在众多红外材料体系中，InAs/GaSb II类超晶格（T2SL）被视为碲镉汞（MCT）最具潜力的替代方案，具备带隙灵活可调、组分均匀性好、俄歇复合速率低、制备成本可控等优势，已发展出pπMn、nBn、pBn等多种成熟器件结构。然而，要实现高性能宽带II类超晶格探测器，仍面临两大核心挑战：其一，针对中红外设计的窄带隙材料，对可见光的吸收系数极大，光子仅能在极浅的表面区域被吸收，该区域表面复合严重且缺乏漂移电场，光生载流子难以被有效收集，导致可见光波段量子效率极低；其二，难以在可见光至中红外的极宽光谱范围内同时实现高效光耦合，传统增透膜或单一光学谐振腔通常仅针对特定波段优化，可见光与红外光的光程、干涉条件差异巨大，耦合效率必然存在权衡。因此，如何在不牺牲暗电流性能的前提下，通过光学结构设计实现可见光至中红外的宽谱高效吸收，是II类超晶格宽带探测器发展的关键技术瓶颈。
据麦姆斯咨询报道，近日，中国科学院半导体研究所和香港中文大学（深圳）的研究团队针对II类超晶格红外探测器难以兼顾可见光至红外宽光谱响应与高探测灵敏度的行业难题，创新性提出抗反射涂层-法布里-珀罗-导模共振（ARC-FP-GMR）混合光学增强方案。研究团队在背照式InAs/GaSb II类超晶格pπMn器件上制备漏斗形微孔阵列光栅，将原本产生寄生吸收的缓冲层与腐蚀停止层改造为波导功能层，在不恶化暗电流特性的前提下，实现了0.6–4.7 μm超宽光谱范围内66%的平均量子效率。160 K工作温度下，器件暗电流密度仅为6.6×10?? A/cm?，峰值比探测率达2.07×10?? cm?Hz?/?/W，250 K下全波段探测率仍保持在10? cm?Hz?/?/W以上。性能模拟显示，220 K下对1000 K目标的噪声等效温差（NETD）低于2 mK，为下一代高工作温度宽带红外焦平面阵列提供了可行的技术路径。研究成果以“Hybrid Resonance-Enhanced Visible-to-Infrared Broadband Detection in InAs/GaSb Type-II Superlattice Photodetectors via a Microhole Array”为题发表在ACS Photonics期刊上。
II类晶格光电探测器的设计及制备
该器件采用背照式pπMn架构，整体外延结构通过分子束外延生长于n型GaSb衬底之上，从衬底向上依次为1 μm n型GaSb缓冲层、1 μm n型InAsSb腐蚀停止层、0.5 μm n型底部接触层、0.5 μm轻掺杂M结构势垒层、2 μm轻p型InAs/GaSb超晶格吸收层以及0.5 μm p型顶部接触层。其中M结构势垒可有效抑制暗电流，是器件实现高工作温度的电学基础。
图1 器件结构与表面表征
这种漏斗形微孔结构并非简单的光捕获形貌，而是兼具三重光学功能：（1）渐变折射率减反；（2）多次内反射增程；（3）激发导模共振。
II类超晶格光电探测器光学模式调控与参数优化
由金属层与光栅层构成的FP、GMR夹层结构，会使入射至谐振腔内部的光发生干涉。当入射光波长与谐振腔预设谐振波长相匹配时，会产生相长干涉，进而在该谐振波长处实现信号增强。为系统研究光栅结构在当下锑基II类超晶格光电探测器中的设计机理与应用潜力，研究团队采用时域有限差分（FDTD）法，对集成谐振腔与未集成谐振腔两种器件的光学性能开展数值仿真关结果如图2所示。研究团队还系统扫描了光栅深度、占空比、周期三个关键参数对吸收特性的影响规律。
图2 共振光学特性与参数调优
图3 电场仿真与角度依赖性
II类超晶格光电探测器的光电性能
受背照式光电探测器可制备均匀光栅阵列的成熟高精度工艺，以及GMR带来的光捕获增强效果启发，研究团队研制了两款金属反射层结构互不相同的宽带光电探测器，具体结构如图4c所示。方案1的金属层完整覆盖原有顶部接触层，方案2则采用由底层扇出结构延伸形成的金属层，两款器件均搭载完全一致的光栅结构。研究团队对这些器件开展了系统的光电性能测试，相关结果如图4所示。
图4 宽带光电探测器性能
研究团队在不同温度条件下完成了对器件的暗电流测试，建立了噪声等效温差（NETD）仿真模型，系统研究了高温工作环境中各类暗电流组分的变化规律，相关结果如图5所示。NETD的定量仿真件级的性能增益转化为了系统级的成像价值，直观证明了光学增强技术是提升红外焦平面高温工作性能、降低制冷系统功耗与体积的有效手段。
图5 暗电流特性表征与探测性能
总结
综上所述，这项研究针对II类超晶格探测器可见光至中红外宽谱响应的技术难题，创新性构建了ARC-FP-GMR混合光学增强体系。研究团队将纵向FP谐振与横向GMR导模共振有机融合，辅以渐变折射率漏斗形微孔与SiO?增透膜，实现了从可见光到中红外的超宽带高效光耦合。单吸收层器件在0.6–4.7 μm范围内平均量子效率达66%，160 K下峰值探测率超2×10?? cm?Hz?/?/W，220 K下NETD低于2 mK，综合性能处于同类器件领先水平。该研究建立了一套完整的混合共振增强型宽带超晶格探测器设计与制备方案，既从物理层面阐明了多模式协同增强的内在机制，又从工程层面验证了工艺兼容性与成像应用潜力，为下一代高工作温度、多波段集成的红外焦平面阵列提供了坚实的技术支撑。
论文链接：http://doi.org/10.1021/acsphotonics.6c00244
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