助锨材料２００５年第９期（３６）卷ＩｎＡｓ／ＧａＩｎＳｂ应变层超晶格材料的界面结构。
邱永鑫，李美成，赵连城
（哈尔滨工业大学材料科学与工程学院，黑龙江哈尔滨１５０００１）
摘要：介绍了ＩｎＡｓ／ＧａＩｎＳｂ应变层超晶格材料的界面结合类型及其对材料界面结构和光电性能的影响，分析了在超晶格界面处的原子置换和扩散现象。同时，总结了分子柬外延生长过程中控制ＩｎＡｓ／ＧａＩｎＳｂ超晶格界面结构的生长工艺，指出采用原子迁移增强（ＭＥＥ）外延生长技术，可以有效地抑制界面处原子的置换和扩散现象。
关键词：应变层超晶格；ＩｎＡｓ／ＧａＩｎＳｂ；界面结构；分子束外延
中图分类号：ＴＧｌ４６文献标识码：Ａ文章编号：１００１—９７３１（２００５）０９—１３１６—０４
１引言
随着科技的发展，红外探测器在军用技术、空间技术的研究与开发和国民经济各方面都发挥着日益重要的作用，尤其是中远红外波段探测器由于其军事战略意义引起人们越来越多的重视。目前，工作在这一波段的较为成熟的探测器材料主要是碲镉汞（ＭＣＴ）材料，但是，该材料存在着生长困难，均匀性差，隧穿电流大，俄歇复合率高等缺点，而且工作波长超过１２ｐｍ后，其性能急剧下降［１］。因此，人们一直在寻求更佳的探测器材料。近年来，ＩｎＡｓ／ＧａＩｎＳｂ应变层超晶格材料由于其在长波和超长波红外波段探测器应用的潜在优势而引起了广泛关注。与其它红外光电探测器材料相比，ＩｎＡｓ／ＧａＩｎＳｂ应变超晶格材料有以下特点［２’３］：（１）适中的电子属性，ＩｎＡｓ／ＧａＩｎＳｂ应变超晶格的电子有效质量为０．０３ｌｍ。，远大于ＨｇＣｄＴｅ的有效电子质量Ｏ．００９ｍ。。因此，超晶格结问的隧穿电流应比ＨｇＣｄＴｅ的小；（２）俄歇复合率低，载流子寿命长，在相同的性能指标下，其工作温度要较ＨｇＣｄＴｄ材料高；（３）吸收系数较大，与传统的ＨｇＣｄＴｅ材料相当；（４）探测波长易于调节，理论上其可以终止在２～４０ｐｍ的红外波长范围。
ＩｎＡｓ／ＧａＩｎＳｂ超晶格属于第Ⅱ类破隙型超晶格，其中ＩｎＡｓ层的导带低于ＧａＩｎＳｂ层的价带，使电子集中在ＩｎＡｓ层中，而空穴集中在ＧａＩｎＳｂ层中（见图１）。在ＩｎＡｓ层导带中最低的电子态和ＧａＩｎＳｂ层价带中分裂出的最高的重空穴态之间形成了超晶格材料的带隙。其带隙小于ＩｎＡｓ和ＧａＩｎＳｂ体材料的带隙，并随各层的厚度及Ｉｎ的含量而变化。从而，可以通过改变材料的参数来设计所需要的截止波长。更重要的是，由于存在３个可调节的参数（ＩｎＡｓ层和ＧａＩｎＳｂ层的厚度及Ｉｎ的含量），可以通过不同的超晶格参数来实现同一截止波长，这就给了设计者更大的选择空间，使其可以更自由地设计材料的能带结构，以提高其光电属性［４’５］。例如，我们可以选择第一重空穴带ＨＨｌ和第一轻空穴带ＬＨｌ间隔较大的材料，以有效的抑制俄歇复合过程，提高载流子寿命口］。
ＦｉｇｌＥｎｅｒｇｙｂａｎｄｄｉａｇｒａｍｏｆＩｎＡｓ／ＧａＩｎＳｂｓｕｐｅｒｌａｔ—ｔｉｃｅ
目前，ＩｎＡｓ／ＧａＩｎＳｂ应变超晶格材料在红外探测器领域内的研究和应用取得了很大的进展，已经利用分子束外延（ＭＢＥ）技术制备出工作在中红外和远红外波段范围内的光电探测器，有的器件的性能已经达到了相同工作波长的ＨｇＣｄＴｅ红外探测器的性能［引，最大截止波长已达３２ｐｍ［８］，这是ＨｇＣｄＴｅ红外探测器很难达到的。但是，ＩｎＡｓ／ＧａＩｎＳｂ超晶格在生长中面临着许多困难，制约着该材料的进一步发展和应用，其性能远未达到理论最佳值，其中主要原因之一就是该超晶格材料的界面处出现的原子交换和界面宽化等问题［９］。本文对该超晶格材料的界面结合方式进行了介绍，分析了界面反应过程的原因，并指出了生长中影响界面结构及材料性能的因素及相应的解决方法。
２ＩｎＡｓ／ＧａＩｎＳｂ应变层超晶格材料的界面类型
在ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ超晶格材料中，由于ＩｎＡｓ和ＧａＳｂ两层材料没有共用的原子，因此在界面处可以有不同的原子排列方式，从而形成两种相应的界面结合类型（见图２）。如果界面处的ＧａＳｂ层中的Ｓｂ原子和Ｉ一
?基金项目：国家自然科学基金委员会资助项目（５０２７２０１９）
收到初稿日期：２００５－Ｏｌ一１７收到修改稿日期：２００５一０５一ｌＯ通讯作者：李美成作者简介：邱永鑫（１９７２一），男，在读博士。主要从事光电薄膜材料的研究。
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