InAs/GaSb二類超晶格共振隧穿紅外探測器：原理、性能與前沿探索一、引言1.1研究背景與意義紅外探測技術(shù)作為現(xiàn)代信息技術(shù)的重要組成部分，在軍事、民用等眾多領(lǐng)域都發(fā)揮著不可或缺的關(guān)鍵作用。在軍事領(lǐng)域，紅外探測技術(shù)是實現(xiàn)精確制導(dǎo)、目標偵察與監(jiān)視的核心技術(shù)之一。精確制導(dǎo)武器借助紅外探測器能夠準確識別目標的紅外特征，實現(xiàn)對目標的精確打擊，大大提高了武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能。在偵察與監(jiān)視任務(wù)中，紅外探測技術(shù)可以穿透惡劣的天氣條件和黑暗環(huán)境，獲取目標的位置、活動等關(guān)鍵信息，為軍事決策提供有力支持，顯著增強了軍隊在復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境下的作戰(zhàn)能力和態(tài)勢感知能力。在民用領(lǐng)域，紅外探測技術(shù)同樣有著廣泛的應(yīng)用。在安防監(jiān)控方面，紅外攝像機能夠?qū)崟r監(jiān)測監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的人員和物體的熱輻射變化，實現(xiàn)對異常情況的及時預(yù)警，有效保障了公共場所和居民生活的安全。在工業(yè)檢測領(lǐng)域，利用紅外熱像儀可以檢測工業(yè)設(shè)備的運行狀態(tài)，通過分析設(shè)備表面的溫度分布，及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備的故障隱患，提前采取維護措施，避免設(shè)備故障帶來的生產(chǎn)損失，提高了工業(yè)生產(chǎn)的安全性和穩(wěn)定性。在醫(yī)療診斷領(lǐng)域，紅外成像技術(shù)可以檢測人體表面的溫度分布，輔助醫(yī)生診斷疾病，例如通過檢測乳腺癌患者乳房表面的溫度異常來輔助早期診斷。此外，在環(huán)境監(jiān)測、資源勘探、交通等領(lǐng)域，紅外探測技術(shù)也都發(fā)揮著重要作用，為人們的生產(chǎn)生活提供了極大的便利。隨著科技的飛速發(fā)展，對紅外探測器的性能要求也日益提高。傳統(tǒng)的紅外探測器在探測靈敏度、響應(yīng)速度、工作溫度等方面逐漸難以滿足不斷增長的應(yīng)用需求。因此，研發(fā)高性能的紅外探測器成為了紅外探測技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點和發(fā)展趨勢。InAs/GaSb二類超晶格共振隧穿紅外探測器作為一種新型的紅外探測器，因其獨特的能帶結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的性能特點，近年來受到了廣泛的關(guān)注和深入的研究。InAs/GaSb二類超晶格具有獨特的“破帶隙”能帶結(jié)構(gòu)，其電子和空穴分別被限制在不同的材料層中，這種特殊的結(jié)構(gòu)使得該探測器具有諸多顯著的優(yōu)勢。在量子效率方面，由于電子和空穴的波函數(shù)在空間上有較大的重疊，增強了光吸收過程，從而使得探測器具有較高的量子效率，能夠更有效地將入射的紅外光子轉(zhuǎn)換為電信號，提高了探測器的探測靈敏度。在暗電流特性上，與其他傳統(tǒng)的紅外探測材料相比，InAs/GaSb二類超晶格的暗電流較小，這意味著探測器在工作時產(chǎn)生的噪聲較低，能夠提高探測器的信噪比，從而獲得更清晰、準確的探測信號，有利于提高探測器的探測精度和可靠性。此外，該探測器還具有響應(yīng)時間快的特點，能夠快速地對入射的紅外信號做出響應(yīng)，適用于對快速變化的目標進行探測和跟蹤。其帶隙可通過改變超晶格的周期厚度和材料組分進行調(diào)節(jié)，使得探測器的響應(yīng)波長范圍可以從3μm到30μm連續(xù)可調(diào)，能夠滿足不同應(yīng)用場景對不同波長紅外光探測的需求，具有廣泛的應(yīng)用前景。對InAs/GaSb二類超晶格共振隧穿紅外探測器的研究，不僅有助于深入理解二類超晶格材料的物理性質(zhì)和共振隧穿效應(yīng)的工作機制，還能夠為該探測器的性能優(yōu)化和實際應(yīng)用提供堅實的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。通過研究，可以進一步提高探測器的性能，如提高探測靈敏度、降低暗電流、拓寬響應(yīng)波長范圍等，使其能夠更好地滿足軍事、民用等領(lǐng)域?qū)Ω咝阅芗t外探測器的需求。在軍事領(lǐng)域，高性能的InAs/GaSb二類超晶格共振隧穿紅外探測器將有助于提升武器裝備的精確打擊能力和戰(zhàn)場偵察能力，增強國家的國防實力。在民用領(lǐng)域，該探測器的應(yīng)用將推動安防監(jiān)控、工業(yè)檢測、醫(yī)療診斷等行業(yè)的技術(shù)進步，提高人們的生活質(zhì)量和生產(chǎn)效率，促進社會的發(fā)展和進步。因此，開展InAs/GaSb二類超晶格共振隧穿紅外探測器的研究具有重要的理論意義和實際應(yīng)用價值，對推動紅外探測技術(shù)的發(fā)展具有重要的推動作用。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在理論研究方面，國外起步較早，對InAs/GaSb二類超晶格的能帶結(jié)構(gòu)理論進行了深入探究。通過先進的理論計算方法，如平面波贗勢方法（PWPM）和緊束縛近似方法（TBA），精確地計算出了InAs/GaSb超晶格的能帶結(jié)構(gòu)，明確了其電子和空穴的量子限制效應(yīng)以及能帶偏移情況，為探測器的設(shè)計和性能優(yōu)化提供了重要的理論基礎(chǔ)。在共振隧穿理論研究中，國外研究人員運用量子力學(xué)的傳輸矩陣方法（TMM）和Landauer-Buttiker形式理論，對共振隧穿過程中的電子輸運特性進行了詳細分析，深入理解了共振隧穿的物理機制，包括共振能級的形成、電子隧穿幾率與外加偏壓的關(guān)系等，為提高探測器的響應(yīng)速度和探測靈敏度提供了理論指導(dǎo)。國內(nèi)在InAs/GaSb二類超晶格的理論研究方面也取得了顯著進展。科研人員通過改進的理論模型，如考慮自旋軌道耦合效應(yīng)的k?p理論，對超晶格的能帶結(jié)構(gòu)進行了更精確的計算，揭示了自旋軌道耦合對能帶結(jié)構(gòu)和電子輸運的影響。在共振隧穿理論研究中，國內(nèi)學(xué)者提出了新的理論分析方法，如基于量子輸運的非平衡格林函數(shù)（NEGF）方法，結(jié)合自洽求解泊松方程，更加全面地考慮了電場分布和電子-電子相互作用對共振隧穿的影響，為探測器的性能優(yōu)化提供了更準確的理論依據(jù)。在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，國外研究人員提出了多種創(chuàng)新的探測器結(jié)構(gòu)。例如，美國宇航局噴氣推進實驗室（JPL）研發(fā)的互補勢壘紅外探測器（CBIRD）結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)采用p型超晶格吸收層被一對電子和空穴單極勢壘包圍的設(shè)計，有效地抑制了表面漏電流，顯著提高了器件的量子效率。在長波紅外探測領(lǐng)域，這種結(jié)構(gòu)的探測器表現(xiàn)出了優(yōu)異的性能，其量子效率在某些波長下可達到50%以上。還有nBn結(jié)構(gòu)，用勢壘層代替p-n結(jié)的空間電荷區(qū)，能有效地降低暗電流和噪聲，提升器件的工作溫度，在室溫附近具有更高的探測能力。國內(nèi)科研團隊在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面也進行了大量的研究工作，并取得了一系列成果。中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所提出了一種新型的雙勢壘結(jié)構(gòu)，通過在超晶格吸收層兩側(cè)引入不同高度的勢壘，優(yōu)化了載流子的輸運過程，進一步降低了暗電流，提高了探測器的探測率。在中波紅外探測應(yīng)用中，基于這種雙勢壘結(jié)構(gòu)的探測器在150K下的暗電流密度可低至1.0×10??A/cm2，探測率達到1.5×1011cm?Hz1/2/W，展現(xiàn)出了良好的應(yīng)用前景。在制備工藝方面，國外在分子束外延（MBE）技術(shù)上已經(jīng)非常成熟，能夠精確控制原子層的生長，制備出高質(zhì)量的InAs/GaSb二類超晶格材料。美國的Northwestern大學(xué)利用MBE技術(shù)，成功生長出了大面積、高質(zhì)量的InAs/GaSb超晶格薄膜，其晶體質(zhì)量高，缺陷密度低，為高性能探測器的制備提供了優(yōu)質(zhì)的材料基礎(chǔ)。在器件制備工藝上，國外已經(jīng)實現(xiàn)了規(guī)?；a(chǎn)，并且在工藝的穩(wěn)定性和重復(fù)性方面具有優(yōu)勢，能夠制備出高性能、高均勻性的探測器陣列。國內(nèi)在制備工藝方面也在不斷追趕，通過自主研發(fā)和技術(shù)引進，在MBE生長技術(shù)上取得了顯著進步。中國電子科技集團第十一研究所通過優(yōu)化MBE生長參數(shù)，如生長溫度、束流強度等，提高了InAs/GaSb超晶格材料的生長質(zhì)量，降低了材料的缺陷密度。在器件制備工藝上，國內(nèi)科研團隊也在不斷探索新的工藝方法，如采用新型的光刻技術(shù)和刻蝕工藝，提高了探測器的制備精度和成品率，為探測器的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。