但也正由于所有物体都有红外辐射，因此在探测时存在着巨大的背景噪声，导致红外探测器的探测率和响应度下降，虚警率高。提高红外探测器的探测率和响应度，获得高增益的红外探测是该领域的研究热点。
在之前的研究中人们已经对碲镉汞、氧化钒和非晶硅材料进行了广泛的研究。近年来，由于零带隙或者窄带隙的二维材料也可应用于红外探测器，新原理新器件层出不穷。然而，目前基于这些新材料体系的红外探测器仍需克服材料的大面积均匀性、提高器件的量子效率和增益等问题。
近日，美国西北大学量子器件中心的研究人员利用II类超晶格的能带结构易于调控的优点，通过能带结构工程实现了高增益的异质结晶体管(HPT)型长波红外探测器。
图1 红外辐射艺术效果图
该成果以 Band-structure-engineered high-gain LWIR photodetector based on a type-II superlattice 为题发表在Light: Science & Applications 。
文中采用的锑化物InAs/GaSb二类超晶格材料具有二型能带结构，电子有效质量大，俄歇复合率低，波长调节范围大(约3-30微米)，材料均匀性好，成本低，在中波及长波波段与碲镉汞探测器性能相当，在甚长波波段则有较大优势。
研究者利用经验紧束缚近似法设计了npn型的长波红外超晶格能带结构，如图2(a)所示。由于InAs/GaSb II类超晶格的能带可通过超晶格中每一层的厚度和超晶格周期进行调控，根据理论模拟结果通过分子束外延技术制备了如图2(b)所示的超晶格结构。
图2 II类超晶格红外探测器能带结构示意图(a) 材料结构示意图(b)
在该结构中，宽带隙的n型InAs/GaSb/AlSb/GaSb 超晶格结构作为发射极(图2中标注为1, 2)，p型的InAs/GaSb超晶格结构作为基极(图2中标注为3)和窄带隙的n型InAs/GaSb超晶格结构作为集电极(图2中标注为4和5)，形成npn(名词解释 >)结构的晶体管。上述结构经过台面腐蚀和电极制备等器件工艺后，获得红外探测器。
由于发射极采用了更宽带隙的InAs/GaSb/AlSb/GaSb超晶格，在发射极和基极之间形成了高达330meV的价带阶，从而把空穴限制在基极层，同时调制了导带的电子势垒，使电子可以隧穿到收集极(如2图中红色箭头所示)，当施加外加偏压时，也提高了电子的漂移速度，进一步抑制了电子和空穴的复合几率，从而实现高的光增益。
当基极电压为220mV时，红外探测器在6.8μm处获得峰值响应为1228A/W，如图3所示。
图3 红外探测器的光谱响应图
研究结果还表明，与作者已报道的nBn型红外探测器相比，该探测器的探测率提高了30倍，如图4所示。随着外加电压增加到220mV，光增益值逐渐增加到276，而电压继续增加光增益值趋于饱和。
图4 红外探测器的探测率谱
上述利用能带结构调制的原理，设计并制备高增益的红外探测器，为今后红外探测器在快速响应和焦平面成像等领域的设计和实践提供了新思路。
作者：Joule(哈工大副教授)
