周 靜,郝瑞亭,潘新昌,張龍剛,郭 猛,宋佩佩

(1.云南師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院,云南 昆明 650500；2.云南師范大學(xué)能源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,云南 昆明650500)

1 引 言

近年來,因紅外探測技術(shù)發(fā)展迅速,各領(lǐng)域?qū)t外探測器的需求也變得多種多樣,追求器件高性能的同時保持高工作溫度一直都是科研人員追求的目標(biāo)。用于紅外探測的材料主要有InSb、HgCdTe、多量子阱和銻化物II類超晶格,大多數(shù)HgCdTe、InSb紅外探測器工作溫度都是在77 K。如果提高器件的工作溫度,暗電流會呈指數(shù)增加,而暗電流的增大將會導(dǎo)致紅外探測器的性能嚴(yán)重下降[1]。為了讓器件保持77 K的工作溫度條件下,需要配備大功率制冷機(jī),這樣不僅導(dǎo)致系統(tǒng)體積大、功耗高、壽命受限等問題,還會帶來諸多的使用不便[2]。已有研究表明,探測器的工作溫度如果能夠提高20 %～30 %,系統(tǒng)的壽命將會延長50 %～150 %。

目前,銻化物因其特殊的材料及器件結(jié)構(gòu),還具有低成本、大面積、均勻性好等優(yōu)點(diǎn),已成為制備高溫工作紅外探測器的最佳選擇之一。本文從銻化物材料基本性質(zhì)出發(fā),綜述了高工作溫度銻化物紅外探測器的研究進(jìn)展。詳細(xì)介紹了六種銻化物高溫紅外探測器,并展望了其未來的發(fā)展趨勢。

2 銻化物材料基本性質(zhì)

銻化物Ⅱ類超晶格材料最早由Esaki 等人在1977年提出[3]。該材料禁帶寬度覆蓋范圍廣、能帶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靈活、正入射且光吸收率高。如果選擇的器件結(jié)構(gòu)合適,不僅能抑制載流子的非輻射復(fù)合,而且還可以有效地提高器件的光電性能。然而,因GaSb材料中與Ga相關(guān)的本征缺陷在禁帶中間引入了深缺陷能級,受到俄歇復(fù)合機(jī)制的影響,少數(shù)載流子的壽命非常低,使得銻化物Ⅱ類超晶格材料的優(yōu)勢在實(shí)際應(yīng)用中并沒有得到真正展現(xiàn),器件性能與理論值有較大差距。

因此,研究人員提出了一種無Ga的材料體系,即InAs/InAsSb超晶格。這種無Ga超晶格的少數(shù)載流子壽命得到了大幅提高,暗電流有了顯著降低。在此基礎(chǔ)上,研究人員又提出InGaAs/InAsSb材料體系,將Ga元素加入到InAs層[4]。這種材料的紅外吸收性能以及空穴遷移率都得到較大提升,器件性能更好。

2004年,高工作溫度探測器的設(shè)想和概念被Ashley等人率先提出[5]。他們想要制備出具有較好性能的同時,還能在高溫或是室溫下正常工作的紅外探測器。2015年,Kinch等人發(fā)現(xiàn)減小探測器的像元尺寸,不僅使紅外成像系統(tǒng)的體積和功耗變小,工作溫度還得以提高,很大程度地提升了系統(tǒng)在極端條件下工作的穩(wěn)定性[6]。當(dāng)然,器件能否在高溫下工作,最主要的還是取決于探測器的結(jié)構(gòu)以及暗電流大小。

近年來,銻化物在材料生長和理論模擬方面都取得了突破性進(jìn)展。在這些基礎(chǔ)上,研究人員研發(fā)了基于PIN、W、PΠMN、CBIRD、PBIBN、nBn型以及帶間級聯(lián)結(jié)構(gòu)的紅外探測器。通過改變器件結(jié)構(gòu),降低暗電流,實(shí)現(xiàn)提高紅外探測器工作溫度的目標(biāo)。