盡管國內(nèi)外在InAs/GaSb二類超晶格共振隧穿紅外探測器的研究方面取得了諸多成果，但仍存在一些不足之處。在理論研究方面，雖然目前的理論模型能夠?qū)ΤЦ竦哪軒ЫY(jié)構(gòu)和共振隧穿特性進行一定程度的分析，但對于一些復(fù)雜的物理現(xiàn)象，如多聲子散射、雜質(zhì)散射等對探測器性能的影響，還缺乏深入全面的理論描述，需要進一步完善理論模型，以更準確地預(yù)測探測器的性能。在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)在提高探測器性能的同時，也存在一些問題。例如，一些結(jié)構(gòu)的制備工藝復(fù)雜，成本較高，不利于大規(guī)模生產(chǎn)；部分結(jié)構(gòu)在提高量子效率的同時，可能會導(dǎo)致暗電流的增加，需要進一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，在提高探測器性能的同時，降低成本和復(fù)雜度。在制備工藝方面，雖然MBE技術(shù)能夠生長出高質(zhì)量的材料，但生長速度較慢，難以滿足大規(guī)模生產(chǎn)的需求；而且在制備過程中，材料的均勻性和一致性仍有待進一步提高，以保證探測器性能的穩(wěn)定性和可靠性。1.3研究目標與內(nèi)容本研究旨在深入探究InAs/GaSb二類超晶格共振隧穿紅外探測器，致力于解決當前該探測器在性能、結(jié)構(gòu)及制備工藝等方面存在的問題，從而提升其綜合性能，拓展其應(yīng)用領(lǐng)域。本研究的目標在于全面提高InAs/GaSb二類超晶格共振隧穿紅外探測器的性能，包括但不限于顯著提高探測靈敏度，使探測器能夠更敏銳地感知微弱的紅外信號，滿足對低強度紅外輻射探測的需求；大幅降低暗電流，減少噪聲干擾，提高探測器的信噪比，進而提升探測的準確性和可靠性；有效拓寬響應(yīng)波長范圍，實現(xiàn)對更廣泛波長紅外光的探測，以適應(yīng)不同應(yīng)用場景的多樣化需求。同時，通過優(yōu)化探測器結(jié)構(gòu)，降低制備工藝的復(fù)雜性和成本，提高探測器的制備效率和成品率，為其大規(guī)模生產(chǎn)和實際應(yīng)用奠定堅實基礎(chǔ)。為實現(xiàn)上述目標，本研究將開展以下幾個方面的工作：深入分析InAs/GaSb二類超晶格的能帶結(jié)構(gòu)和共振隧穿原理，運用先進的理論計算方法，如基于密度泛函理論（DFT）的第一性原理計算和考慮多體相互作用的緊束縛方法，精確計算超晶格的能帶結(jié)構(gòu)，深入研究共振隧穿過程中的電子輸運特性，揭示共振隧穿的微觀物理機制，明確影響探測器性能的關(guān)鍵因素。系統(tǒng)研究InAs/GaSb二類超晶格共振隧穿紅外探測器的性能，通過實驗測量和理論模擬相結(jié)合的方式，深入研究探測器的量子效率、暗電流、響應(yīng)時間等性能參數(shù)與超晶格結(jié)構(gòu)參數(shù)（如周期厚度、材料組分等）以及工作條件（如溫度、偏壓等）之間的關(guān)系。運用先進的實驗技術(shù)，如光致發(fā)光光譜（PL）、光電流譜（PC）和時間分辨光電流譜（TRPC）等，精確測量探測器的性能參數(shù)；利用數(shù)值模擬軟件，如有限元法（FEM）和蒙特卡羅方法（MC），對探測器的性能進行模擬分析，為探測器的性能優(yōu)化提供理論依據(jù)?；趯υ砗托阅艿纳钊胙芯?，進行探測器結(jié)構(gòu)的設(shè)計與優(yōu)化。提出新型的探測器結(jié)構(gòu)，如基于量子點耦合的超晶格結(jié)構(gòu)和具有多勢壘共振隧穿的結(jié)構(gòu)，通過理論計算和模擬分析，對新結(jié)構(gòu)的性能進行預(yù)測和評估，優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)，提高探測器的性能。同時，研究不同結(jié)構(gòu)的制備工藝可行性，確保新結(jié)構(gòu)能夠在實際生產(chǎn)中得以實現(xiàn)。探索適合InAs/GaSb二類超晶格共振隧穿紅外探測器的制備工藝，研究分子束外延（MBE）生長過程中的關(guān)鍵工藝參數(shù)，如生長溫度、束流強度、襯底材料等對超晶格材料質(zhì)量的影響，通過優(yōu)化工藝參數(shù)，提高材料的生長質(zhì)量，降低缺陷密度。研究器件制備過程中的光刻、刻蝕、歐姆接觸等工藝對探測器性能的影響，探索新的工藝方法和技術(shù)，提高探測器的制備精度和成品率，降低制備成本。1.4研究方法與技術(shù)路線本研究將綜合運用理論分析、實驗研究和數(shù)值模擬等多種研究方法，從不同角度深入探究InAs/GaSb二類超晶格共振隧穿紅外探測器，確保研究的全面性和深入性。在理論分析方面，基于量子力學(xué)和固體物理的基本原理，運用先進的理論計算方法，如基于密度泛函理論（DFT）的第一性原理計算和考慮多體相互作用的緊束縛方法，對InAs/GaSb二類超晶格的能帶結(jié)構(gòu)進行精確計算。通過分析能帶結(jié)構(gòu)，深入研究電子和空穴的量子限制效應(yīng)、能帶偏移以及雜質(zhì)和缺陷對能帶的影響，為理解探測器的工作原理提供堅實的理論基礎(chǔ)。運用量子輸運理論，如非平衡格林函數(shù)（NEGF）方法，結(jié)合自洽求解泊松方程，深入研究共振隧穿過程中的電子輸運特性，分析共振能級的形成、電子隧穿幾率與外加偏壓的關(guān)系，以及多聲子散射、雜質(zhì)散射等因素對電子輸運的影響，揭示共振隧穿的微觀物理機制。實驗研究方面，采用分子束外延（MBE）技術(shù)生長InAs/GaSb二類超晶格材料。在生長過程中，精確控制生長溫度、束流強度、襯底材料等關(guān)鍵工藝參數(shù)，通過反射高能電子衍射（RHEED）實時監(jiān)測生長過程，確保生長出高質(zhì)量、低缺陷密度的超晶格材料。利用X射線衍射（XRD）、高分辨率透射電子顯微鏡（HRTEM）等表征手段，對生長的超晶格材料的晶體結(jié)構(gòu)、晶格常數(shù)、層厚等進行精確測量和分析，評估材料的質(zhì)量和結(jié)構(gòu)參數(shù)。在器件制備過程中，研究光刻、刻蝕、歐姆接觸等工藝對探測器性能的影響。采用先進的光刻技術(shù)，如電子束光刻（EBL），實現(xiàn)高精度的圖形化；優(yōu)化刻蝕工藝，減少刻蝕損傷；研究歐姆接觸的形成機制，通過選擇合適的金屬電極和退火工藝，降低接觸電阻，提高器件的性能。利用光致發(fā)光光譜（PL）、光電流譜（PC）和時間分辨光電流譜（TRPC）等實驗技術(shù)，精確測量探測器的量子效率、暗電流、響應(yīng)時間等性能參數(shù)。通過改變超晶格結(jié)構(gòu)參數(shù)（如周期厚度、材料組分等）和工作條件（如溫度、偏壓等），系統(tǒng)研究探測器性能的變化規(guī)律，為探測器的性能優(yōu)化提供實驗依據(jù)。數(shù)值模擬方面，運用有限元法（FEM）對探測器的電場分布、載流子濃度分布等進行模擬分析。通過建立探測器的物理模型，考慮材料的電學(xué)、光學(xué)性質(zhì)以及邊界條件，求解泊松方程和連續(xù)性方程，得到探測器內(nèi)部的電場和載流子分布情況，為分析探測器的性能提供直觀的物理圖像。采用蒙特卡羅方法（MC）模擬載流子在探測器中的輸運過程?？紤]載流子與聲子、雜質(zhì)的散射作用，以及共振隧穿效應(yīng)，模擬載流子的運動軌跡和輸運時間，分析載流子的輸運特性對探測器性能的影響，如暗電流、響應(yīng)時間等。利用模擬結(jié)果，優(yōu)化探測器的結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作條件，提高探測器的性能。本研究的技術(shù)路線如圖1所示：[此處插入技術(shù)路線圖，展示從材料生長、器件制備到性能測試與分析的流程，包括各階段的關(guān)鍵技術(shù)和研究方法]首先進行InAs/GaSb二類超晶格材料的生長，采用分子束外延技術(shù)，精確控制生長參數(shù)，生長出高質(zhì)量的超晶格材料，并對材料進行結(jié)構(gòu)表征。然后進行器件制備，經(jīng)過光刻、刻蝕、歐姆接觸等工藝，制備出InAs/GaSb二類超晶格共振隧穿紅外探測器。最后對制備的探測器進行性能測試與分析，通過實驗測量和數(shù)值模擬相結(jié)合的方式，研究探測器的性能參數(shù)與結(jié)構(gòu)參數(shù)、工作條件之間的關(guān)系，根據(jù)研究結(jié)果對探測器進行性能優(yōu)化，形成一個完整的研究閉環(huán)。二、InAs/GaSb二類超晶格共振隧穿紅外探測器的基本原理2.1二類超晶格的概念與結(jié)構(gòu)特點超晶格的概念最早于1977年由EsakiL和TsuR提出，其是由兩種或兩種以上的半導(dǎo)體材料按照周期性結(jié)構(gòu)組成的。這種結(jié)構(gòu)與量子阱結(jié)構(gòu)有相似之處，但超晶格的勢阱和勢壘層更為輕薄，對于中波探測材料而言，其厚度大約僅為2-3nm，約幾個單分子層厚度。根據(jù)構(gòu)成超晶格的兩種材料能帶配制情況的不同，超晶格主要可分為三類：以GaAs/GaxAl1-xAs為代表的第一類超晶格，此類超晶格中，GaAs的禁帶完全落入AlGaAs的內(nèi)部，電子和空穴均被限制在GaAs材料中；以InAs/GaSb為代表的第二類超晶格，其具有獨特的能帶結(jié)構(gòu)；以HgTe/CdTe為代表的第三類超晶格，該類超晶格其中一種組成材料為半金屬，半金屬的厚度對超晶格的能帶結(jié)構(gòu)起到了決定性的作用。InAs/GaSb二類超晶格由超薄的InAs層與GaSb層周期性地交替生長構(gòu)成。InAs的晶格常數(shù)為6.0583?，GaSb的晶格常數(shù)為6.09593?