在眾多紅外材料體系中，InAs/GaSb二類超晶格（T2SL）被視為碲鎘汞（MCT）最具潛力的替代方案，具備帶隙靈活可調、組分均勻性好、俄歇復合速率低、制備成本可控等優勢，已發展出pπMn、nBn、pBn等多種成熟器件結構。然而，要實現高性能寬帶二類超晶格探測器，仍面臨兩大核心挑戰：其一，針對中紅外設計的窄帶隙材料，對可見光的吸收系數極大，光子僅能在極淺的表面區域被吸收，該區域表面復合嚴重且缺乏漂移電場，光生載流子難以被有效收集，導致可見光波段量子效率極低；其二，難以在可見光至中紅外的極寬光譜范圍內同時實現高效光耦合，傳統增透膜或單一光學諧振腔通常僅針對特定波段優化，可見光與紅外光的光程、干涉條件差異巨大，耦合效率必然存在權衡。因此，如何在不犧牲暗電流性能的前提下，通過光學結構設計實現可見光至中紅外的寬譜高效吸收，是二類超晶格寬帶探測器發展的關鍵技術瓶頸。
二類超晶格光電探測器的設計及制備
該器件采用背照式pπMn架構，整體外延結構通過分子束外延生長于n型GaSb襯底之上，從襯底向上依次為1 μm n型GaSb緩沖層、1 μm n型InAsSb腐蝕停止層、0.5 μm n型底部接觸層、0.5 μm輕摻雜M結構勢壘層、2 μm輕p型InAs/GaSb超晶格吸收層以及0.5 μm p型頂部接觸層。其中M結構勢壘可有效抑制暗電流，是器件實現高工作溫度的電學基礎。
圖1 器件結構與表面表征
這種漏斗形微孔結構并非簡單的光捕獲形貌，而是兼具三重光學功能：（1）漸變折射率減反；（2）多次內反射增程；（3）激發導模共振。
二類超晶格光電探測器光學模式調控與參數優化
由金屬層與光柵層構成的FP、GMR夾層結構，會使入射至諧振腔內部的光發生干涉。當入射光波長與諧振腔預設諧振波長相匹配時，會產生相長干涉，進而在該諧振波長處實現信號增強。為系統研究光柵結構在當下銻基二類超晶格光電探測器中的設計機理與應用潛力，研究團隊采用時域有限差分（FDTD）法，對集成諧振腔與未集成諧振腔兩種器件的光學性能開展數值仿真關結果如圖2所示。研究團隊還系統掃描了光柵深度、占空比、周期三個關鍵參數對吸收特性的影響規律。
圖2 共振光學特性與參數調優
圖3 電場仿真與角度依賴性
二類超晶格光電探測器的光電性能
受背照式光電探測器可制備均勻光柵陣列的成熟高精度工藝，以及GMR帶來的光捕獲增強效果啟發，研究團隊研制了兩款金屬反射層結構互不相同的寬帶光電探測器，具體結構如圖4c所示。方案1的金屬層完整覆蓋原有頂部接觸層，方案2則采用由底層扇出結構延伸形成的金屬層，兩款器件均搭載完全一致的光柵結構。研究團隊對這些器件開展了系統的光電性能測試，相關結果如圖4所示。
圖4 寬帶光電探測器性能
研究團隊在不同溫度條件下完成了對器件的暗電流測試，建立了噪聲等效溫差（NETD）仿真模型，系統研究了高溫工作環境中各類暗電流組分的變化規律，相關結果如圖5所示。NETD的定量仿真件級的性能增益轉化為了系統級的成像價值，直觀證明了光學增強技術是提升紅外焦平面高溫工作性能、降低制冷系統功耗與體積的有效手段。
圖5 暗電流特性表征與探測性能
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