高性能长波长InAs/GaSb二类超晶格材料基础研究

InAs/GaSb超晶格结构具有II型能带结构，俄歇复合及隧穿电流可以被极大地抑制，具有长的载流子复合寿命，好的材料均匀性等特点，其带间跃迁波长可以覆盖约2.5-30微米的范围，在自由空间光通信、瓦斯监测及红外对抗等红外激光器与制导、夜视、天际红外信息获取等红外探测器领域具有重要应用，是新兴的最为优异的红外材料之一。相比于中波波段，本项目拟利用分子束外延（MBE）技术研究更具挑战性的长波长InAs/GaSb二类超晶格材料的基础制备问题，理论设计最为有效抑制俄歇符合的长波长超晶格结构，获得优化的长波长材料的MBE生长条件。需要解决的关键科学问题主要有InAs/GaSb超晶格结构的不同异质界面类型的控制问题、不同异质界面类型对于材料光学性质的影响问题、应变最小化的实现及控制问题等。作为验证长波材料性能的重要依据，我们还将依托本项目研制出长波长InAs/GaSb二类超晶格红外探测器原型器件。

本项目主要研究长波长InAs/GaSb二类超晶格红外探测材料的生长机理及其器件物理。我们利用分子数外延（MBE）技术生长出质量极高的长波InAs/GaSb 二类超晶格材料，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，应变约3X10-4,材料质量为目前世界上已有报道中最好结果；研制成功长波二类超晶格红外探测器，长波器件在77K温度下的50%截止波长为9.6微米，峰值响应率为3.2A/W；首次提出并澄清了InSb型界面优于混合界面的物理原因是因为混合界面中存在反位缺陷；生长出质量极高的甚长波材料并研制出甚长波器件；研究了MBE生长的非有意掺杂的中波、长波及甚长波InAs/GaSb二类超晶格材料的本征掺杂及电学特性，并对观察到的电学特性进行了物理解释；研究了p-i-n型器件欧姆接触层对于甚长波探测器光响应影响的物理机制；利用二类超晶格结构将探测波长继续向短波方向推进到小于2微米（指50%截止波长，77K），这为利用二类超晶格实现短波探测及包含短波的双色和多色探测提供了可能性；第一次给出了二类超晶格材料应变匹配为零时界面材料与超晶格材料厚度之间的定量关系，此关系可以作为超晶格材料的界面设计的依据并指导生长；从实验上测出来从12K到90K范围内二类超晶格结构中InAs与GaSb的能带差（band overlap）随温度的变化关系；首次研制出窄带长/甚长波双色二类超晶格红外探测器器件。