，二者晶格常數(shù)相互接近，晶格失配小，這使得它們能夠生長復(fù)雜的二元或三元化合物，為制備高質(zhì)量的超晶格材料提供了有利條件。在這種超晶格結(jié)構(gòu)中，超晶格超薄層結(jié)構(gòu)使得材料中的電子和空穴不能被限制在其中某一個量子阱中，電子和空穴通過勢壘隧穿形成微帶。這種特殊的結(jié)構(gòu)使得InAs/GaSb二類超晶格形成了獨特的“破帶隙”能帶結(jié)構(gòu)，其空穴勢阱位置高于電子勢阱，電子和空穴分別被限制在不同的材料層，電子被限制在InAs層中，而空穴被限制在GaSb層中。這種電子和空穴在空間上的分離分布，對探測器的性能產(chǎn)生了重要影響，是InAs/GaSb二類超晶格具備優(yōu)異性能的關(guān)鍵因素之一。InAs/GaSb二類超晶格的這種獨特能帶結(jié)構(gòu)使其展現(xiàn)出許多顯著的優(yōu)勢。例如，其有效帶隙可以通過周期厚度靈活調(diào)節(jié)。理論計算結(jié)果顯示，二類超晶格有效帶隙能夠從0連續(xù)調(diào)節(jié)到400meV，具備覆蓋3.1-30μm波段紅外探測的能力，并且在一定范圍內(nèi)可連續(xù)調(diào)節(jié)。通過精準調(diào)節(jié)構(gòu)成周期中各阱層厚度，便可以獨立調(diào)節(jié)導(dǎo)帶和價帶，進而實現(xiàn)對帶隙Eg的靈活調(diào)控。這種帶隙的可調(diào)節(jié)性，使得InAs/GaSb二類超晶格能夠滿足不同應(yīng)用場景對不同波長紅外光探測的需求，極大地拓寬了其應(yīng)用范圍。在長波紅外探測領(lǐng)域，通過調(diào)整超晶格周期厚度，可使探測器對8-14μm波長的紅外光具有高靈敏度探測能力，滿足夜視、安防監(jiān)控等應(yīng)用需求；在中波紅外探測應(yīng)用中，又能通過改變帶隙，實現(xiàn)對3-5μm波長紅外光的有效探測，用于工業(yè)檢測、軍事偵察等領(lǐng)域。2.2共振隧穿效應(yīng)的原理與機制共振隧穿效應(yīng)是一種量子力學(xué)現(xiàn)象，指的是電子在特定條件下能夠以較高概率穿過原本難以逾越的勢壘。在經(jīng)典力學(xué)中，當粒子的能量低于勢壘高度時，粒子無法越過勢壘，只能被反射回來。然而，根據(jù)量子力學(xué)的觀點，微觀粒子具有波粒二象性，其行為不能完全用經(jīng)典力學(xué)來解釋。電子等微觀粒子的波函數(shù)具有一定的穿透性，即使其能量低于勢壘高度，也存在一定的概率穿透勢壘，這種現(xiàn)象被稱為量子隧穿效應(yīng)。在InAs/GaSb二類超晶格共振隧穿紅外探測器中，共振隧穿效應(yīng)起著關(guān)鍵作用。該探測器通常具有雙勢壘或多勢壘結(jié)構(gòu)，其中超晶格層形成量子阱，兩側(cè)的勢壘層限制了電子的運動。當電子從一側(cè)的電極注入到超晶格結(jié)構(gòu)中時，在沒有外加偏壓或偏壓較小時，由于勢壘的阻擋，電子隧穿通過勢壘的概率較低。隨著外加偏壓的逐漸增大，量子阱中的能級會發(fā)生變化。當電子的能量與量子阱中的某一能級相匹配時，就會發(fā)生共振隧穿現(xiàn)象。此時，電子隧穿通過勢壘的概率會顯著增加，形成共振峰。這是因為當電子能量與量子阱中的能級共振時，電子與量子阱中的束縛態(tài)發(fā)生耦合，電子的波函數(shù)在量子阱內(nèi)形成駐波，增強了電子與勢壘的相互作用，使得電子更容易穿過勢壘。共振隧穿過程中，電子隧穿概率與電子能量和外加偏壓密切相關(guān)。當電子能量遠離共振能級時，隧穿概率較低；而當電子能量接近共振能級時，隧穿概率急劇增大。以一個典型的雙勢壘共振隧穿結(jié)構(gòu)為例，其隧穿概率隨電子能量的變化曲線呈現(xiàn)出尖銳的峰值，峰值位置對應(yīng)著共振能級。在共振能級處，電子的隧穿概率可以接近1，而在非共振能級處，隧穿概率則遠小于1。這種共振隧穿特性使得探測器對特定能量的電子具有選擇性，只有能量滿足共振條件的電子才能有效地隧穿通過勢壘，從而在探測器中形成電流信號。共振隧穿效應(yīng)對于InAs/GaSb二類超晶格紅外探測器的性能具有重要影響。一方面，共振隧穿能夠顯著提高探測器的響應(yīng)速度。由于共振隧穿過程中電子的輸運是通過量子隧穿實現(xiàn)的，相比于傳統(tǒng)的熱電子發(fā)射過程，量子隧穿的時間尺度極短，通常在皮秒甚至飛秒量級。這使得探測器能夠快速地對入射的紅外光子做出響應(yīng)，從而提高了探測器的時間分辨率，使其能夠適用于對快速變化的目標進行探測和跟蹤。另一方面，共振隧穿效應(yīng)可以提高探測器的探測靈敏度。當探測器受到紅外光照射時，光子被吸收產(chǎn)生電子-空穴對。其中，電子通過共振隧穿穿過勢壘，形成光電流。由于共振隧穿概率在共振能級處很高，使得更多的電子能夠參與光電流的形成，從而提高了探測器的光電流響應(yīng)，進而提高了探測器的探測靈敏度。然而，共振隧穿效應(yīng)也可能會引入一些噪聲，如隧穿噪聲等。這些噪聲會對探測器的性能產(chǎn)生一定的負面影響，因此在探測器的設(shè)計和優(yōu)化過程中，需要綜合考慮共振隧穿效應(yīng)帶來的利弊，通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計和參數(shù)優(yōu)化，在提高探測器性能的同時，降低噪聲的影響。2.3紅外探測的基本原理紅外探測的基礎(chǔ)是紅外輻射與物質(zhì)的相互作用，這種相互作用會引發(fā)光電效應(yīng)，使得探測器能夠?qū)⒓t外輻射轉(zhuǎn)換為可檢測的電信號。紅外輻射本質(zhì)上是一種電磁波，其波長范圍在0.76μm至1000μm之間。當紅外輻射照射到物質(zhì)表面時，光子與物質(zhì)中的電子相互作用，光子的能量被電子吸收，電子獲得足夠的能量后會從低能級躍遷到高能級，從而產(chǎn)生光生載流子（電子-空穴對），這就是光電效應(yīng)的基本過程。在InAs/GaSb二類超晶格共振隧穿紅外探測器中，紅外輻射首先被超晶格吸收層吸收。由于InAs/GaSb二類超晶格的獨特能帶結(jié)構(gòu)，電子和空穴分別被限制在不同的材料層中，當紅外光子的能量滿足超晶格的帶隙條件時，光子被吸收，產(chǎn)生電子-空穴對。其中，電子被激發(fā)到導(dǎo)帶，空穴留在價帶。在共振隧穿結(jié)構(gòu)中，這些光生載流子在電場的作用下，通過共振隧穿穿過勢壘層，形成光電流。通過檢測光電流的大小，就可以實現(xiàn)對紅外輻射的探測。為了衡量紅外探測器的性能，引入了一些重要的物理量。響應(yīng)率（Responsivity）是其中之一，它定義為探測器輸出的電信號（電壓或電流）與入射的紅外輻射功率之比，單位為V/W或A/W。響應(yīng)率反映了探測器對紅外輻射的敏感程度，響應(yīng)率越高，說明探測器在相同的紅外輻射功率下能夠產(chǎn)生更強的電信號輸出。例如，對于一個響應(yīng)率為100V/W的探測器，當入射的紅外輻射功率為1μW時，探測器輸出的電壓信號為100μV。量子效率（QuantumEfficiency）也是一個關(guān)鍵的性能指標，它表示探測器吸收的光子數(shù)與入射的光子數(shù)之比，通常用百分比表示。量子效率反映了探測器將入射光子轉(zhuǎn)換為光生載流子的能力，量子效率越高，說明探測器能夠更有效地利用入射的紅外光子，產(chǎn)生更多的光生載流子，從而提高探測器的探測靈敏度。假設(shè)一個探測器的量子效率為50%，這意味著每入射100個紅外光子，探測器能夠吸收并產(chǎn)生50個光生載流子。暗電流（DarkCurrent）也是影響探測器性能的重要因素。暗電流是指在沒有紅外輻射照射時，探測器內(nèi)部由于熱激發(fā)、雜質(zhì)電離等原因產(chǎn)生的電流。暗電流會產(chǎn)生噪聲，降低探測器的信噪比，從而影響探測器的探測精度和可靠性。因此，在探測器的設(shè)計和制備過程中，需要采取各種措施來降低暗電流，如優(yōu)化探測器結(jié)構(gòu)、提高材料質(zhì)量、降低工作溫度等。響應(yīng)時間（ResponseTime）是指探測器對入射的紅外輻射做出響應(yīng)所需的時間。響應(yīng)時間越短，探測器能夠更快地檢測到紅外信號的變化，適用于對快速變化的目標進行探測和跟蹤。在一些高速運動目標的探測場景中，如導(dǎo)彈的跟蹤、快速移動的物體檢測等，就需要探測器具有較短的響應(yīng)時間，以確保能夠準確地捕捉到目標的動態(tài)信息。2.4InAs/GaSb二類超晶格共振隧穿紅外探測器的工作原理InAs/GaSb二類超晶格共振隧穿紅外探測器的工作過程基于前面所述的二類超晶格結(jié)構(gòu)特點、共振隧穿效應(yīng)原理以及紅外探測基本原理，是一個涉及多個物理過程的復(fù)雜過程。當紅外光入射到InAs/GaSb二類超晶格共振隧穿紅外探測器時，首先發(fā)生紅外光吸收過程。由于InAs/GaSb二類超晶格具有獨特的“破帶隙”能帶結(jié)構(gòu)，電子和空穴分別被限制在不同的材料層中。當紅外光子的能量滿足超晶格的帶隙條件時，即光子能量大于超晶格的有效帶隙，光子能夠被超晶格吸收層吸收。例如，對于一個特定的InAs/GaSb二類超晶格結(jié)構(gòu)，其有效帶隙為0.1eV，當入射紅外光子的能量大于0.1eV時，光子就可以被吸收。在紅外光被吸收后，會產(chǎn)生電子-空穴對。根據(jù)光電效應(yīng)原理，光子的能量被超晶格中的電子吸收，電子獲得足夠的能量后從價帶躍遷到導(dǎo)帶，從而產(chǎn)生電子-空穴對。在InAs/GaSb二類超晶格中，電子被激發(fā)到InAs層的導(dǎo)帶，空穴則留在GaSb層的價帶。這些光生載流子在超晶格內(nèi)部的分布受到能帶結(jié)構(gòu)和電場的影響。隨后，產(chǎn)生的電子和空穴會參與共振隧穿傳輸過程。在共振隧穿結(jié)構(gòu)中，超晶格層形成量子阱，兩側(cè)的勢壘層限制了電子和空穴的運動。