碲镉汞P-on-N红外探测器的器件结构设计

碲镉汞红外探测器典型工作温度为液氮温度77K，红外探测器对低温工作的需求极大地限制了它们的体积、质量、功耗、成本的控制，从而限制了红外探测器的应用。随着红外探测器技术的快速发展，使红外探测器通过提高工作温度，降低探测器的体积、质量、功耗、成本，实现探测器的小型化、低功耗、高性能成为可能，因此多种高工作温度红外探测器技术不断涌现，高工作温度成为红外探测器的重要发展方向。作为最近来发展起来的新型探测器，高工作温度碲镉汞红外探测器成为军事侦察、无人机、无人平台的重要探测器件。

据麦姆斯咨询报道，近期，华北光电技术研究所宋淑芳、黄来玉和田震在《激光与红外》期刊上发表了以“高工作温度碲镉汞红外探测器研究进展”为主题的综述文章。

这项研究阐述了高工作温度碲镉汞红外探测器的基本原理，重点介绍了碲镉汞P-on-N红外探测器的器件结构设计，并且对美国Raytheon、法国Sofradir、德国AIM、美国Teledyne、美国DRS等公司的研究进展进行了综述性介绍。

典型高工作温度红外探测器的研发过程

碲镉汞红外探测器是将混成芯片封装在微型杜瓦内部，采用制冷机提供所需冷量，将混成芯片降温至设定的工作温度时，工作温度保持稳定状态，由外部电路供电，驱动探测器组件工作。由于制冷机的体积、质量和功耗占据整个红外探测器主要部分，因此降低红外探测器的体积、质量、功耗实际上是主要降低制冷机的体积、质量和功耗，通过提高红外探测器工作温度，降低对制冷机冷量的要求，从而达到降低制冷机的体积、质量和功耗，从而实现探测器的小型化、低功耗、高性能。

红外探测器在探测过程中，器件的光电流大于暗电流，才能实现目标探测，而器件的暗电流是与探测材料、器件结构、工作温度等因素密切相关，一般来说，提高工作温度，暗电流将按指数形式增加，因此在探测材料不变的情况下，需要改变器件结构来降低暗电流，实现工作温度的提高。碲镉汞P-on-N红外探测器的器件结构设计就是针对传统N-on-P碲镉汞红外探测器在暗电流控制方面的不足提出的，器件结构采用同质结和异质结两种形式。

Raytheon公司的高工作温度碲镉汞红外探测器器件结构示意图

在国内外研究进展中，这项研究介绍了美国Raytheon公司、法国Sofradir、德国AIM、美国Teledyne、美国DRS等公司在高工作温度碲镉汞探测器的研发进展。

Sofradir高工作温度中波红外探测器的研发过程

AIM公司的高工作温度碲镉汞红外探测器研发过程

Teledyne公司的高工作温度碲镉汞红外探测器器件结构

目前高工作温度长波碲镉汞探测器组件仍处于产品研发阶段，欧美国家主要机构基本上采用P-on-N器件结构技术研制高工作温度长波碲镉汞探测器组件，其中法国Sofradir和德国AIM公司采用As离子注入同质结的技术，该技术路线采用平面工艺，与传统N-on-P兼容性好，适合于高温中波探测器的制备，但是As离子激活难度大，激活率不高，影响长波器件性能的提升。而美国Teledyne公司研究机构则采用MBE方法制备的双层平面异质结结构（DLPH），这种技术路线仅得到了理论的计算结果，没有后续的产品报道。

在国家的支持下，“十三五”期间我国开展高工作温度碲镉汞焦平面技术，以及P-on-N甚长波碲镉汞焦平面技术研究，采用As掺杂台面异质结和As注入平面同质结两种技术路径制备P-on-N型碲镉汞探测器，具有一定基础。

与国外的高工作温度探测器研制水平相比，目前我国的高工作温度红外探测器处于研发的起步阶段。P-on-N平面同质结、P-on-N台面异质结的碲镉汞探测器制备技术在中波-甚长波的研究突破了一些关键技术，但是高温器件的研究还处于起步阶段，技术基础薄弱。高温工作是红外探测器的发展趋势，为满足国防科技事业对高工作温度碲镉汞红外探测器日益增长的需求，开展高工作温度碲镉汞红外探测器的研究势在必行。利用P-on-N台面异质结结构的优势，大力发展P-on-N台面异质结碲镉汞红外高温器件，实现红外探测器高性能、小尺寸、低功耗、低重量（SWAPs）的应用要求，为国防建设奠定基础。

审核编辑 ：李倩