基于平面异质结构的锑化物超晶格长波红外探测器

InAs/GaSb type-II superlattice infrared detectors usually utilize mesa structures for electrical isolation. Sidewall damage, oxidation and contamination normally occur during mesa etching and lead to high surface leakage current and process instability. We propose a novel PNn-type heterojunction superlattice long-wavelength detector based on planar technology, which utilizes a Zn-diffusion process in a mid-wavelength cap layer to control the surface leakage and a heterojunction to control the generation-recombination current and tunneling current, therefore achieves diffusion-limited performance. Compared to the mesa homojunction structure, device modeling shows that the dark current density of the planar heterojunction detectors can be reduced by three orders of magnitude. Furthermore, the proposed structure can be grown by MOCVD, which is the leading manufacturing tool in industry. In contrast, the conventional Sb-based superlattice detectors have been exclusively grown by MBE. If “MOCVD growth + planar structure” can be successfully implemented and realized, it would be a great breakthrough in this area since “MBE growth + mesa structure” are the routine path for type-II superlattice detectors. It would also be a novel solution for reducing detector cost while maintaining device performance.

锑化物InAs/GaSb超晶格红外探测器通常采用台面结构实现电学隔离，在台面刻蚀过程中产生的损伤、氧化以及沾污等因素造成探测器表面漏电流较大，工艺不稳定。本申请书提出一种具有平面结构的PNn型异质结锑化物超晶格长波红外探测器，利用Zn扩散工艺和中波盖层控制表面漏电流，利用异质结控制产生复合电流以及隧穿电流，使得器件达到理想的“扩散限”性能。器件仿真显示，与传统的台面同质结相比，平面异质结构能使暗电流水平降低三个数量级。并且该结构可用业界主流的金属有机物化学气相沉积（MOCVD）进行生长和扩散，相对于常规的分子束外延（MBE）工艺，能够大幅提高产能，降低成本。通过本项目的实施，实现锑化物超晶格探测器“MOCVD生长+平面结构”的创新模式，有望突破该领域长期采用的“MBE生长+台面结构”的传统模式，探索红外探测器兼顾性能与成本的技术途径，提升我国在锑化物超晶格探测器领域的研究地位和产业化水平。

InAs/GaSb二类超晶格被称为第三代红外探测材料，具有波长可调范围大、能带工程运用灵活、均匀性好等特点。但目前采用分子束外延（MBE）生长的InAs/GaSb超晶格材料的少子寿命较短，而且探测器采用台面结构容易造成侧壁漏电，导致超晶格红外探测器的量子效率较低和暗电流水平高。本项目提出了基于PNn异质结结构的平面型长波红外探测器，利用平面工艺控制表面漏电流，利用异质结控制产生复合电流以及隧穿电流。并且生长和扩散都采用金属有机物化学气相沉积（MOCVD）完成，可大幅降低成本，提高良率。首先我们研究了采用MOCVD生长的InAs/GaSb超晶格材料，创造性的利用InAs衬底和GaAs型界面进行超晶格的应力平衡，取得极佳的应力平衡和极好的材料质量。其中XRD可以观察到8级卫星峰，且应力小于0.01%，卫星峰半宽小于30弧秒；AFM材料表面粗糙度仅0.16nm；77K温度下PL发光明显，从2.3µm到14µm均获得很强发光；STEM可以观测到清晰的晶格像和陡峭界面。然后我们探索了锑化物中的Zn扩散工艺，在500oC以DEZn做扩散源实现了在InAs、GaSb和InAs/GaSb超晶格材料中的Zn扩散。固定30min，Zn在InAs中的扩散速率最快，达到800nm，GaSb中最慢，仅60nm。而超晶格介于两者之前，为100 nm。基于此，我们实现了平面型的InAs/GaSb超晶格中波红外探测器，截止波长为4.5微米左右，量子效率超过40%。最后，我们设计并实现了PNn型长波红外探测器，截止波长10微米左右，在77K获得了R0A超过10000Ω∙cm2，量子效率为40%，峰值D*超过1×1012 cmHz1/2/W的优异性能，探测性能比MBE的器件高出一个量级，超过本项目提出的既定目标。在此基础上，实现了国际上第一个采用MOCVD制备的锑化物超晶格长波红外探测器面阵并获得清晰成像。这些结果充分表明了采用MOCVD制备的锑化物超晶格异质结红外探测器技术路线切实可行，具有较大的技术颠覆性和极高的应用前景。