3 高工作溫度銻化物紅外探測器研究進(jìn)展

對于高溫紅外探測器,以色列Semiconductor Device(SCD)公司是最早開展此項(xiàng)研究的單位之一。20世紀(jì)90年代,SCD公司研究了離子注入型平面結(jié)工藝。后因工藝技術(shù)越來越成熟,開始朝著大面陣、小像元焦平面方向發(fā)展,最終制備出小尺寸,低功耗,重量輕與成本低的紅外探測器[7]。2004年,SCD公司開始對InSb的外延成結(jié)技術(shù)進(jìn)行研究,也就是將p型InSb外延到n型InSb襯底[7]。之后,于2008年提出 XBn和XBp勢壘型器件結(jié)構(gòu),目的是抑制器件暗電流,從而提高器件的工作溫度或靈敏度。其中,X是加偏置的電極層,B是勢壘層,n或p是吸收層,nBn型器件的能帶結(jié)構(gòu)如圖1所示。SCD公司把這個結(jié)構(gòu)應(yīng)用于InAsSb薄膜和InAs/GaSb II類超晶格材料中,nBn型InAsSb的結(jié)構(gòu)如圖2所示。此后,他們將研究重點(diǎn)放在nBn型 InAsSb 中波高溫器件和高性能 pBp型InAs/GaSb II類超晶格長波器件上。

圖1 nBn 型器件能帶結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 nBn型InAsSb探測器的結(jié)構(gòu)示意圖

同時,國內(nèi)包括中國科學(xué)院半導(dǎo)體所、上海技術(shù)物理所、重慶光電技術(shù)研究所和昆明物理研究所等也相繼開展了高溫紅外探測器的研究。接下來將分別介紹InSb、InSb/InAlSb、Al摻雜InSb、InAsSb、InAs/GaSb以及帶間級聯(lián)高溫紅外探測器的研究情況。

3.1 InSb探測器

1954年,Weiss首次報(bào)導(dǎo)了InSb 材料[8]。它在3～5 μm波段有近百分之百的量子效率,同時還具有禁帶寬度窄、電子有效質(zhì)量小、電子遷移率高等優(yōu)點(diǎn),一直都是制備高性能中波紅外探測器的首選材料[9]。2004年,SCD公司[7]通過分子束外延(MBE)技術(shù)制備出了InSb 薄膜材料,SRH復(fù)合中心減小,載流子壽命得以提高,器件的暗電流與普通器件相比減小了15倍,制備出了性能較好的640×510焦平面紅外探測器。圖3是640×510 InSb 焦平面紅外探測器的熱成像圖,(a)、(b)分別為95 K 和 110 K 時的成像效果,可以發(fā)現(xiàn)110 K 時成像效果與95 K相比并無大的差異,說明器件性能保持不變的同時工作溫度也提高了。但因InSb材料波長不可調(diào),溫度在77 K時,截止波長為5.5 μm；到110 K以上時,截止波長超過6 μm；而InSb材料在波長為3～5 μm處的光吸收性能好,如果波長太長不僅會造成工作波段的浪費(fèi),還會使器件的暗電流密度增大,很難制備出性能優(yōu)良的InSb高溫紅外探測器,為解決這一問題,研究人員在此材料的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),制備出勢壘型InSb高溫紅外探測器。

(a)95 K

3.2 InSb/InAlSb 探測器

1983年,White.A.M最先在文獻(xiàn)中提出勢壘型探測器。隨后,Ashley[5]等人提出單極勢壘層的pBn結(jié)構(gòu)InSb 探測器。依靠勢壘差去抑制載流子的產(chǎn)生-復(fù)合,減小暗電流的大小,工作溫度可提高到100 K。同時,將InAlSb材料生長在InSb基片上,通過調(diào)節(jié)Al組分中的摻雜量來控制勢壘的高度,器件的光電性能保持良好,工作溫度從110 K提高到了130 K。

