2.2.2　超晶格的原理与特点

超晶格由两种或两种以上半导体材料的周期性结构组成。构成其周期性结构单元的薄层通常在纳米级，相邻量子阱之间的耦合增强，超晶格材料能带结构发生分裂，形成“微带”，进而导致其电子结构和光电性质发生转变。通过改变超晶格周期结构中各层的厚度和组分，即可实现对超晶格材料能带结构的调节。根据超晶格周期结构中两种半导体材料的能带排列，超晶格材料可分为一类、二类和三类。InAs与GaSb因能带结构呈错列排布，是一种典型的二类超晶格。对InAs/GaSb二类超晶格材料体系而言，可通过设计InAs与GaSb层的厚度实现对超晶格材料禁带宽度的调制，使其对应的响应波长范围覆盖3～30μm，即实现对整个中红外和远红外波辐射信号的探测。

基于InAs/GaSb材料体系的二类超晶格制冷红外焦平面探测器的主要特点如下。

（1）响应波长范围可调：通过改变InAs和GaSb层的厚度，可实现超晶格响应波长在3～30μm范围内可调，可满足中波、长波、甚长波制冷红外焦平面探测的需求。

（2）器件暗电流低：通过调节超晶格能带结构，可实现材料能带中的轻重空穴分离，从而抑制俄歇复合。相比于碲镉汞材料，超晶格的电子有效质量更大，可以有效降低隧穿电流。因此，超晶格材料具有较低的暗电流。

（3）器件量子效率高：相比于量子阱红外探测器，超晶格制冷红外焦平面探测器对垂直入射光有强烈的吸收作用，具有较高的量子效率。

（4）易于实现多色器件制备：基于分子束外延技术实现超晶格材料的多层异质结器件结构的生长，从而实现多色制冷红外焦平面探测器的制备。

（5）均匀性好：超晶格材料的带隙是通过各层厚度而非组分调控的，其截止波长更易控制，因此通过分子束外延技术生长的超晶格材料具有极佳的均匀性，易于实现大面积红外焦平面阵列制备。

InAs/GaSb二类超晶格材料因具有上述诸多优点而成为第三代制冷红外焦平面探测器的优选材料，即可用于研制大面阵、高性能、高分辨、低功耗和低成本的中波、长波、甚长波、双色及多色制冷红外焦平面探测器。超晶格制冷红外焦平面探测器与碲镉汞、锑化铟、量子阱和量子点制冷红外焦平面探测器的特征对比见表2-7。