,nbn结构、雪崩二极管(APD)、非平衡结构等类型的InSb探测器已经有了报道[16-18]。但是APD和非平衡结构都采用的InSb同质结构。因此,在有源区外,俄歇(Auger)复合并没有被抑制,同时重掺杂N区和P区的高浓度杂质会引起严重的Shockley-Read-Hall(SRH)复合。

本文设计了一种能在室温下工作的异质结构的InSb APD红外探测器。在P区和N区采用宽禁带半导体材料,与同质结构相比降低了复合速率。……