2014年,Evirgen[10]等人在成熟的InSb探測技術(shù)基礎(chǔ)上,制備出nBn型InSb/InAlSb/InSb紅外探測器,工作溫度得到較大提升。然而,通過研究發(fā)現(xiàn)高Al組分異質(zhì)結(jié)外延生長會出現(xiàn)晶格失配問題,為了解決這個問題他們使用50 μm的InAlSb作為勢壘層,并將InSb作為吸收層,制備出兩種nBn型結(jié)構(gòu)的器件。其中,一種結(jié)構(gòu)采用固定Al 的組分含量在20 %,吸收區(qū)摻雜濃度在1×1016cm-3量級。另一種是將Al的組分含量從15 % 慢慢的增長到35 %。在偏壓為50 mV、溫度在77 K條件下,器件的暗電流為10-9A/cm2,截止波長為5.4 μm,與前面提到77 K溫度下的InSb探測器的截止波長相差不大。但因nBn結(jié)構(gòu)在很大程度上降低了紅外探測器的產(chǎn)生-復(fù)合電流,工作溫度有望達(dá)到120 K。

同時,采用 MBE技術(shù)制備的這些特殊結(jié)構(gòu)的InSb探測器,具有較小的暗電流、較好的溫度穩(wěn)定性、更寬的響應(yīng)波段以及更簡單的制備技術(shù)等優(yōu)點(diǎn)[11],后來成為InSb紅外焦平面探測器的重要發(fā)展方向。

3.3 Al摻雜InSb探測器

InSb/InAlSb紅外探測器,是基于InSb探測器制備技術(shù)發(fā)展起來的。前面提到過,InSb探測器存在工作溫度低、波長不可調(diào)的問題。因此,研究人員利用摻Al的方法,來調(diào)節(jié)InSb/InAlSb紅外探測器的截止波長以及能帶寬度。在InAlSb材料保留了InSb材料良好電學(xué)性能的同時阻擋多數(shù)載流子的擴(kuò)散,降低器件的暗電流,從而提高器件的工作溫度。由于In1-xAlxSb的能帶寬度會隨著Al組分發(fā)生線性變化,當(dāng)Al組分增加1 % 時,能帶寬度可增加18 meV左右,此時截止波長向短波方向移動。若摻雜組分增加到3 % 時,可將InSb的截止波長從5.5 μm 減小到4.4 μm,此時的InSb/InAlSb紅外探測器的暗電流大小僅為InSb探測器的1/20,這樣就大大地提高了器件的工作溫度[12]。

2003年,英國QinetiQ公司研發(fā)出工作溫度為130 K且性能良好的256×256元InSb/InAlSb紅外焦平面探測器。如圖4所示,(a)、(b)、(c)分別為工作溫度在80 K、100 K、130 K下的成像效果。

圖4 256×256InSb/InAlSb紅外焦平面成像圖

隨后,SCD公司也成功研制出了像元尺寸為30 μm的256×320元InSb/InAlSb焦平面探測器[7]。如圖5所示,(a)、(b)分別為工作溫度時100 K和110 K下的紅外焦平面成像效果圖。在性能保持不變的情況下,InSb/InAlSb焦平面探測器與傳統(tǒng)InSb焦平面探測器相比,工作溫度提升到100 K。2006年,該公司將探測器陣列的規(guī)格擴(kuò)大到了480×384元,截止波長為4.2 μm,工作溫度提高到120 K。在這之后,SCD公司持續(xù)研究出陣列規(guī)格更大的InSb/InAlSb紅外焦平面探測器,其探測器的工作溫度得到進(jìn)一步提高。此后,InSb/InAlSb紅外焦平面探測器繼續(xù)朝著工作溫度更高、像元尺寸更小的方向發(fā)展。

