红外探测技术在军事侦察、环境监测、医疗诊断等领域有着广泛的应用。传统的红外探测器在性能上存在一定的局限性，如探测灵敏度、响应速度等受限。InAs/InAsSb II类超晶格（T2SL）材料具有优异的光电性能和可调谐性，成为长波红外（LWIR）探测器的理想选择。长波红外探测中的弱响应问题长期以来一直是人们持续关注的问题，此类弱响应极大地限制了电子器件应用的可靠性。雪崩光电探测器（APD）虽然具有出色的响应性能，但在倍增过程中却饱受高暗电流困扰。
据麦姆斯咨询报道，近日，为解决以上这些问题，电子科技大学巫江教授团队成功设计了一种高性能的II类超晶格（T2SL）长波红外雪崩光电二极管（APD）。研究人员利用InAs/InAsSb T2SL吸收层较低的俄歇复合速率来降低暗电流。同时，采用低k值的AlAsSb作为倍增层，在保持足够增益的同时抑制器件噪声。该设计为推进长波红外探测技术的发展提供了一种前景广阔的解决方案。相关研究成果以“Design of long-wavelength infrared InAs/InAsSb type-II superlattice avalanche photodetector with stepped grading layer”为题，发表在Electron期刊上。
该探测器采用了阶梯分级层设计，通过调整InAs和InAsSb的组分比例，实现了能带结构的平滑过渡，提高了探测器的性能。在材料选择与制备工艺上，这项研究详细介绍了用于制备探测器的InAs/InAsSb T2SL材料的生长方法和工艺参数。
确定InAs/InAsSb T2SL的组分和厚度至关重要，需进行参数调整以实现应力平衡。在长波红外探测的背景下，要实现与InAs/GaSb T2SL相同的截止波长，需要更厚的InAs/InAsSb T2SL单周期。然而，更厚的单周期会导致T2SL中生长方向上的吸收系数降低，空穴的有效质量增加。实验发现，增加Sb组分可以在不显著增加单周期厚度的情况下实现更长的截止波长。但是，Sb组分过高可能导致Sb元素偏析。因此，选择Sb组分为0.5的InAs/InAs0.5Sb0.5 T2SL作为APD的有源层。InAs/InAsSb T2SL主要生长在GaSb衬底上，因此需要考虑GaSb在应变管理中的作用。本质上，实现应变平衡涉及比较超晶格一个周期的平均晶格常数与衬底的晶格常数。通常来说，InAs中的张应变由InAsSb引入的压应变来补偿，导致InAs层的厚度相比InAsSb层更厚。
InAs/InAs0.5Sb0.5长波红外APD结构的示意图如图2A所示。该结构自下而上依次为：GaSb衬底、50 nm厚的GaSb缓冲层（用于增强晶格匹配并降低界面缺陷密度）、100 nm厚的n型重掺杂（1 × 10¹⁸ cm⁻³）GaSb底部接触层，随后是400 nm厚的未掺杂的ALAs0.09Sb0.91单层（ML），利用其低k值和宽带隙有效降低器件噪声。接着设计了50 nm厚的AlAsSb电荷层，掺杂浓度为1 × 10¹⁶ cm⁻³，用于调整有源层（AL）和多层（ML）之间的电场；设计了64 nm厚的InAs/AlSb T2SL以促进载流子传输。之后，设计了1100 nm厚的p型掺杂InAs（77.5 Å）/InAs0.5Sb0.5（20 Å）T2SL作为有源层，掺杂浓度为3 × 10¹⁴ cm⁻³。最后，设计了100 nm厚的InAs/InAs0.5Sb0.5（p型，5×10¹⁸ cm⁻³）T2SL顶部接触层以形成欧姆接触。当施加反向偏压时，器件的多层中形成强电场以实现碰撞电离。此外，多层不仅有助于载流子传输，而且通过掺杂有助于将电场限制在有源层内。这确保了虽然有源层中的电场促进了载流子传输，但不会引发隧穿效应，这可以从图2B所示的设备电场示意图中看出。图3显示了反向偏压分别为0 V和-15 V时设备的能带结构。模拟结果显示，在-15 V时，有源层和多层中的平均电场分别约为5 kV/cm和300 kV/cm。
这项研究测量了探测器的光电响应特性，包括光谱响应、暗电流、噪声等，验证了阶梯渐变层设计的有效性。分析了探测器的雪崩倍增效应，讨论了倍增因子与入射光功率、温度等参数的关系。
图4A展示了InAs/InAsSb长波红外APD的暗电流特性随温度变化的情况。随着工作温度的升高，暗电流密度（Jd）迅速增加。在-5 V以下偏置电压和较低温度下，由于导带差异显著，阻碍了载热子的热激发，因此暗电流密度保持相对稳定。随着温度的升高，载热子的热激发加剧，使得一小部分热载流子能够越过势垒使电流增强。当电压超过-5 V时，电场扩展到倍增层（ML）之外，进入阶梯渐变层，使能带趋于平坦，从而促进了载流子的传输，放大了暗电流。当电压达到约-15 V时，载流子传输趋于饱和，暗电流密度进入平台期。当电压进一步增加到约-41.2 V时，倍增层的电场变得足够强，可以满足载流子的碰撞电离过程并触发雪崩效应，导致暗电流密度迅速增加。图4B显示了APD在-13 V（击穿前）和-40.5 V（击穿前）下的暗电流密度（Jd）对应的阿伦尼乌斯曲线。
图5A显示了100 K时在8.4 μm辐射下，APD的电流密度和增益随偏置电压的变化。可以观察到，在外部辐射下，器件的击穿电压显著增加，因为更高的载流子密度需要更大的偏置电压才能达到饱和。图5B显示了从100 K到150 K温度下器件的增益曲线。
图6展示了器件在不同温度下的击穿电压光谱响应曲线。可以看出，器件的50%截止波长为9.4 μm，这与图1B所示的吸收系数一致。随着工作温度的升高，器件的响应减弱。在100 K温度和8.4 μm辐射下，计算得到的响应度（R）为650 A/W。最终计算得出，器件在击穿电压下的最大增益约为366。所获得的显著增益不仅得益于该精心设计的器件结构，还归因于多层结构（ML）的极低k值。这种低k值是由于Sb组分的增加，而Sb组分的增加导致β值因高声子散射速率和大空穴有效质量而进一步降低。
综上所述，这项研究设计了一款InAs/InAsSb长波红外APD，并通过仿真评估了其器件性能。采用具有低k值的宽带隙AlAsSb材料作为倍增层，有效降低了隧穿电流和G-R（产生-复合）电流，从而在100 K时实现了5.48 × 10⁻² A/cm²的暗电流密度。计算了器件在不同温度下的增益曲线。在100 K时，采用所提出的结构设计，器件的最大增益达到了366。相应地，响应度达到了650 A/W，量子效率（QE）为26.28%。此外，该APD的击穿温度系数计算为28.9 mV/K，表明其具有良好的温度稳定性。通过利用T2SL的独特性质并优化器件结构，本设计为实现高效长波红外探测以及潜在的高性能长波红外APD提供了一种途径。
https://doi.org/10.1002/elt2.73
