撰稿 | 唐江山
近日，美国西北大学，电子与计算机工程系量子器件中心，Manijeh Razeghi 团队，报道了一种基于II型超晶格的高增益带结构长波红外异质结光电探测器的设计、生长和表征（图一）。
图一：长波红外II型超晶格光电晶体管结构示意图
这种基于II型超晶格的红外光电探测器为高增益长波红外光探测器的设计提供了一种新的可能性。这些装置也适用于焦平面阵列成像，光探测和测距(激光雷达)。该文章发表在国际顶尖学术期刊《Light: Science & Applications》，题为“Band-structure-engineered high-gain LWIR photodetector based on a type-II superlattice”，Arash Dehzangi为论文的第一作者，Manijeh Razeghi教授为通讯作者。
半导体材料和器件的发展使光电探测器取得了巨大的进展，在许多领域都有广泛的应用。光电探测器现在能够广泛地覆盖从深紫外光、可见光、近红外光谱，一直到长波红外(LWIR)，甚至太赫兹的波长范围。长波红外甚至更长波区域是实现高探测性和高响应性光电探测器的新发展和新途径。这些光电探测器在红外地球科学和天文学、遥感、光通信、热成像和医学成像等应用中非常受欢迎。随着传统pin探测器的前景开始饱和，人们开始开发新的设计，如具有内部/内在增益的障壁光电探测器和超敏感器件，来产生更好的探测性能。
目前最先进的长波红外探测技术是基于碲镉汞(HgCdTe或MCT)材料，可以实现良好的灵敏度和速度。该材料已被用于实现基于碰撞电离机制的长波红外雪崩光电二极管(APDs)。但一般而言，APDs的光电流增益较低，需要较高的偏置电压，并且在雪崩倍增过程中会产生过多的噪声。此外，长波红外探测器所需的成分难以一致增长，导致空间均匀性差。这种复杂的材料生长，以及与加工II-VI材料相关的额外挑战，降低了器件制造产量，并显著增加了生产成本。
长波红外的替代商业技术包括以氧化钒或非晶硅为基础的光电探测器，它具有高温操作、与CMOS技术的兼容性和低制造成本等优点。然而，由于检测波长的可调性有限、灵敏度差、响应速度慢等缺点，这些光电探测器的应用受到了限制。一个很有前途的替代APDs实现高光转换增益的方法是，将现有的检测器与异质结双极晶体管(HBTs)集成在一起，创建异质结光电晶体管(HPT)，它们能够在低偏置电压下工作。然而，这仅限于短波和近红外探测。一种很有前途的材料显示了将异质结光电晶体管推入长波红外的潜力，这就是II型超晶格。II型超晶格是一种发展中的材料体系，具有优异的生长均匀性和特殊的能带结构（见图二）。
图二：(a)高增益长波红外光电探测器导带与价带结构示意图 (b) 长波红外吸收区域能带结构
该器件的1 / e截止波长为8.0μm。在77K，施加90mV的偏压会出现单位光学增益，对应的暗电流密度为3.2×10-7A/cm2（见图三）。进一步的，在此温度下，当施加220mV的偏压，光学增益可以达到276的饱和值，此时在峰值探测波长6.8μm处，设备的响应率为1284A/W（见图四a）。
图三：光电探测器暗电流密度曲线
图四：(a) 长波红外II型超晶格器件在77K偏压220mV饱和响应谱。(b) 在6.8μm处饱和响应随偏压的变化
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https://doi.org/10.1038/s41377-020-00453-x
