甚长波InAs/GaSb Ⅱ 类超晶格探测器材料及其新型界面研究

InAs/GaSb superlattice (SL) material has a type-Ⅱ energy band structure and the Auger recombination rate and the tunneling current of the materil can be greatly suppressed. The type-Ⅱ SL structure also exhibits a long carrier lifetime and a good material uniformity, especially in the long and very long wavelength ranges. Thus, InAs/GaSb SL structure is regarded as one of the emerging and most excellent infarred detection materials. It has important applications in the field of infrared detector and laser, optical communications, gas monitoring, night vision and other applications.This project intends to investigate the theoretical design, material growth, physical properties of very long wavelength InAs/GaSb type Ⅱ SL materials and interfaces by molecular beam epitaxy. We intends to use the new AlInSb related interfaces to solve the probelems of large strain and large dark current of the very long wavelength detectors using InSb interfaces. We will study the key scientific issues including the design of the SL structure, the design and the growth control of the AlInSb interfaces and how the interface structure and property influence the optical and the electrical properties of the SL structure. Finally, a prototype very long wavelength InAs/GaSb Type Ⅱ SL photodetector device with new type of AlInSb interfaces will be achieved.

InAs/GaSb超晶格具有Ⅱ型能带结构，其俄歇复合及遂穿电流可能被极大抑制，具有载流子寿命长、材料均匀性好等优点，特别是在长波和甚长波波段比传统探测器具有优势，是下一代优异红外探测器材料之一，在制导、夜视、天际红外信息获取、光通信、瓦斯监控、红外对抗等红外探测器与激光器领域具有重要应用。本项目拟使用分子束外延设备采用理论设计、材料生长、物性测试相结合的研究方法研究50%截止波长大于16微米的甚长波InAs/GaSb超晶格材料及其界面的设计与生长，采用新型AlInSb界面解决甚长波InSb界面InAs/GaSb超晶格应变大、暗电流大的问题。重点研究InAs/GaSb的结构设计、新型AlInSb界面的生长条件及其组分、厚度的控制，AlInSb界面对InAs/GaSb超晶格结构、光学、电学性能影响的机制等关键科学问题。研制出新型AlInSb界面甚长波InAs/GaSb超晶格红外探测器原型器件。

InAs/GaSb超晶格具有Ⅱ型能带结构，其俄歇复合及遂穿电流可能被极大抑制，具有载流子寿命长、材料均匀性好等优点，特别是在长波和甚长波波段比传统探测器具有优势，是下一代优异红外探测器材料之一，在制导、夜视、天际红外信息获取、光通信、瓦斯监控、红外对抗等红外探测器领域具有重要应用。本项目使用分子束外延设备采用理论设计、材料生长、物性测试相结合的研究方法开展InAs/GaSb红外探测器的研究。主要研究内容及成果为：（1）采用8K•P理论采用数值计算的方法设计出50%截止波长17微米，17.8微米，23.5微米等红外探测器结构；（2）研究了界面对探测波长的影响。发现GaAs界面的增加会导致波长的蓝移，而InSb界面的增加，会导致响应波长的红移。（3）经过优化设计的新型界面的50%截止波长为17微米的超晶格结构为1 ML的In0.3Al0.7Sb界面，20ML InAs 和7ML的GaSb。采用优化的生长条件生长出探测器结构具有非常好的晶体质量，XRD 半高宽（FWHM）为21.6弧秒，研制出新型In0.3Al0.7Sb界面的红外探测器，77K，50%截止波长17微米，与InSb界面的红外探测器相比具有较低的暗电流。（4）研制出50%截止波长为17.8微米的红外探测器，并发现掺杂欧姆接触层的能带对吸收光谱有影响。（5）研制出在10K，50%截止波长23.5微米的红外探测器。（6）研制出新型M结构2um InAs/GaSb超晶格短波红外探测器，77温度下的光电流响应谱的50%截止波长为1.92微米，在 0 V，77 K条件下，D*在1.84 μm处为 1.1e13 Jones。（7）研究了中波InAs/GaSb超晶格红外探测器暗电流机制，发现器件在在140-280 K温度范围，暗电流的主导机制为产生-复合机制。（8）采用高势垒的界面材料将InAs/GaAsSb二类超晶格红外探测器的探测波长推到1微米，是国际上报道的最短波长。该器件在77K，响应最大值为1.08微米，探测率为1.1e13 Jones。本项目目前在Applied Physics Letters，IEEE Electron Device Letters.等期刊上发表SCI收录文章10篇，申请专利1项，培养博士1名，硕士1名。