圖5 256×320InSb/InAlSb紅外焦平面成像圖

3.4 InAsSb 探測器

3.4.1 光導(dǎo)型 InAsSb 探測器

2004年,同濟(jì)大學(xué)的高玉竹教授利用熔體外延法,在InAs襯底上成功地生長出了截止波長為11 μm的InAsSb單晶[13]。其外延層厚度為100 μm,X射線衍射譜顯示InAsSb單晶具有良好的結(jié)晶質(zhì)量。該方法生長的材料,由于外延層在壓力下形成的,能帶彎曲參數(shù)變大,其禁帶寬度明顯變窄,截止波長會向長波方向延長。2010年,他們在較為成熟的材料生長技術(shù)之上,制備出InAsSb室溫紅外探測器,工作溫度得到很大提高[14-15]。

2012年,郭軼等人在293 K工作溫度下,采用 InAsSb 單晶材料制成高靈敏光導(dǎo)型 InAsSb 紅外探測器,保持器件較好性能的同時初步實(shí)現(xiàn)了在室溫條件下工作[16]。在293 K工作溫度時,黑體探測率為6×108cm·Hz1/2·W-1,黑體響應(yīng)度為168 V/W,探測器性能優(yōu)良,應(yīng)用前景廣闊,尤其是在高溫領(lǐng)域的紅外探測應(yīng)用有重要意義,該探測器的光譜響應(yīng)如圖6所示。

圖6 InAsSb探測器在293 K時的光譜響應(yīng)

3.4.2 勢壘型 InAsSb 探測器

2008年,SCD公司提出了XBn和XBp勢壘型器件結(jié)構(gòu),其中X是加偏置的電極層,B是勢壘層,n或p是吸收層[7]。其主要作用就是抑制器件的暗電流,提高器件的工作溫度或靈敏度,圖7為nBn 結(jié)構(gòu)的 InAsSb 器件結(jié)構(gòu)示意圖。此后,利用現(xiàn)有的材料生長技術(shù)和器件制備工藝,分別研制出了nBn、pBp結(jié)構(gòu)的InAsSb中、長波高溫紅外探測器。

圖7 nBn 型 InAsSb 器件結(jié)構(gòu)示意圖

2013年,SCD 研制出XBn型InAsSb中波高溫探測器系列產(chǎn)品,器件的工作溫度達(dá)到150 K,性能良好[7]。其中,XBn型InAsSb焦平面陣列規(guī)模是640×512,像元中心距15 μm,吸收層厚度3 μm,該焦平面陣列的熱像圖非常清晰,如圖8所示。在這之后,研究人員還對探測器進(jìn)行了變工作溫度的熱成像和制冷功耗進(jìn)行了測試。如圖9所示,工作溫度在103～225 K時焦平面的成像效果。當(dāng)溫度升高到193 K時器件性能才出現(xiàn)明顯的衰減；工作溫度為95 K時,制冷機(jī)功率降低了20 %；溫度達(dá)到150 K時,制冷機(jī)功率降低了60 %。

圖8 640×512 InAsSb焦平面陣列150 K時的成像效果

圖9 103～225 K溫度范圍焦平面陣列的成像效果

2014年,美國 DRS 公司研究出以GaAs為襯底的nBn型1024×1024 InAsSb焦平面陣列。工作溫度為150 K時,探測率可達(dá)1.2×1011cm·Hz1/2·W-1,響應(yīng)截止波長為4.9 μm,圖10是150 K工作溫度時的成像效果。隨后,美國噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室也報(bào)道了室溫nBn結(jié)構(gòu)的 InAsSb 中波紅外探測器[17]。在截止波長為4.5 μm時,室溫條件下的探測率為1.0×109cm·Hz1/2·W-1,250 K時的探測率為5.0×109cm·Hz1/2·W-1,器件性能保持良好,工作溫度也得到極大提高。

圖10 1024×1024 InAsSb 焦平面陣列

2017年,美國休斯實(shí)驗(yàn)室在GaAs襯底上生長了nBn 結(jié)構(gòu)的InAsSb探測器,并制作了2040×1156焦平面探測器[18]。在截止波長為5.1 μm時,150 K工作溫度條件下的有效像元為99.9 %,無抗反射膜紅外探測器的量子效率大于60 %。

