基于InAs/GaSb超晶格的新型中波红外雪崩光电二极管

In recent years high performance mid-infrared detector devices are urgently required due to the rapid developments of active sensing system such as laser radar systems. Among many infrared materials and devices, the InAs/GaSb superlattice (SLs) materials and the infrared focal plane array detectors have been investigated systematically and obtained breakthroughs and wide applications, so the developments of the SLs based infrared optoelectronic devices are attracted wide attention, thereinto, the SLs avalanche photodiodes (APD) become a hot topic in the world due to its potential applications for the laser radar systems. This project will focus on the InAs/GaSb SLs mid-infrared avalanche photodiodes. The theoretical models for designing SLs infrared APD will be built. High quality materials of the fine structure InAs/GaSb SLs will be grown by molecular beam epitaxy accurately. Based on the high quality SLs materials and the in-depth study of its infrared spectral and physical properties, the structure of the SLs infrared APD will be optimized according to the theoretical model. Semiconductor technology platform for the fabrication of InAs/GaSb SLs devices and mid-infrared APD test systems will also be established. Finally 2-5 μm mid-infrared InAs/GaSb SLs APDs will be demonstrated and thus to form a groundwork for the fabrication of SLs APD devices for its application in different equipments.

近年来激光雷达等主动探测技术得到快速发展，急需雪崩光电二极管等高灵敏红外探测器。在各种红外材料中InAs/GaSb超晶格及其红外焦平面探测器研究不断取得突破并得到成功应用，因此这类超晶格红外光电器件研究受到国际上广泛重视，在激光雷达系统等具有重要应用的超晶格红外雪崩二极管器件研究成为其中热点课题。本项目提出开展InAs/GaSb超晶格中红外雪崩光电二极管研究，首先要建立Sb化物中红外雪崩光电二极管器件结构设计的理论计算方法，并基于分子束外延技术实现高纯Sb化物材料和精细超晶格结构的精确控制生长。在获得高质量InAs/GaSb超晶格材料、并深入分析研究其红外光电物理性能基础上，根据理论模型提出中红外超晶格雪崩光电二极管器件的优化结构，建立InAs/GaSb超晶格器件制备半导体工艺平台、中红外雪崩二极管测试技术系统。最终制备2-5微米高性能雪崩二极管器件，为实现其在不同装备中的应用奠定基础。

2-5μm中红外探测器在军事、科学、工业等领域有着重要的用途。随着红外光电探测技术的不断发展，下一代探测器必须具有高速响应、高探测率、大规模面阵、高工作温度和低噪声的性能，其核心在于提高信噪比，即提高信号响应度和降低噪声。锑化物半导体具有窄带隙能带特性，其结构设计灵活，分子束外延制备技术成熟的特点，因此是中红外波段光电器件的理想选择。本项目研究了2-5μm波段的Sb化物半导体红外雪崩光电二极管探测器与焦平面探测器制造基础。通过优化InGaAsSb/AlGaAsSb和InAs/GaSb超晶格势垒结构、外延生长参数、器件工艺条件等，研制出Sb化物红外雪崩增益探测器和红外焦平面。研究了Sb化物半导体材料的分子束外延生长条件，生长出了高质量的同质外延层，应变小于0.1%，表面粗糙度小于0.25nm。研究了Sb化物半导体器件的台面刻蚀和钝化工艺，获得平整的器件侧壁并将其用于限光结构微阵列的刻蚀中。采用上述材料和工艺制备Sb化物雪崩光电二极管。通过器件电场分布的计算，设计了电荷截止层的厚度和掺杂量。最终我们制造的探测器160K时仍然可以达到D*>1x1011 cmHz1/2W-1。4微米探测器量子效率77K温度下大于50%。APD器件在工作电压达到17.5V后器件倍增增益可以达到100以上，暗电流接近10nA。研制出320×256规模的近红外和中红外Sb化物超晶格焦平面，其中中波红外焦平面的最大工作温度可以达到150K。同时研制了640×512 中红外Sb化物超晶格焦平面。除传统红外探测器外，我们还研制出可响应0.4-2.5微米可见和近红外光谱的宽光谱红外探测器。