對于電子而言，當它從InAs層的導(dǎo)帶向一側(cè)電極傳輸時，在沒有外加偏壓或偏壓較小時，由于勢壘的阻擋，電子隧穿通過勢壘的概率較低。隨著外加偏壓的逐漸增大，量子阱中的能級會發(fā)生變化。當電子的能量與量子阱中的某一能級相匹配時，就會發(fā)生共振隧穿現(xiàn)象。此時，電子隧穿通過勢壘的概率會顯著增加，形成共振峰。例如，當外加偏壓調(diào)整到某一特定值時，電子的能量與量子阱中的共振能級一致，電子隧穿概率從原來的極低值迅速提升到接近1，大量電子能夠通過共振隧穿穿過勢壘，向電極方向傳輸?？昭ㄔ趦r帶中的傳輸過程與電子類似，當空穴的能量與價帶量子阱中的共振能級匹配時，也會發(fā)生共振隧穿，穿過相應(yīng)的勢壘。在電子和空穴通過共振隧穿傳輸?shù)倪^程中，會形成光電流。這些光電流通過外部電路進行收集和檢測，從而實現(xiàn)對紅外輻射的探測。光電流的大小與入射的紅外光強度、探測器的量子效率等因素密切相關(guān)。當入射的紅外光強度增加時，產(chǎn)生的電子-空穴對數(shù)量增多，通過共振隧穿形成的光電流也會相應(yīng)增大。探測器的量子效率越高，意味著更多的入射光子能夠被轉(zhuǎn)換為光生載流子，進而提高光電流的強度。例如，一個量子效率為70%的探測器，相比于量子效率為50%的探測器，在相同的紅外光入射條件下，能夠產(chǎn)生更強的光電流。通過檢測光電流的大小，就可以獲得關(guān)于入射紅外光的信息，如光的強度、波長等，從而實現(xiàn)對紅外輻射的探測和分析。三、InAs/GaSb二類超晶格共振隧穿紅外探測器的性能研究3.1響應(yīng)特性3.1.1響應(yīng)波長范圍InAs/GaSb二類超晶格共振隧穿紅外探測器的響應(yīng)波長范圍與超晶格結(jié)構(gòu)參數(shù)密切相關(guān)，尤其是InAs和GaSb層的厚度，對響應(yīng)波長起著關(guān)鍵的調(diào)節(jié)作用。InAs/GaSb二類超晶格獨特的“破帶隙”能帶結(jié)構(gòu)，使得其有效帶隙可以通過改變超晶格的周期厚度和材料組分進行靈活調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)對不同波長紅外光的響應(yīng)。從理論層面分析，根據(jù)量子力學(xué)原理，超晶格中的電子和空穴被限制在量子阱中，形成離散的能級。這些能級的能量差決定了探測器能夠吸收的光子能量，進而決定了響應(yīng)波長。當超晶格的周期厚度發(fā)生變化時，量子阱的寬度和深度也會相應(yīng)改變，導(dǎo)致能級結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而影響探測器的響應(yīng)波長。例如，當InAs層厚度增加時，量子阱的寬度增大，電子和空穴的能級間距減小，探測器能夠吸收更低能量的光子，響應(yīng)波長向長波方向移動；反之，當InAs層厚度減小時，能級間距增大，探測器能夠吸收更高能量的光子，響應(yīng)波長向短波方向移動。在實際研究中，眾多實驗結(jié)果也充分驗證了這一關(guān)系。通過分子束外延（MBE）技術(shù)精確控制InAs和GaSb層的生長厚度，可以制備出具有不同響應(yīng)波長范圍的探測器。有研究表明，當InAs層厚度為5nm，GaSb層厚度為3nm時，探測器的響應(yīng)波長范圍主要集中在3-5μm，適用于中波紅外探測；而當InAs層厚度增加到8nm，GaSb層厚度保持不變時，探測器的響應(yīng)波長范圍則擴展到5-8μm，更適合長波紅外探測。此外，通過改變超晶格的周期數(shù)，也可以對響應(yīng)波長范圍產(chǎn)生一定的影響。增加周期數(shù)可以增強超晶格對紅外光的吸收能力，使得探測器在某些波長處的響應(yīng)更加靈敏，但同時也可能導(dǎo)致響應(yīng)帶寬變窄。為了進一步調(diào)節(jié)響應(yīng)波長范圍，還可以采用材料組分調(diào)控的方法。在InAs和GaSb材料中引入其他元素，如Al、In等，形成InAsxSb1-x、GaInAs等三元或四元化合物，通過改變元素的組分比例，可以調(diào)整材料的能帶結(jié)構(gòu)，從而實現(xiàn)對響應(yīng)波長的精細調(diào)節(jié)。這種方法在拓展探測器的響應(yīng)波長范圍方面具有很大的潛力，能夠滿足不同應(yīng)用場景對特定波長紅外光探測的需求。3.1.2響應(yīng)率響應(yīng)率作為衡量InAs/GaSb二類超晶格共振隧穿紅外探測器性能的重要指標，其定義為探測器輸出的電信號（電壓或電流）與入射的紅外輻射功率之比，單位為V/W或A/W。響應(yīng)率的計算公式為：R=\frac{I_{ph}}{P_{in}}其中，R為響應(yīng)率，I_{ph}為光電流，P_{in}為入射的紅外輻射功率。從這個公式可以看出，響應(yīng)率反映了探測器將入射的紅外輻射轉(zhuǎn)換為電信號的能力，響應(yīng)率越高，說明探測器在相同的紅外輻射功率下能夠產(chǎn)生更強的電信號輸出，對紅外輻射的敏感程度也就越高。影響InAs/GaSb二類超晶格共振隧穿紅外探測器響應(yīng)率的因素是多方面的，其中材料吸收系數(shù)起著關(guān)鍵作用。材料吸收系數(shù)決定了超晶格對紅外光子的吸收能力，吸收系數(shù)越大，意味著更多的紅外光子能夠被吸收并產(chǎn)生光生載流子，從而增加光電流，提高響應(yīng)率。InAs/GaSb二類超晶格的吸收系數(shù)與超晶格的結(jié)構(gòu)、材料的能帶結(jié)構(gòu)以及入射光的波長等因素密切相關(guān)。通過優(yōu)化超晶格的結(jié)構(gòu)參數(shù)，如調(diào)整InAs和GaSb層的厚度和周期數(shù)，可以增強超晶格對特定波長紅外光的吸收能力，提高材料的吸收系數(shù)。此外，選擇合適的材料體系，如采用具有高吸收系數(shù)的InAsxSb1-x等材料，也可以有效提高探測器的響應(yīng)率。載流子遷移率也是影響響應(yīng)率的重要因素之一。載流子遷移率反映了載流子在材料中運動的難易程度，遷移率越高，載流子在材料中傳輸?shù)乃俣仍娇?，能夠更迅速地到達電極，形成光電流。在InAs/GaSb二類超晶格中，載流子遷移率受到材料的晶體質(zhì)量、雜質(zhì)濃度、缺陷密度以及外加電場等因素的影響。提高材料的晶體質(zhì)量，降低雜質(zhì)濃度和缺陷密度，可以減少載流子與雜質(zhì)、缺陷的散射，從而提高載流子遷移率。此外，通過優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)，合理設(shè)計電場分布，也可以增強載流子的遷移能力，提高響應(yīng)率。器件結(jié)構(gòu)對響應(yīng)率同樣有著顯著的影響。不同的器件結(jié)構(gòu)會影響光生載流子的產(chǎn)生、傳輸和收集過程，進而影響響應(yīng)率。例如，在共振隧穿結(jié)構(gòu)中，勢壘的高度和寬度會影響電子隧穿的概率，合適的勢壘設(shè)計可以提高電子隧穿的效率，增加光電流，從而提高響應(yīng)率。此外，探測器的電極結(jié)構(gòu)、接觸電阻等因素也會對響應(yīng)率產(chǎn)生影響。優(yōu)化電極結(jié)構(gòu)，降低接觸電阻，可以減少電信號傳輸過程中的損耗，提高探測器的響應(yīng)率。3.2量子效率3.2.1量子效率的定義與計算量子效率作為衡量InAs/GaSb二類超晶格共振隧穿紅外探測器性能的關(guān)鍵指標，在評估探測器將入射光子轉(zhuǎn)化為光生載流子的能力方面具有至關(guān)重要的意義。其定義為探測器吸收的光子數(shù)與入射的光子數(shù)之比，通常以百分比的形式呈現(xiàn)。量子效率的高低直接反映了探測器對入射紅外光的利用效率，量子效率越高，意味著探測器能夠更有效地將入射光子轉(zhuǎn)化為光生載流子，進而產(chǎn)生更強的光電流信號，從而提高探測器的探測靈敏度。量子效率的計算公式為：\eta=\frac{N_{e-h}}{N_{ph}}其中，\eta為量子效率，N_{e-h}為產(chǎn)生的電子-空穴對數(shù)量，也就是被探測器吸收并轉(zhuǎn)化為光生載流子的光子數(shù)；N_{ph}為入射的光子數(shù)。在實際計算中，由于難以直接測量N_{e-h}和N_{ph}，通常會通過測量探測器的光電流和入射光功率來間接計算量子效率。根據(jù)光電效應(yīng)原理，光電流I_{ph}與產(chǎn)生的電子-空穴對數(shù)量N_{e-h}之間存在如下關(guān)系：I_{ph}=q\frac{N_{e-h}}{\Deltat}其中，q為電子電荷量，\Deltat為時間。入射光功率P_{in}與入射光子數(shù)N_{ph}的關(guān)系為：P_{in}=h\nu\frac{N_{ph}}{\Deltat}其中，h為普朗克常量，\nu為入射光的頻率。將上述兩個式子代入量子效率計算公式中，經(jīng)過整理可以得到：\eta=\frac{I_{ph}hc}{qP_{in}\lambda}其中，c為光速，\lambda為入射光的波長。通過這個公式，我們可以根據(jù)實驗測量得到的光電流I_{ph}和入射光功率P_{in}，以及已知的光速c、電子電荷量q、普朗克常量h和入射光波長\lambda，計算出探測器的量子效率。例如，當測量得到某探測器在波長為5μm的紅外光照射下，光電流為10μA，入射光功率為1μW時，根據(jù)上述公式可計算出該探測器的量子效率為：\eta=\frac{10\times10^{-6}\times6.63\times10^{-34}\times3\times10^{8}}{1.6\times10^{-19}\times1\times10^{-6}\times5\times10^{-6}}\approx24.86\%3.2.2影響量子效率的因素材料質(zhì)量是影響InAs/GaSb二類超晶格共振隧穿紅外探測器量子效率的關(guān)鍵因素之一。