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半导体所二类超晶格红外探测器研究取得新展

导读: 中科院半导体研究所纳米光电子实验室马文全小组克服材料生长及器件工艺制作等诸多困难,目前已成功研制出锑化物二类超晶格中波、长波、甚长波及窄带双色红外探测器原型器件。

  锑化物InAs/GaSb二类超晶格材料具有二型能带结构,电子有效质量大,俄歇复合率低,波长调节范围大(约3-30微米),在高性能制冷型红外探测器领域具有重要应用。与碲镉汞红外探测器相比,二类超晶格红外探测器材料均匀性好,成本低,在中波及长波波段与碲镉汞探测器性能相当,在甚长波波段则有较大优势;与量子阱红外探测器相比,其量子效率高,性能远高于量子阱红外探测器。因此,锑化物InAs/GaSb二类超晶格材料目前在国际上红外探测器领域引起了广泛关注,在国防建设、医疗、抗灾等方面都有广泛的应用,成为国际上竞相发展的热点之一。

  在中国科学院和国家973等计划的支持下,在陈良惠院士领导下,中科院半导体研究所纳米光电子实验室马文全小组克服材料生长及器件工艺制作等诸多困难,目前已成功研制出锑化物二类超晶格中波、长波、甚长波及窄带双色红外探测器原型器件。中波、长波及甚长波p-i-n型器件结构的X射线双晶衍射卫星峰半高宽分别为20、17和21弧秒,应变在10-4量级,表明生长的材料具有极高的质量(图1)。

  科研人员研制出的中波器件在77K温度下的50%截止波长为4.8微米,4.2微米处探测率为2.4×1011cm·Hz0.5/W ,并实现室温探测(图2(a)),此结果发表在Japn. J. Appl. Phys.(Vol. 51, 074002, 2012);长波器件在77K温度下的50%截止波长为9.6微米(图2(b)),峰值响应率为3.2A/W,p-i-n型器件结构X射线双晶衍射卫星峰半宽只有17弧秒,材料质量为目前世界上已有报道中最好结果,此结果发表在IEEE J. Quantum Electron.(Vol. 47, 1475, 2011);甚长波器件在77K温度下的50%截止波长为14.5微米,Johnson噪声限制的探测率为4.3×109cm·Hz0.5/W,p-i-n型器件结构X射线双晶衍射卫星峰半宽只有21弧秒,材料质量为目前世界上已有报道中最好结果,此结果发表在IEEE J. Quantum Electron.(Vol. 48, 512, 2012)。目前世界范围内报道了甚长波器件结果的只有美国的西北大学及新墨西哥大学等几家机构。

  此外,马文全小组还成功研制出通过改变偏压极性实现双色探测的窄带型长波/甚长波InAs/GaSb二类超晶格红外探测器器件,如图2(d)所示,此器件在77K温度下的50%的截止波长分别为10和16微米,响应谱属于窄带性,两个响应带的光学串扰只有约10%,此结果发表在Appl. Phys. Lett.(Vol. 100, 173511, 2012)。

 

图1. 中波(MW)、长波(LW)、甚长波(VLW)p-i-n型器件结构的XRD曲线。

 

图2 二类超晶格中波(a)、长波(b)、甚长波(c)及长波/甚长波双色(d)红外探测器的响应光谱。

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