2021年,Soibel等人研究了含有pn-CBIRD結(jié)構(gòu)的長波InAs/InAsSb超晶格勢壘紅外探測器,其主要利用較長的電子擴(kuò)散長度以達(dá)到提高量子效率的目的。還比較了n型吸收層、p型和n型吸收層兩種組合以及p型吸收層這四種互補(bǔ)勢壘紅外探測器結(jié)構(gòu)[19]。研究結(jié)果顯示,使用pn-CBIRD結(jié)構(gòu)的器件量子效率最高,雖然暗電流大小受表面p-n結(jié)的影響,但隧穿暗電流不太明顯,在較低偏置條件下器件性能較好。圖11是工作溫度為78～148 K時暗電流密度與外加偏壓的函數(shù)關(guān)系,其中(a)為n型吸收層勢壘結(jié)構(gòu),(b)為pn-CBIRD勢壘結(jié)構(gòu)。

圖11 暗電流密度與外加偏壓的函數(shù)關(guān)系

3.5 InAs/GaSb超晶格紅外探測器

2006年,Plis等人制備出基于InAs/GaSb II型應(yīng)變超晶格中紅外探測器[20],能帶結(jié)構(gòu)如圖12所示。美國的圣·芭芭拉公司率先研發(fā)出工作溫度在130～155 K范圍的nBn 型II類超晶格中波紅外探測器,其性能與工作溫度在80 K的 InSb 紅外探測器、95 K的HgCdTe紅外探測器和115 K的HgCdTe 紅外探測器的性能相差不大,圖13則為InAs/GaSb探測器在不同溫度時的成像效果。

圖12 InAs/GaSb超晶格能帶結(jié)構(gòu)示意圖

圖13 InAs/GaSb探測器在不同溫度時的成像效果

同時,Pour等人通過抑制主要暗電流的方案來提高InAs/GaSb II型超晶格中波探測器在高溫工作時的性能[21]。優(yōu)化后量子效率達(dá)到50 %,并且沒有任何偏置依賴性。之后,胡銳等人也對nBn型InAs/GaSbII類超晶格紅外探測器進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)150 K工作溫度條件下的暗電流比77 K時大一個數(shù)量級,峰值探測卻只下降了1/5,有望實(shí)現(xiàn)較高的工作溫度[22]。

2015年,中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所牛智川小組對InAs/GaSb超晶格高溫探測器進(jìn)行了研究,他們主要優(yōu)化了InAs/GaSb pΠMN型單元器件勢壘區(qū)和吸收區(qū)的摻雜,利用勢壘區(qū)的摻雜實(shí)現(xiàn)了零偏壓全響應(yīng)特性[23]。研究發(fā)現(xiàn),高溫情況下,熱激發(fā)導(dǎo)致結(jié)區(qū)兩端的少子濃度增加,在自建電場的漂移作用下,擴(kuò)散電流占據(jù)暗電流的主要成分。中波InAs/Gasb超晶格材料,利用p-i-n型器件結(jié)構(gòu),在高溫工作狀態(tài)下,擴(kuò)散電流占據(jù)主導(dǎo)地位。為了抑制擴(kuò)散電流,對吸收區(qū)進(jìn)行P型摻雜,發(fā)現(xiàn)隧穿電流也會隨著結(jié)區(qū)電場的增加而增加,減少耗盡區(qū)寬度的同時也降低了器件的量子效率。因此,為了減少隧穿電流、增大載流子有效質(zhì)量,提出了M型結(jié)構(gòu)作為勢壘層插入吸收層和電極層之間進(jìn)行器件性能優(yōu)化和提升。研究發(fā)現(xiàn),在工作溫度高于120 K時,擴(kuò)散電流為主導(dǎo)。在200 K時,器件的動態(tài)阻抗RAmax達(dá)到764 Ω·cm2,峰值D*探測率達(dá)到1×1011量級,制備出陣列規(guī)模為320×256元InAs/GaSb pπMN型中波紅外焦平面,其成像效果如圖14所示。