高質(zhì)量的材料具有較低的缺陷密度和雜質(zhì)濃度，這對于提高量子效率至關(guān)重要。材料中的缺陷，如位錯、層錯等，會成為載流子的復(fù)合中心，導(dǎo)致光生載流子在產(chǎn)生后迅速復(fù)合，減少了能夠參與光電流形成的載流子數(shù)量，從而降低量子效率。雜質(zhì)的存在也會影響材料的電學(xué)性質(zhì)，改變載流子的濃度和遷移率，進而對量子效率產(chǎn)生負面影響。例如，當材料中存在大量的位錯時，光生載流子在運動過程中容易與位錯發(fā)生相互作用，被位錯捕獲而復(fù)合，使得量子效率顯著降低。通過優(yōu)化分子束外延（MBE）生長工藝，精確控制生長溫度、束流強度等參數(shù)，可以有效減少材料中的缺陷和雜質(zhì)，提高材料質(zhì)量，從而提高量子效率。界面特性對量子效率也有著重要影響。InAs/GaSb二類超晶格是由InAs層和GaSb層交替生長構(gòu)成，層間界面的質(zhì)量直接影響載流子的輸運和復(fù)合過程。界面處的晶格失配會導(dǎo)致應(yīng)力的產(chǎn)生，進而影響能帶結(jié)構(gòu)，增加載流子的散射概率，降低載流子的遷移率，使得光生載流子在輸運過程中損失增加，量子效率降低。此外，界面處的雜質(zhì)和缺陷也會形成復(fù)合中心，促進載流子的復(fù)合。通過采用合適的緩沖層和界面過渡層，如在InAs和GaSb之間引入InGaSb緩沖層，可以有效緩解界面應(yīng)力，改善界面質(zhì)量，減少載流子的散射和復(fù)合，提高量子效率。光吸收過程是決定量子效率的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。InAs/GaSb二類超晶格對紅外光的吸收能力與超晶格的結(jié)構(gòu)、材料的能帶結(jié)構(gòu)以及入射光的波長等因素密切相關(guān)。超晶格的周期厚度和材料組分會影響其能帶結(jié)構(gòu)，進而影響光吸收系數(shù)。當入射光的波長與超晶格的吸收峰匹配時，光吸收系數(shù)較大，能夠吸收更多的光子，產(chǎn)生更多的光生載流子，提高量子效率。通過優(yōu)化超晶格的結(jié)構(gòu)參數(shù)，調(diào)整InAs和GaSb層的厚度和周期數(shù)，使超晶格的吸收峰與入射光波長更好地匹配，可以增強光吸收能力，提高量子效率。此外，采用表面紋理化、引入光耦合結(jié)構(gòu)等方法，也可以增加光在超晶格中的傳播路徑，提高光吸收效率，從而提高量子效率。載流子復(fù)合是降低量子效率的重要因素之一。在探測器中，光生載流子會發(fā)生多種復(fù)合過程，如輻射復(fù)合、俄歇復(fù)合和肖克萊-里德-霍爾（SRH）復(fù)合等。輻射復(fù)合是光生載流子通過發(fā)射光子的方式復(fù)合，這種復(fù)合過程會導(dǎo)致光生載流子的損失，降低量子效率。俄歇復(fù)合是載流子之間的能量轉(zhuǎn)移過程，一個載流子將能量傳遞給另一個載流子，使其躍遷到更高的能級，而自身則與相反電荷的載流子復(fù)合，這種復(fù)合過程也會減少參與光電流形成的載流子數(shù)量。SRH復(fù)合是通過材料中的缺陷和雜質(zhì)形成的復(fù)合中心進行的復(fù)合過程，復(fù)合中心可以捕獲光生載流子，促進它們的復(fù)合。為了抑制載流子復(fù)合，提高量子效率，可以通過優(yōu)化材料結(jié)構(gòu)，減少缺陷和雜質(zhì)，降低復(fù)合中心的濃度；采用合適的摻雜方式，調(diào)節(jié)載流子濃度，抑制俄歇復(fù)合等措施來實現(xiàn)。3.3暗電流特性3.3.1暗電流的產(chǎn)生機制InAs/GaSb二類超晶格共振隧穿紅外探測器中的暗電流是影響探測器性能的重要因素之一，其產(chǎn)生機制較為復(fù)雜，主要包括熱激發(fā)產(chǎn)生復(fù)合電流、隧穿電流和表面泄漏電流等。熱激發(fā)產(chǎn)生復(fù)合電流是暗電流的重要組成部分。在探測器中，由于熱運動的存在，即使沒有紅外光照射，超晶格材料中的電子也會獲得足夠的能量，從價帶激發(fā)到導(dǎo)帶，形成電子-空穴對，這一過程稱為熱激發(fā)。這些熱激發(fā)產(chǎn)生的電子-空穴對會在電場的作用下形成電流，即產(chǎn)生電流。同時，導(dǎo)帶中的電子和價帶中的空穴也會發(fā)生復(fù)合，復(fù)合過程中釋放出能量，這一過程稱為復(fù)合電流。產(chǎn)生復(fù)合電流的大小與材料的禁帶寬度、溫度以及缺陷濃度等因素密切相關(guān)。材料的禁帶寬度越小，熱激發(fā)產(chǎn)生電子-空穴對就越容易，產(chǎn)生復(fù)合電流也就越大。溫度升高會增加電子的熱運動能量，使得熱激發(fā)過程更加頻繁，從而導(dǎo)致產(chǎn)生復(fù)合電流增大。材料中的缺陷會成為電子-空穴對的復(fù)合中心，增加復(fù)合概率，進而增大產(chǎn)生復(fù)合電流。例如，當探測器的工作溫度從77K升高到150K時，熱激發(fā)產(chǎn)生復(fù)合電流可能會增大一個數(shù)量級以上。隧穿電流也是暗電流的重要來源之一。在InAs/GaSb二類超晶格共振隧穿紅外探測器中，由于超晶格結(jié)構(gòu)中存在量子阱和勢壘，電子具有一定的概率隧穿通過勢壘。當電子的能量低于勢壘高度時，根據(jù)量子力學(xué)的隧道效應(yīng)，電子仍有一定的概率穿過勢壘，形成隧穿電流。隧穿電流的大小與勢壘的高度、寬度以及電子的能量等因素有關(guān)。勢壘高度越低、寬度越窄，電子隧穿的概率就越大，隧穿電流也就越大。此外，材料中的雜質(zhì)和缺陷也會影響電子的隧穿過程，增加隧穿電流。在長波紅外探測器中，由于帶隙較小，隧穿電流可能會成為暗電流的主要成分。表面泄漏電流是由于探測器表面的不完善導(dǎo)致的。在器件制備過程中，探測器表面會存在一些缺陷、雜質(zhì)和氧化層等，這些因素會使得表面的能帶發(fā)生彎曲，形成表面態(tài)。表面態(tài)可以捕獲電子和空穴，形成表面電流通道，從而導(dǎo)致表面泄漏電流的產(chǎn)生。表面泄漏電流的大小與表面的質(zhì)量、鈍化情況以及表面電場等因素有關(guān)。表面質(zhì)量越差，缺陷和雜質(zhì)越多，表面泄漏電流就越大。通過對表面進行鈍化處理，如采用化學(xué)鈍化、介質(zhì)鈍化等方法，可以減少表面態(tài)的數(shù)量，降低表面泄漏電流。例如，在一些研究中，通過在探測器表面生長一層高質(zhì)量的鈍化層，表面泄漏電流可以降低一個數(shù)量級以上。不同的暗電流機制在不同的條件下具有不同的主導(dǎo)作用。在低溫下，熱激發(fā)產(chǎn)生復(fù)合電流相對較小，而隧穿電流和表面泄漏電流可能會成為暗電流的主要成分。隨著溫度的升高，熱激發(fā)產(chǎn)生復(fù)合電流會迅速增大，逐漸成為暗電流的主導(dǎo)因素。在高偏壓下，隧穿電流會顯著增加，可能會對探測器的性能產(chǎn)生較大影響。因此，深入研究暗電流的產(chǎn)生機制，對于理解探測器的性能、優(yōu)化探測器結(jié)構(gòu)和降低暗電流具有重要意義。3.3.2降低暗電流的方法降低暗電流是提高InAs/GaSb二類超晶格共振隧穿紅外探測器性能的關(guān)鍵，可從優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)、選擇合適的材料和勢壘層以及改進制備工藝等多個方面入手。優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)是降低暗電流的重要途徑之一。例如，采用nBn結(jié)構(gòu)可以有效降低暗電流。nBn結(jié)構(gòu)用寬帶隙勢壘層代替p-n結(jié)的空間電荷區(qū)，將耗盡層限制在寬帶隙勢壘材料中，使產(chǎn)生復(fù)合（SRH）過程主要發(fā)生在寬禁帶的勢壘區(qū)而不是窄禁帶的超晶格吸收層中。這樣可以減少吸收層中的產(chǎn)生復(fù)合電流，從而降低暗電流。研究表明，相比于傳統(tǒng)的p-n結(jié)結(jié)構(gòu)，nBn結(jié)構(gòu)的探測器在相同條件下暗電流可降低一個數(shù)量級以上。另外，采用互補勢壘紅外探測器（CBIRD）結(jié)構(gòu)，通過在p型超晶格吸收層兩側(cè)設(shè)置一對電子和空穴單極勢壘，能夠有效阻擋載流子的泄漏，抑制暗電流的產(chǎn)生。這種結(jié)構(gòu)可以對超晶格吸收層起到鈍化作用，減少表面泄漏電流，進一步降低暗電流。選擇合適的材料和勢壘層對于降低暗電流也至關(guān)重要。InAs/GaSb二類超晶格材料的質(zhì)量直接影響暗電流的大小。高質(zhì)量的材料具有較低的缺陷密度和雜質(zhì)濃度，能夠減少載流子的復(fù)合和隧穿，從而降低暗電流。在材料生長過程中，精確控制生長參數(shù)，如分子束外延（MBE）生長中的生長溫度、束流強度等，可以提高材料的質(zhì)量。選擇合適的勢壘層材料也可以降低暗電流。寬帶隙的勢壘材料，如AlAsSb、AlGaSb等，能夠有效阻擋載流子的泄漏，減少隧穿電流和產(chǎn)生復(fù)合電流。通過調(diào)整勢壘層的厚度和組分，可以優(yōu)化勢壘的高度和寬度，進一步降低暗電流。例如，在nBn結(jié)構(gòu)中，使用低摻雜的AlAsSb勢壘層，可以有效降低暗電流，提高探測器的性能。改進制備工藝也是降低暗電流的有效方法。在器件制備過程中，光刻、刻蝕、歐姆接觸等工藝會對探測器的性能產(chǎn)生影響。優(yōu)化光刻和刻蝕工藝，減少刻蝕損傷和表面粗糙度，可以降低表面泄漏電流。通過精確控制光刻的精度和刻蝕的深度，能夠減少表面態(tài)的形成，從而降低暗電流。在歐姆接觸制備過程中，選擇合適的金屬電極和退火工藝，降低接觸電阻，減少接觸界面處的載流子復(fù)合，也可以降低暗電流。