Page 109 - 《真空与低温》2025年第3期

380 真空与低温 第 31 卷 第 3 期

1.4 量子效率与探测率 式如下：
T2SL 探测器的量子效率主要取决于材料的吸 QE B
S B = λ 2 （4）
收系数和扩散长度。吸收系数主要由生长材料的 QE B
λ 1
界面质量、掺杂水平和器件结构的设计决定，因此 QE R
需设计合适的器件结构，增强光生载流子的输运， S R = QE λ 1 （5）
R
λ 2
优化超晶格的界面生长，提高生长质量来增加载流
B
B
式中： QE 和 QE 分别为蓝色通道在 λ 2和 λ 1处的量
子的寿命。量子效率和探测率的表达式如下： λ 2 λ 1
子效率； QE 和 QE 分别为红色通道在 λ 1和 λ 2处的
R
R
hc λ 1 λ 2
η = R i （2） 量子效率。
qλ
多色探测器的串扰性能主要由能带结构设计
1
( ) −
qλη 4KT 2 与分子束外延（MBE）制备工艺的协同作用决定：首
D = 2qJ total + （3）
∗
hc RA
先，能带设计通过优化载流子输运路径和限制电子
式中： h为普朗克常数； c为真空常数； q为电子电荷；
跃迁，直接影响器件的本征特性，而 MBE 工艺参数
λ为相应波长；RA 为器件的阻抗与面积乘积； R i为
（如生长速率、衬底温度）的微小偏差会导致界面
响应度； η为量子效率； 为玻尔兹曼常数； 为温
T
K
缺陷和晶格失配，显著劣化暗电流与量子效率；其
度； D 为探测率。综上所述，评估器件性能的主要
∗
次，升高的暗电流会加剧载流子横向扩散并诱发非
参数包括光学串扰和探测率，其中探测率由暗电流
目标能级间的电子跃迁，而量子效率失衡（如波段
和量子效率共同决定。
响应重叠或空间分布不均）则促使光生载流子在相

1.5 串扰
邻像素间迁移，两者耦合形成正反馈，进一步放大
目前多色红外探测器中普遍存在的一个问题
载流子梯度与无效跃迁；最终，这些因素的级联效
是串扰（也叫串音）。在焦平面阵列中，当投射到某
应通过载流子扩散路径混乱与非辐射复合增强，使
一特定探测器光敏面上的红外光子在另一个探测
串扰呈现非线性增长。因此，优化能带势垒设计
器中产生信号时，这种现象称为串音。在高性能光
与 MBE 工艺精度是抑制串扰的核心路径。
伏阵列中，串音的主要成分是光生载流子在焦平面
2 InAs/GaSbⅡ类超晶格双色红外探测器
阵列的相邻探测器之间的横向扩散。串音会影响

焦平面阵列的分辨率性能，在红外成像系统中，串 2.1 短波/中波双色红外探测器
音会使图像的清晰度降低，导致系统性能衰减。串 2017 年，中国科学院半导体研究所研制出了
[35]
音的计算方法有多种，本文采用的是蓝（红）色通道 短/中波双色红外探测器。器件结构如图 3（a）所示 。
（
非目标波长 λ 2 λ 1）处的量子效率占蓝（红）色通道 中波通道 50% 处的截止波长为 5.1 μm，短波通道
[35]
目标波长 λ 1 λ 2）处量子效率的比值。串音的表达 50% 处的截止波长为 2.9 μm，如图 3（b）所示 。
（

InAs 盖帽层 n-doped 22 nm 线性阵列B2 50 ~150 mV −50 mV
−40 mV
15 50~−50 mV −30 mV
8/8ML InAs/GaSb n-doped 0.5 μm −20 mV
−10 mV
0 mV
10 mV
8/8ML InAs/GaSb undoped 1.6 μm 12 20 mV
30 mV
40 mV
8/8ML InAs/GaSb p-doped 0.5 μm 9 50 mV
60 mV
70 mV
90 mV
GaSb 表层 p-doped 0.5 μm SR/a.u. 80 mV
100 mV
110 mV
5/8ML InAs/GaSb p-doped 0.5 μm 6 120 mV
130 mV
140 mV
150 mV
5/8ML InAs/GaSb undoped 2.2 μm
3
5/8ML InAs/GaSb n-doped 0.5 μm
GaSb 缓冲层 n-doped l μm 0
2 3 4 5 6
GaSb 衬底 波长/μm
（a）器件结构 （b）光谱响应
图 3 短/中双色红外探测器结构与响应波长
Fig. 3 Short /mid dual-color infrared detector structure and spectral response