圖14 InAs/GaSbpΠMN型中波焦平面

3.6 帶間級聯(lián)高溫紅外探測器

新一代紅外焦平面探測器的優(yōu)化目標(biāo)將聚焦于SWaP,也就是體積小(Size)、重量輕(Weight)、功耗低(Power consumption)、高性能(Performance)和低成本(Price)[24]。目前,提高紅外探測器的工作溫度成為研究的熱點(diǎn),高性能光子型紅外探測器的高溫或非制冷工作,兼顧了紅外系統(tǒng)小尺寸、低功耗、低成本和高靈敏度、高響應(yīng)速度、高幀頻等諸多優(yōu)點(diǎn),是新一代紅外焦平面探測技術(shù)的重要發(fā)展方向之一。采用新型量子結(jié)構(gòu),特別是國際上最新研究的帶間級聯(lián)探測器,已經(jīng)顯示了極其優(yōu)越的室溫光電性能。帶間級聯(lián)探測器是以InAs/GaSb/AlSb 為結(jié)構(gòu)形成的多異質(zhì)結(jié)勢壘器件。如圖15所示,為帶間級聯(lián)探測器的原理示意圖,器件主要由吸收區(qū)InAs/GaSb、弛豫區(qū)InAs/AlSb以及隧穿區(qū)GaSb/AlSb三部分組成[25]。因不存在摻雜的PN結(jié),可以利用勢壘結(jié)構(gòu)調(diào)控的方法去抑制復(fù)合電流和隧穿電流的產(chǎn)生,同時也可以利用分立的多吸收區(qū)的結(jié)構(gòu)去解決載流子擴(kuò)散長度小的問題,從而達(dá)到提高器件工作溫度的目的。

圖15 帶間級聯(lián)探測器工作原理示意圖

2010年,Oklahoma大學(xué)報(bào)道了中波帶間級聯(lián)探測器,在室溫工作時,100 %截止波長超過7 μm。2015年,周易等人也提出了中波高溫InAs/GaSb II類超晶格帶間級聯(lián)紅外探測器[26]。他們將制備出來的單級和雙級級聯(lián)的紅外探測器進(jìn)行對比,分析了能帶結(jié)構(gòu)對暗電流的抑制以及光生載流子輸運(yùn)的影響。其中,單級器件的吸收區(qū)是由7.5 MLInAs/7 MLGaSb超晶格材料構(gòu)成,厚度為1 μm。電子弛豫區(qū)由InAs/A1Sb多量子阱結(jié)構(gòu)形成,該弛豫區(qū)也作為空穴勢壘區(qū)降低器件暗電流,隧穿區(qū)由GaSb/A1Sb短波超晶格結(jié)構(gòu)形成,也作為電子勢壘區(qū)提高器件電學(xué)性能。其中電子弛豫區(qū)將相近量子阱能級差設(shè)計(jì)與聲子能量接近,提高了電子弛豫速度,優(yōu)化器件的輸運(yùn)。將單級器件進(jìn)行級聯(lián)且生長在InAs襯底上就是帶間級聯(lián)的紅外探測器[27]。對比之后發(fā)現(xiàn),在77 K時,吸收區(qū)厚度為1 μm的PIN器件,波長在3.61 μm處的量子效率為42.5 %。單級器件波長在3.64 μm處的量子效率為45.6 %,R0A為2.5×107Ω·cm2；兩級級聯(lián)器件波長在3.61 μm處的量子效率為25.5 %,R0A為3.5×107Ω·cm2。在300 K時,單級器件波長在4.39 μm處量子效率為18.8 %,R0A為0.04 Ω·cm2,說明室溫下少子擴(kuò)散長度接近或超過1 μm；兩級級聯(lián)器件波長在4.37 μm處量子效率為19.2 %,R0A為0.064 Ω·cm2,峰值探測率為2.56×109cm·Hz1/2·W-1,說明器件輸運(yùn)性能較好,沒有形成其他的勢壘阻擋光生載流子的輸運(yùn)。

