3-5μm非制冷锑化物半导体光伏红外探测器件研究

Currently, high speed, sensitive uncooled infrared photodetectors for the 3-5µm wavelength range are essentially required for both military and civilian applications. III-V antimonide semiconductors, which bandgap is direct and narrow, are promising materials for the infrared photodetectors. This project proposes to develop uncooled InGaAsSb photovoltaic (PV) infrared detectors and the arrays operating in 3-5µm wavelength range. In this project, the investigation will focus on the effect of non-equilibrium growth parameters on the epitaxy of the metastable compounds within miscibility gap and finally solve the key problem of the epitaxial growth of the compounds. InGaAsSb multilayer structures without solid composition clusters for 3-5µm wavelength range will be grown on GaSb and GaAs substrates by low-pressure metalorganic chemical vapor deposition (MOCVD). The simulation of the material and device parameters will be carried out to optimize the device structures. The key technologies both of the epitaxy and the device process will be studied. Finally, InGaAsSb PV IR detectors operating in 3-5µm wavelength range will be fabricated, the room temperature detectivity is 5E10cm.Hz1/2.W-1 for a unit and 1E10cm.Hz1/2.W-1 for a 64-element array. The research results will lay the foundation for further investigation of uncooled two-color InGaAsSb PV IR detectors.

目前，无论在军事还是民用领域，均迫切需要3-5µm波段的高探测度非制冷的半导体红外探测器。直接带隙III-V族锑化物半导体材料是制作这一波段红外探测器的优势材料。本项课题研究致力于研制非制冷的3-5µm波段光伏型InGaAsSb单元和阵列红外探测器。本项目拟利用低压MOCVD技术，重点研究非平衡生长参数与混溶隙内亚稳态半导体化合物外延生长的关系，解决混溶隙内无组分簇锑化物外延生长关键问题，在GaSb和GaAs衬底上外延生长3-5µm波段高质量InGaAsSb多层结构材料；开展材料与器件关键技术研究及理论模拟分析，优化器件结构，制作出3-5µm波段非制冷光伏型InGaAsSb单元红外探测器，室温探测度达到5E10cm.Hz1/2.W-1；制作出64元光伏型InGaAsSb阵列探测器件，室温探测度达到1E10cm.Hz1/2.W-1。为进一步进行非制冷光伏型双色探测器件的研究奠定基础。

目前，在红外成像、红外通讯、气体监测、遥感技术等军事和民用领域，对3-5 μm波段的半导体红外探测器均有着迫切的需求。而非制冷红外探测器因无须制冷设备而便于实现器件的集成化与探测系统的轻量化，具有低功耗、低成本、稳定性高等优势，因此具有重要的应用前景。直接带隙III-V族锑化物半导体材料是制作这一波段红外探测器的优势材料。. 本项目采用低压金属有机化学气相沉积（LP-MOCVD）技术，研究了锑化物异质结构的外延生长特性及掺杂特性，对外延生长的锑化物异质结构的结晶质量、缺陷、电学与光学特性进行了研究；进行了锑化物异质材料结构及探测器件结构的设计优化研究，研究了材料性能、材料结构与器件性能的关系，揭示了材料结构和器件结构对器件工作性能的影响机理；进行了锑化物单元红外探测器件制作工艺研究。. 研究阐明了低压MOCVD生长参数对锑化物薄膜特性的影响以及外延锑化物混溶隙亚稳态的生长条件。在GaSb、GaAs和InP衬底上外延制备出高结晶质量、低缺陷密度的锑化物多层异质结构。设计优化了探测器结构，通过异质结能带结构设计，有效抑制俄歇暗电流，制作出非制冷光伏型中红外锑化物半导体PIN结构单元红外探测器，器件室温暗电流低达0.26 A·cm-2，品质因子R0A为0.1 Ω·cm2，器件在3.5 μm的最大响应度为1.6 A/W，器件室温量子效率为66%。. 发表学术论文7篇，获得国家发明专利3项；培养博士研究生4人，硕士研究生7人。