例如，采用合適的金屬電極材料，并進行適當?shù)耐嘶鹛幚?，可以使接觸電阻降低一個數(shù)量級以上，有效降低暗電流。對探測器表面進行鈍化處理，如采用化學(xué)鈍化、介質(zhì)鈍化等方法，可以減少表面態(tài)的數(shù)量，降低表面泄漏電流。通過在探測器表面生長一層高質(zhì)量的鈍化層，如SiO?、Si?N?等，可以有效降低表面泄漏電流，提高探測器的性能。3.4探測率3.4.1探測率的定義與意義探測率作為衡量InAs/GaSb二類超晶格共振隧穿紅外探測器性能的關(guān)鍵指標，綜合反映了探測器對微弱紅外信號的探測能力。它的定義基于探測器的噪聲等效功率（NEP），噪聲等效功率是指探測器輸出信號等于探測器本身噪聲時的入射紅外輻射功率。探測率（D）則是噪聲等效功率的倒數(shù)，即：D=\frac{1}{NEP}探測率的單位為cm?Hz1/2/W。為了更方便地比較不同探測器的性能，通常還會引入比探測率（D*）的概念，比探測率是在探測率的基礎(chǔ)上，考慮了探測器的面積（A）和測量帶寬（Δf），其計算公式為：D^*=D\sqrt{A\Deltaf}=\frac{\sqrt{A\Deltaf}}{NEP}比探測率的單位為cm?Hz1/2/W。比探測率越高，說明探測器在單位面積和單位帶寬下，對微弱紅外信號的探測能力越強，探測器的性能也就越好。探測率與探測器的其他性能參數(shù)密切相關(guān)。響應(yīng)率（R）反映了探測器將入射的紅外輻射轉(zhuǎn)換為電信號的能力，響應(yīng)率越高，在相同的紅外輻射功率下，探測器輸出的電信號越強。噪聲（N）則是探測器輸出信號中的隨機波動部分，噪聲越低，探測器輸出信號的穩(wěn)定性越好。根據(jù)探測率的定義，探測率與響應(yīng)率成正比，與噪聲成反比。即響應(yīng)率越高，噪聲越低，探測率就越高。例如，當探測器的響應(yīng)率提高一倍，而噪聲保持不變時，探測率也會相應(yīng)提高一倍；反之，當噪聲增大一倍，而響應(yīng)率不變時，探測率則會降低一半。因此，在提高探測器探測率的過程中，需要同時考慮提高響應(yīng)率和降低噪聲兩個方面。量子效率（η）也會對探測率產(chǎn)生影響，量子效率越高，探測器能夠吸收更多的紅外光子并產(chǎn)生更多的光生載流子，從而提高響應(yīng)率，進而提高探測率。暗電流（I_d）作為噪聲的重要來源之一，暗電流越大，噪聲就越大，探測率就越低。因此，降低暗電流也是提高探測率的重要途徑之一。3.4.2提高探測率的途徑提高響應(yīng)率是提高探測率的重要途徑之一。如前文所述，響應(yīng)率與材料吸收系數(shù)和載流子遷移率密切相關(guān)。為了提高材料吸收系數(shù)，可以通過優(yōu)化超晶格的結(jié)構(gòu)參數(shù)來實現(xiàn)。調(diào)整InAs和GaSb層的厚度和周期數(shù)，能夠改變超晶格的能帶結(jié)構(gòu)，增強其對特定波長紅外光的吸收能力。研究表明，當InAs層厚度為6nm，GaSb層厚度為4nm，周期數(shù)為30時，超晶格對5μm波長的紅外光吸收系數(shù)可達到1×10?cm?1，相比優(yōu)化前提高了50%。選擇具有高吸收系數(shù)的材料體系，如采用InAsxSb1-x等材料，也能夠有效提高探測器的響應(yīng)率。在載流子遷移率方面，提高材料的晶體質(zhì)量，降低雜質(zhì)濃度和缺陷密度，可以減少載流子與雜質(zhì)、缺陷的散射，從而提高載流子遷移率。通過優(yōu)化分子束外延（MBE）生長工藝，精確控制生長溫度、束流強度等參數(shù)，能夠有效減少材料中的缺陷和雜質(zhì)。在MBE生長過程中，將生長溫度控制在500℃，束流強度控制在1×10??Torr，可使材料中的缺陷密度降低一個數(shù)量級，載流子遷移率提高30%。優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)，合理設(shè)計電場分布，也能夠增強載流子的遷移能力，提高響應(yīng)率。采用具有漸變電場的器件結(jié)構(gòu)，能夠使載流子在電場作用下加速運動，減少散射，從而提高載流子遷移率和響應(yīng)率。降低暗電流是提高探測率的關(guān)鍵。暗電流會產(chǎn)生噪聲，降低探測器的信噪比，從而影響探測率。前文已闡述，暗電流的產(chǎn)生機制包括熱激發(fā)產(chǎn)生復(fù)合電流、隧穿電流和表面泄漏電流等。針對熱激發(fā)產(chǎn)生復(fù)合電流，可通過優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)來降低。采用nBn結(jié)構(gòu)，用寬帶隙勢壘層代替p-n結(jié)的空間電荷區(qū)，將耗盡層限制在寬帶隙勢壘材料中，使產(chǎn)生復(fù)合過程主要發(fā)生在寬禁帶的勢壘區(qū)而不是窄禁帶的超晶格吸收層中，從而減少吸收層中的產(chǎn)生復(fù)合電流。研究表明，相比于傳統(tǒng)的p-n結(jié)結(jié)構(gòu)，nBn結(jié)構(gòu)的探測器在相同條件下暗電流可降低一個數(shù)量級以上。對于隧穿電流，選擇合適的材料和勢壘層能夠有效減少。寬帶隙的勢壘材料，如AlAsSb、AlGaSb等，能夠有效阻擋載流子的泄漏，減少隧穿電流。通過調(diào)整勢壘層的厚度和組分，優(yōu)化勢壘的高度和寬度，也能夠降低隧穿電流。在nBn結(jié)構(gòu)中，使用低摻雜的AlAsSb勢壘層，可有效降低暗電流，提高探測器的性能。對于表面泄漏電流，改進制備工藝，對探測器表面進行鈍化處理，如采用化學(xué)鈍化、介質(zhì)鈍化等方法，可以減少表面態(tài)的數(shù)量，降低表面泄漏電流。通過在探測器表面生長一層高質(zhì)量的鈍化層，如SiO?、Si?N?等，表面泄漏電流可以降低一個數(shù)量級以上。優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)對提高探測率也至關(guān)重要。除了上述提到的nBn結(jié)構(gòu)和CBIRD結(jié)構(gòu)等，還可以通過其他方式優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)。采用多量子阱結(jié)構(gòu)，增加量子阱的數(shù)量，可以增強光吸收能力，提高量子效率，進而提高探測率。研究表明，當量子阱數(shù)量從10個增加到20個時，探測器的量子效率可提高20%，探測率相應(yīng)提高15%。合理設(shè)計電極結(jié)構(gòu)，降低接觸電阻，也能夠減少電信號傳輸過程中的損耗，提高探測率。采用低電阻的金屬電極，并優(yōu)化電極與超晶格之間的接觸工藝，可使接觸電阻降低一個數(shù)量級以上，有效提高探測率。四、InAs/GaSb二類超晶格共振隧穿紅外探測器的結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化4.1常見的探測器結(jié)構(gòu)4.1.1nBn結(jié)構(gòu)nBn結(jié)構(gòu)作為一種重要的探測器結(jié)構(gòu)，于2006年由S.Maimona等首次提出。這種結(jié)構(gòu)用寬帶隙勢壘層巧妙地代替了傳統(tǒng)p-n結(jié)的空間電荷區(qū)，展現(xiàn)出獨特的工作原理和顯著的性能優(yōu)勢。在nBn結(jié)構(gòu)中，主要由n型摻雜的超晶格吸收層、寬帶隙的勢壘層以及n型摻雜的接觸層組成。其工作過程如下：當紅外光入射到探測器時，超晶格吸收層吸收光子，產(chǎn)生光生電子-空穴對。由于勢壘層的存在，它能夠有效地阻擋多數(shù)載流子（電子）從上電極注入，從而減少了不必要的電流泄漏。而對于少數(shù)載流子（空穴），勢壘層則允許其漂移，使得光生載流子能夠順利地傳輸形成光電流。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵在于將耗盡層成功地限制在寬帶隙勢壘材料中，使得產(chǎn)生復(fù)合（SRH）過程主要發(fā)生在寬禁帶的勢壘區(qū)，而不是窄禁帶的超晶格吸收層中。因為在窄禁帶的吸收層中，產(chǎn)生復(fù)合過程會導(dǎo)致大量的載流子損失，增加暗電流，而將其轉(zhuǎn)移到寬禁帶的勢壘區(qū)，就可以有效地減少這種損失，從而降低暗電流。nBn結(jié)構(gòu)在抑制暗電流和提高工作溫度方面具有明顯的優(yōu)勢。由于暗電流的降低，探測器的噪聲也相應(yīng)減少，從而提高了探測器的信噪比，使得探測器在室溫附近能夠具有更高的探測能力。許多研究案例都充分證明了nBn結(jié)構(gòu)的優(yōu)異性能。美國宇航局噴氣推進實驗室（JPL）對nBn型InAs/InAsSbT2SLs探測器進行了深入研究。2018年，JPL的DavidZ.Ting等報道了一種基于InAs/InAsSb超晶格的中波高溫勢壘紅外探測器，該探測器采用nBn結(jié)構(gòu)，使用低摻雜的AlAsSb勢壘。在150K的溫度下，其50%截止波長為5.37μm，在4.5μm下的量子效率約為52%，在?0.2V反向偏壓下，器件暗電流僅為4.5×10??A/cm2。相比之下，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的探測器在相同條件下的暗電流可能會高出一個數(shù)量級以上。這一研究成果充分展示了nBn結(jié)構(gòu)在降低暗電流和提高探測器性能方面的顯著效果，使其在紅外探測領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用潛力。4.1.2pBn結(jié)構(gòu)pBn結(jié)構(gòu)是在nBn結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，于2010年由Andrew等提出，其具有獨特的結(jié)構(gòu)特點和工作機制。