在這之后,新墨西哥大學(xué)也報(bào)道了中波高溫帶間級聯(lián)探測器。在工作溫度為160 K時,量子效率為28.6 %；200 K時量子效率為35 %。同時,Oklahoma大學(xué)也報(bào)道了長波高溫帶間級聯(lián)探測器,工作溫度為78 K時90 %的截止波長為10.4 μm；300 K時90 %的截止波長為11.5 μm,探測率超過1×108cm·Hz1/2·W-1,與相同探測波長下的HgCdTe探測器相比較,提高了約兩倍。

2019年,周易等人進(jìn)一步報(bào)道了InAs/GaAsSb帶間級聯(lián)中波紅外焦平面探測器[28]。研究發(fā)現(xiàn),在80～120 K的工作溫度條件下量子效率可達(dá)30 %。如圖16所示,圖(a)、(b)、(c)分別為工作溫度在115 K、127 K、136 K時的帶間級聯(lián)紅外焦平面成像圖,可以發(fā)現(xiàn)在127 K下獲得了較為清晰的演示性室溫目標(biāo)圖像。

圖16 帶間級聯(lián)紅外焦平面成像圖

4 總結(jié)與展望

本文對高溫紅外探測器的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述。從InSb、InSb/InAlSb、Al摻雜InSb探測器、InAsSb 、InAs/GaSb、帶間級聯(lián)高溫紅外探測器的發(fā)展現(xiàn)狀來看,國內(nèi)外相關(guān)研究機(jī)構(gòu)已在銻化物高溫紅外探測器的材料生長和制備技術(shù)等方面取得了較大進(jìn)展,在器件性能良好的前提下工作溫度可維持在150 K左右。

其中,InSb高溫紅外探測器工作溫度在110K時,可保持較好的器件性能；基于nBn結(jié)構(gòu)的InSb/InAlSb/InSb高溫紅外探測器有望工作溫度可達(dá)到120K；InSb/InAlSb紅外焦平面探測器工作溫度在150K左右；光導(dǎo)型InAsSb 探測器初步實(shí)現(xiàn)了工作溫度293K,探測器性能優(yōu)良,應(yīng)用前景廣闊,尤其是在室溫狀態(tài)下軍事領(lǐng)域的紅外探測應(yīng)用有重大的意義。nBn結(jié)構(gòu)的InAsSb紅外探測器也可實(shí)現(xiàn)250K下的工作溫度；InAs/GaSb紅外探測器目前可在200K下工作；而對于帶間級聯(lián)紅外探測器,工作溫度可達(dá)到300K左右,室溫下有較好的信噪比。目前國際上最新發(fā)展的帶間級聯(lián)紅外探測器已顯示出極其優(yōu)越的高溫性能。

基于本文所提到的紅外探測器,工作溫度雖得到了大幅度的提高,但是也存在著材料生長不穩(wěn)定、量子效率低等問題。距離我們想要的體積小、重量輕、功耗低、性能高和成本低的目標(biāo)還有很長的路要走。對于銻化物新材料體系以及不同結(jié)構(gòu),未來需要從電子學(xué)和材料學(xué)等方面去進(jìn)行綜合考慮,對器件進(jìn)行更好地優(yōu)化,推動銻化物紅外探測器向更高工作溫度邁進(jìn)。有學(xué)者提出利用人工微結(jié)構(gòu)通實(shí)現(xiàn)光場調(diào)控,利用亞波長人工光學(xué)結(jié)構(gòu)增強(qiáng)光耦合以及降低暗電流的新思路,有利于提高探測器的工作溫度[29]。該方法與銻化物紅外探測器進(jìn)行結(jié)合,是實(shí)現(xiàn)SWaP目標(biāo)的技術(shù)路線之一。