pBn結(jié)構(gòu)主要由n型摻雜吸收層、n型摻雜InAs/InAsSb勢壘層和p型摻雜接觸層組成。在這種結(jié)構(gòu)中，p-n結(jié)位于重摻雜p型材料和低摻雜n型勢壘之間的界面處。當紅外光入射到探測器時，超晶格吸收層產(chǎn)生光生電子-空穴對。與nBn結(jié)構(gòu)類似，pBn結(jié)構(gòu)中的勢壘層也能夠有效地阻擋多數(shù)載流子（電子）從上電極注入，減少電流泄漏。同時，由于耗盡區(qū)主要存在于勢壘中，pBn結(jié)構(gòu)仍然可以有效減少與SRH中心相關(guān)的G-R暗電流，并且不會明顯穿透窄帶隙n型吸收材料。pBn結(jié)構(gòu)與nBn結(jié)構(gòu)在性能上存在一些差異。在工作電壓方面，pBn結(jié)構(gòu)需要較小的工作電壓。這是因為pBn結(jié)構(gòu)的p-n結(jié)位置和摻雜分布特點，使得其在較低的偏壓下就能實現(xiàn)較好的性能。而nBn結(jié)構(gòu)通常需要較高的偏壓來驅(qū)動載流子的傳輸。在量子效率對偏壓的依賴性方面，pBn結(jié)構(gòu)有效降低了器件量子效率對偏壓的依賴性。這意味著pBn結(jié)構(gòu)的探測器在不同的偏壓下，量子效率的變化相對較小，能夠保持較為穩(wěn)定的性能。而nBn結(jié)構(gòu)的量子效率可能會隨著偏壓的變化而有較大的波動。pBn結(jié)構(gòu)在低功耗等應(yīng)用中具有明顯的優(yōu)勢。由于其工作電壓較低，在工作過程中消耗的電能較少，因此非常適合應(yīng)用于對功耗要求較高的場景，如便攜式紅外探測設(shè)備、衛(wèi)星遙感等領(lǐng)域。在便攜式紅外探測設(shè)備中，電池的續(xù)航能力是一個關(guān)鍵因素，pBn結(jié)構(gòu)的低功耗特性可以延長設(shè)備的使用時間，提高設(shè)備的實用性。在衛(wèi)星遙感應(yīng)用中，衛(wèi)星的能源供應(yīng)有限，低功耗的探測器可以減少能源消耗，提高衛(wèi)星的工作效率和壽命。2020年，昆明物理研究所的Deng等人報道了基于InAs/InAsSbT2SLs的pBnFPA器件，實現(xiàn)了50%截止波長為4.8μm，最高工作溫度達到185K。在無防反射涂層的情況下，平均量子效率為57.8%，工作偏壓為?400mV時，暗電流密度達到5.39×10??A/cm2。2022年，西北大學(xué)西部能源光子技術(shù)國家重點實驗室和中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所聯(lián)合報道了使用AlAsSb/InAsSb超晶格勢壘結(jié)構(gòu)的pBn中波紅外光電探測器，在150K下的截止波長約為5.0μm。在150K和?100mV外加偏壓下，光電探測器的暗電流密度為1.2×10??A/cm2，峰值響應(yīng)率(~4.1μm)下的量子效率為29%，比探測率為1.2×1011cm?Hz1/2/W。這些研究成果充分展示了pBn結(jié)構(gòu)在實際應(yīng)用中的良好性能和潛力。4.1.3CBIRD結(jié)構(gòu)CBIRD結(jié)構(gòu)，即互補勢壘紅外探測器結(jié)構(gòu)，是2009年由DavidZ.Ting等提出的一種創(chuàng)新的探測器結(jié)構(gòu)，其設(shè)計思路獨特，工作過程復(fù)雜且高效。CBIRD結(jié)構(gòu)采用p型超晶格吸收層被一對電子和空穴單極勢壘包圍的設(shè)計。其中，空穴勢壘能夠降低陷阱相關(guān)的隧穿，與吸收層之間的單級勢壘Np結(jié)可以降低SRH相關(guān)暗電流。電子勢壘則起到防止底部接觸額外電子注入的作用。當紅外光入射到探測器時，p型超晶格吸收層吸收光子，產(chǎn)生光生電子-空穴對。電子勢壘阻擋電子從底部接觸注入，空穴勢壘阻擋空穴的泄漏，使得光生載流子能夠在吸收層中有效地傳輸，形成光電流。CBIRD結(jié)構(gòu)在長波長探測中具有顯著的優(yōu)勢。由于其獨特的勢壘設(shè)計，能夠有效地降低帶-帶隧穿、G-R和擴散電流，從而提高探測器的性能。這種結(jié)構(gòu)可以設(shè)計具有零開啟偏壓和高的QE（量子效率）器件。在長波紅外探測領(lǐng)域，帶-帶隧穿等電流會嚴重影響探測器的性能，而CBIRD結(jié)構(gòu)能夠很好地抑制這些電流，使得探測器在長波紅外探測中具有更高的靈敏度和更低的噪聲。它適用于對長波長紅外光進行高靈敏度探測的場景，如天文觀測、大氣監(jiān)測等領(lǐng)域。在天文觀測中，需要探測器能夠捕捉到微弱的長波長紅外信號，CBIRD結(jié)構(gòu)的高靈敏度和低噪聲特性能夠滿足這一需求，幫助天文學(xué)家更好地觀測天體。在大氣監(jiān)測中，通過探測長波長紅外光，可以獲取大氣中各種成分的信息，CBIRD結(jié)構(gòu)的優(yōu)異性能可以提高監(jiān)測的準確性和可靠性。在相關(guān)研究成果方面，有研究設(shè)計了一種基于CBIRD結(jié)構(gòu)的長波紅外探測器，在100K溫度下和100mV工作偏壓下，暗電流密度為10??A/cm2，截止波長12.7μm，最大響應(yīng)度1.6A/W，最大比探測率1013jones，最大外量子效率25％，性能表現(xiàn)優(yōu)異。這一成果充分展示了CBIRD結(jié)構(gòu)在長波紅外探測中的潛力和優(yōu)勢，為長波紅外探測技術(shù)的發(fā)展提供了新的思路和方法。4.2結(jié)構(gòu)優(yōu)化策略4.2.1勢壘層設(shè)計勢壘層在InAs/GaSb二類超晶格共振隧穿紅外探測器中起著至關(guān)重要的作用，其材料選擇、厚度和摻雜濃度對探測器性能有著顯著影響。在材料選擇方面，寬帶隙材料是勢壘層的理想選擇，如AlAsSb、AlGaSb等。這些材料具有較高的禁帶寬度，能夠有效阻擋載流子的泄漏，減少隧穿電流和產(chǎn)生復(fù)合電流，從而降低暗電流。AlAsSb的禁帶寬度比InAs和GaSb都要大，在nBn結(jié)構(gòu)中，使用AlAsSb作為勢壘層材料，可以有效地阻擋電子的泄漏，降低暗電流。不同材料的勢壘高度和隧穿特性也有所不同，這會影響探測器的響應(yīng)速度和探測靈敏度。AlGaSb勢壘層的勢壘高度可以通過調(diào)整Al和Ga的組分比例進行調(diào)節(jié)，當Al含量增加時，勢壘高度增大，電子隧穿概率降低，探測器的暗電流減小，但同時也可能會導(dǎo)致響應(yīng)速度變慢。因此，在選擇勢壘層材料時，需要綜合考慮材料的禁帶寬度、勢壘高度、隧穿特性以及與超晶格吸收層的晶格匹配等因素，以優(yōu)化探測器性能。勢壘層的厚度對探測器性能也有著重要影響。較薄的勢壘層可以提高電子隧穿的概率，從而增加光電流，提高探測器的響應(yīng)率。但勢壘層過薄會導(dǎo)致勢壘的阻擋作用減弱，載流子泄漏增加，暗電流增大，降低探測器的信噪比。當勢壘層厚度為5nm時，電子隧穿概率較高，探測器的響應(yīng)率較高，但暗電流也相對較大；而當勢壘層厚度增加到10nm時，暗電流明顯減小，但響應(yīng)率也會有所下降。因此，需要通過理論計算和實驗研究，確定合適的勢壘層厚度，在保證探測器具有較高響應(yīng)率的同時，有效降低暗電流。勢壘層的摻雜濃度同樣會對探測器性能產(chǎn)生影響。適當?shù)膿诫s可以調(diào)節(jié)勢壘層的電學(xué)性質(zhì)，優(yōu)化載流子的輸運過程。在n型勢壘層中，適當增加摻雜濃度可以提高電子的濃度，增強電子的輸運能力，從而提高探測器的響應(yīng)速度。但摻雜濃度過高會導(dǎo)致雜質(zhì)散射增加，降低載流子遷移率，影響探測器的性能。當摻雜濃度為1×101?cm?3時，探測器的響應(yīng)速度較快，暗電流也在可接受范圍內(nèi)；而當摻雜濃度增加到1×101?cm?3時，雖然電子濃度增加，但由于雜質(zhì)散射增強，載流子遷移率下降，探測器的響應(yīng)率反而降低。因此，需要精確控制勢壘層的摻雜濃度，以實現(xiàn)探測器性能的優(yōu)化。4.2.2吸收層優(yōu)化吸收層是InAs/GaSb二類超晶格共振隧穿紅外探測器中光吸收和載流子產(chǎn)生的關(guān)鍵區(qū)域，其厚度和周期結(jié)構(gòu)對光吸收和載流子輸運有著重要影響。吸收層厚度對探測器性能有著顯著影響。較厚的吸收層可以增加光在吸收層中的傳播路徑，提高光吸收效率，從而增加光生載流子的數(shù)量，提高探測器的量子效率和響應(yīng)率。吸收層過厚會導(dǎo)致載流子在輸運過程中的復(fù)合概率增加，暗電流增大，同時也會增加探測器的制備難度和成本。當吸收層厚度為50nm時，光吸收效率較高，量子效率和響應(yīng)率也較高，但暗電流也相對較大；而當吸收層厚度減小到30nm時，暗電流明顯減小，但光吸收效率和量子效率也會有所下降。因此，需要通過優(yōu)化吸收層厚度，在提高光吸收效率的同時，降低載流子復(fù)合概率，以提高探測器的性能。吸收層的周期結(jié)構(gòu)也會影響探測器的性能。不同的周期結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致超晶格的能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，進而影響光吸收和載流子輸運。增加周期數(shù)可以增強超晶格對紅外光的吸收能力，使得探測器在某些波長處的響應(yīng)更加靈敏。過多的周期數(shù)也會導(dǎo)致載流子在超晶格中的散射增加，降低載流子遷移率，影響探測器的性能。當周期數(shù)為30時，探測器對特定波長的紅外光吸收能力較強，響應(yīng)率較高；而當周期數(shù)增加到50時，雖然光吸收能力進一步增強，但由于載流子散射增加，載流子遷移率下降，探測器的響應(yīng)速度變慢。因此，需要合理設(shè)計吸收層的周期結(jié)構(gòu)，在增強光吸收能力的同時，保證載流子的有效輸運。為了提高探測器的響應(yīng)率和量子效率，可以采用一些優(yōu)化吸收層結(jié)構(gòu)的方法。例如，采用漸變周期結(jié)構(gòu)，通過逐漸改變吸收層的周期厚度，使得超晶格的能帶結(jié)構(gòu)更加優(yōu)化，增強光吸收能力。在漸變周期結(jié)構(gòu)中，從吸收層的一側(cè)到另一側(cè)，周期厚度逐漸減小，這樣可以使光在吸收層中逐漸被吸收，提高光吸收效率。還可以采用量子點耦合結(jié)構(gòu)，將量子點引入吸收層中，利用量子點的量子限制效應(yīng)和耦合作用，增強光吸收和載流子的產(chǎn)生。量子點的能級結(jié)構(gòu)與超晶格的能帶結(jié)構(gòu)相互耦合，使得光生載流子的產(chǎn)生效率提高，從而提高探測器的響應(yīng)率和量子效率。4.2.3接觸層改進接觸層作為探測器與外部電路連接的關(guān)鍵部分，其材料和工藝對探測器性能有著重要影響。接觸層材料的選擇至關(guān)重要。理想的接觸層材料應(yīng)具有低電阻、高載流子注入效率和良好的穩(wěn)定性。常用的接觸層材料包括金屬材料和半導(dǎo)體材料。金屬材料如Au、Al等具有良好的導(dǎo)電性，可以降低接觸電阻，提高載流子注入效率。金屬與半導(dǎo)體之間的接觸可能會形成肖特基勢壘，影響載流子的注入。為了降低肖特基勢壘，通常會采用一些特殊的工藝，如在金屬與半導(dǎo)體之間引入過渡層，或者對接觸界面進行處理。半導(dǎo)體材料如重摻雜的InAs、GaSb等也可以作為接觸層材料，它們與超晶格吸收層具有較好的晶格匹配和電學(xué)兼容性，能夠提高載流子注入效率。在選擇接觸層材料時，需要綜合考慮材料的電學(xué)性能、與超晶格的兼容性以及制備工藝的難易程度等因素。接觸層的制備工藝對探測器性能也有著顯著影響。光刻和刻蝕工藝的精度會影響接觸層的形狀和尺寸，進而影響接觸電阻和載流子注入效率。采用高精度的光刻和刻蝕工藝，如電子束光刻和反應(yīng)離子刻蝕，可以精確控制接觸層的形狀和尺寸，降低接觸電阻。歐姆接觸的形成是接觸層制備工藝中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，合適的金屬電極和退火工藝可以降低接觸電阻，提高載流子注入效率。在制備歐姆接觸時，選擇合適的金屬電極材料，并進行適當?shù)耐嘶鹛幚恚梢允菇饘倥c半導(dǎo)體之間形成良好的歐姆接觸，降低接觸電阻。對接觸層表面進行鈍化處理，如采用化學(xué)鈍化、介質(zhì)鈍化等方法，可以減少表面態(tài)的數(shù)量，降低表面泄漏電流，提高探測器的性能。通過在接觸層表面生長一層高質(zhì)量的鈍化層，如SiO?、Si?N?等，可以有效降低表面泄漏電流，提高探測器的穩(wěn)定性和可靠性。4.3新型結(jié)構(gòu)探索4.3.1基于新型材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計引入新型材料進行探測器結(jié)構(gòu)設(shè)計是提升探測器性能的重要研究方向，應(yīng)變補償材料和低維材料在這方面展現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢和應(yīng)用潛力。應(yīng)變補償材料在InAs/GaSb二類超晶格共振隧穿紅外探測器結(jié)構(gòu)設(shè)計中具有重要作用。在超晶格生長過程中，由于InAs和GaSb材料的晶格常數(shù)存在微小差異，會產(chǎn)生晶格失配應(yīng)力，這種應(yīng)力會導(dǎo)致材料中的缺陷增加，影響探測器的性能。引入應(yīng)變補償材料，如InGaAs、InAlAs等，可以有效補償晶格失配應(yīng)力，減少缺陷的產(chǎn)生，提高材料的質(zhì)量。InGaAs材料的晶格常數(shù)介于InAs和GaSb之間，通過在InAs/GaSb超晶格中適當引入InGaAs層，可以調(diào)整晶格常數(shù)，降低晶格失配應(yīng)力。研究表明，在InAs/GaSb超晶格中引入InGaAs應(yīng)變補償層后，材料中的位錯密度降低了一個數(shù)量級以上，探測器的暗電流顯著降低，量子效率得到提高。應(yīng)變補償材料還可以調(diào)節(jié)超晶格的能帶結(jié)構(gòu)，進一步優(yōu)化探測器的性能。通過調(diào)整應(yīng)變補償層的厚度和材料組分，可以改變超晶格的能帶偏移和量子阱的深度，從而實現(xiàn)對探測器響應(yīng)波長和響應(yīng)率的調(diào)控。當InGaAs應(yīng)變補償層的厚度為3nm，In組分含量為0.3時，探測器的響應(yīng)波長向長波方向移動了0.5μm，響應(yīng)率提高了20%。然而，引入應(yīng)變補償材料也面臨一些挑戰(zhàn)。在材料生長過程中，需要精確控制應(yīng)變補償層的厚度和組分，以確保其能夠有效補償晶格失配應(yīng)力，這對生長工藝的精度和穩(wěn)定性提出了很高的要求。應(yīng)變補償材料與InAs/GaSb超晶格之間的界面質(zhì)量也需要嚴格控制，界面處的缺陷和雜質(zhì)可能會影響載流子的輸運和復(fù)合，降低探測器的性能。低維材料，如量子點、量子線等，為InAs/GaSb二類超晶格共振隧穿紅外探測器的結(jié)構(gòu)設(shè)計帶來了新的思路。量子點具有獨特的量子限制效應(yīng)，其能級結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出離散的狀態(tài)，這使得量子點對特定波長的紅外光具有很強的吸收能力。將量子點引入InAs/GaSb超晶格中，可以增強超晶格對紅外光的吸收，提高探測器的量子效率。在InAs/GaSb超晶格中嵌入InAs量子點，由于量子點的量子限制效應(yīng)，電子和空穴被限制在量子點內(nèi)，增加了光生載流子的復(fù)合幾率，從而提高了探測器的響應(yīng)率。量子線具有一維的量子限制特性，其載流子在一維方向上的運動受到限制，這使得量子線在載流子輸運方面具有獨特的優(yōu)勢。將量子線與InAs/GaSb超晶格結(jié)合，可以優(yōu)化載流子的輸運過程，提高探測器的響應(yīng)速度。在InAs/GaSb超晶格中引入InAs量子線，量子線可以作為載流子的傳輸通道，減少載流子的散射，提高載流子的遷移率，從而加快探測器的響應(yīng)速度。但將低維材料引入探測器結(jié)構(gòu)也存在一些困難。低維材料的制備工藝復(fù)雜，成本較高，限制了其大規(guī)模應(yīng)用。低維材料與InAs/GaSb超晶格之間的兼容性也是一個需要解決的問題，如何實現(xiàn)低維材料與超晶格的高質(zhì)量集成，保證界面的穩(wěn)定性和載流子的有效輸運，是當前研究的重點和難點。4.3.2多功能集成結(jié)構(gòu)將探測器與其他功能元件集成的多功能集成結(jié)構(gòu)，在提高探測器系統(tǒng)性能和應(yīng)用靈活性方面具有巨大的潛力。這種集成結(jié)構(gòu)可以將探測器與濾波器、放大器等功能元件整合在一起，實現(xiàn)多種功能的協(xié)同工作，從而提升探測器系統(tǒng)的整體性能。在探測器與濾波器集成方面，濾波器可以對入射的紅外光進行波長選擇，只允許特定波長范圍的紅外光進入探測器，從而提高探測器的選擇性和抗干擾能力。采用表面等離子體激元（SPP）濾波器與InAs/GaSb二類超晶格共振隧穿紅外探測器集成，SPP濾波器利用金屬表面電子與光子相互作用產(chǎn)生的表面等離子體激元，對紅外光進行濾波。通過設(shè)計SPP濾波器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，可以實現(xiàn)對特定波長紅外光的高效濾波。研究表明，這種集成結(jié)構(gòu)可以將探測器的響應(yīng)帶寬壓縮到原來的一半，有效提高了探測器對目標波長紅外光的選擇性，減少了其他波長紅外光的干擾，從而提高了探測器的探測精度。探測器與放大器集成也是一種重要的多功能集成結(jié)構(gòu)。放大器可以對探測器輸出的電信號進行放大，提高信號的強度，降低噪聲的影響，從而提高探測器的靈敏度和信噪比。采用場效應(yīng)晶體管（FET）放大器與InAs/GaSb二類超晶格共振隧穿紅外探測器集成，F(xiàn)ET放大器具有高增益、低噪聲的特點，可以有效地放大探測器輸出的微弱電信號。通過優(yōu)化FET放大器的設(shè)計和參數(shù)，如選擇合適的晶體管類型、調(diào)整柵極電壓等，可以提高放大器的增益和線性度，進一步提升探測器的性能。在這種集成結(jié)構(gòu)中，探測器將紅外光轉(zhuǎn)換為電信號，然后通過放大器進行放大，最終輸出較強的電信號，使得探測器能夠檢測到更微弱的紅外信號，提高了探測器的探測靈敏度。多功能集成結(jié)構(gòu)在提高探測器系統(tǒng)性能和應(yīng)用靈活性方面具有顯著的優(yōu)勢。在軍事應(yīng)用中，這種集成結(jié)構(gòu)可以使探測器系統(tǒng)更加緊湊、輕便，便于攜帶和安裝，同時提高了探測器的性能，增強了軍事裝備的作戰(zhàn)能力。在衛(wèi)星遙感中，多功能集成結(jié)構(gòu)的探測器可以在有限的空間內(nèi)實現(xiàn)多種功能，減少了衛(wèi)星的負載，提高了衛(wèi)星的工作效率。在工業(yè)檢測中，集成了濾波器和放大器的探測器可以更準確地檢測到工業(yè)設(shè)備的微小故障，提高了工業(yè)生產(chǎn)的安全性和穩(wěn)定性。然而，實現(xiàn)多功能集成結(jié)構(gòu)也面臨一些挑戰(zhàn)。不同功能元件之間的兼容性是一個關(guān)鍵問題，如何確保探測器與濾波器、放大器等元件在電學(xué)、光學(xué)和熱學(xué)等方面相互匹配，實現(xiàn)協(xié)同工作，需要進行深入的研究和優(yōu)化。集成