浙江大学研制x-y寻址型PbSe光电导焦平面阵列红外探测器

自20世纪80年代开始出现红外焦平面阵列（Infrared Focal Plane Arrays，IRFPA）技术，红外成像技术取得了长足的发展。目前研究得比较成熟的焦平面阵列（FPA）探测器主要是由InSb、HgCdTe（MCT）、QWIP和InAs/GaSbII类超晶格等材料制备的二维凝视型焦平面芯片。但是它们都需要在液氮制冷或更低温度下才能获得高的红外探测性能，因此提高红外探测器的工作温度是人们关注的重要问题之一。IV-VI族半导体化合物（PbS、PbSe和PbTe等）是另一类物理性质独特的中波红外探测材料，具有直接带隙、窄禁带宽度等特点，PbSe光电导探测器室温下就可以获得良好的红外探测能力，因此很适合制作室温下工作的FPA红外探测器。

近年来国内对于IV-VI族半导体的研究主要集中在异质结材料的光电特性上，但是目前国内还没有PbSe光电导FPA探测器的相关报道。

据麦姆斯咨询报道，近日，浙江大学物理学院的研究人员在《红外与毫米波学报》期刊上发表了题为“PbSe光电导焦平面阵列探测器”的最新论文，通过光电导探测器的理论模拟获得探测器的设计参数，研制了一种可在室温工作的8×8像素的x-y寻址型PbSe光电导焦平面阵列红外探测器，并测试和分析了器件室温下的光电响应性能和中波红外成像能力。像元尺寸为500μm×500μm，像元间距为500μm，500K温度黑体辐射和3.0V偏压下像元的黑体响应率的范围是70~146mA/W，平均响应率和平均探测率分别达到了110mA/W和5.5×10⁹cmHz1/2W⁻¹。像元的噪声等效温差（NETD）范围是15~81mK，平均噪声等效温差为32mK。为后续研制高密度像元PbSe FPA探测器奠定了基础。

PbSe FPA探测器的制备

PbSe FPA探测器的制备通过一系列微纳加工工艺完成，下面简述其工艺流程。（1）首先使用磁控溅射在PbSe薄膜材料上沉积200nm SiO2作为钝化层；（2）光刻并显影出8×8 FPA像元图案；（3）使用ICP设备干法刻蚀暴露区域的SiO2钝化层；（4）使用溴化氢和双氧水混合溶液湿法腐蚀PbSe；（5）光刻并显影出电极接触区域图案，干法刻蚀该区域的钝化层；（6）光刻并显影纵向电极图案，使用电子束蒸发沉积200nm金（Au），在丙酮溶液中完成剥离；（7）制作绝缘隔离区域：先使用磁控溅射沉积300nm SiO2，然后经过光刻、显影和干法刻蚀，留下（x，y）电极交叉处的SiO2；（8）光刻并显影横向电极图案，然后使用电子束蒸发沉积200nm金（Au），在丙酮溶液中完成剥离。

PbSe FPA探测器的性能表征

制备完成的PbSe FPA探测器使用单色光谱仪、黑体辐射源（HFY-200B）、脉冲激光等实验装置测试其光电响应性能，中波红外成像效果通过一个红外成像装置来演示。光电流谱的测量由光栅单色仪（Omni-λ 300）、电流放大器（SR570）和一个锁相放大器（SR830）组成的装置完成。脉冲激光响应测试使用高速放大器（DHPCA-100）将响应信号输出至数字示波器（TBS 1052B）显示并存储数据。图1（a-b）分别是探测器黑体响应测试和中波红外成像演示装置示意图。

图1 探测器性能表征装置示意图（a）黑体响应，（b）中波红外成像演示装置

制备的x-y寻址电扫描型PbSeFPA在光学显微镜下的照片如图2（a）所示，图2（b）为局部放大图。PbSe光电导FPA探测器的每个像元光敏面尺寸为500μm×500μm，像元间距为500μm。图2（b）中可以清晰地看到（x，y）电极交叉处SiO2绝缘层的轮廓。

图2 x-y寻址电扫描型PbSe光电导FPA探测器在光学显微镜下照片（a）FPA整体图像，（b）FPA的局部放大图案（横、纵电极交叉处方形区域为绝缘层）

使用响应光谱测试装置测量PbSe FPA探测器像元的光电流响应谱，在3.0V偏压和2μA/V的放大器增益下，典型的光谱响应如图3（a）所示，峰值响应波长在约3.5μm 处，长波截止波长约为4.3μm，与PbSe室温下禁带宽度（0.278eV）对应的截止波长相近。FPA像元的脉冲激光响应测试结果如图3（b）所示，脉冲激光的波长和功率分别为3.5μm和16mW。

图3 探测器的光电响应表征（a）像元的典型响应光谱，（b）像元的脉冲激光响应，（c）像元的黑体响应率随偏压变化，（d）像元的噪声电流谱

像元的响应率、探测率和噪声等效温差（NETD）等光电特性表征使用了黑体辐射源。测试像元黑体响应率时，固定黑体温度为227℃（500K），黑体辐射源的出射光阑孔径大小为1cm（直径），探测器与黑体出射光阑距离10cm。前置放大器的增益为2μA/V，使用功率计测得探测器所在位置的功率密度为12μW/cm²。改变像元的外加偏压，得到黑体响应率的变化如图3（c）所示，黑体响应率随外加偏压显示出良好的线性关系。在3.0V 偏压和500K温度黑体辐射下，测得所有像元的响应率的范围是70~146mA/W。使用噪声频谱仪测量探测器像元的噪声频谱，如图3（d）所示。像元的噪声水平表现相近，噪声电流密度低于1×10⁻¹²A/Hz1/2，计算出PbSe FPA像元的探测率为(3.5~7.3)×10⁹cmHz1/2W⁻¹，平均探测率为5.5×10⁹cmHz1/2W⁻¹。

图4（a）展示了FPA中像元响应率的分布。可以看到，响应率整体分布相对均匀，只有第1行和第8列响应率相对较低，但是探测器不存在响应率过低或噪声信号特别大的像元，因此有效像元率为100%。统计所有像元的响应率可以得到PbSe FPA像元的平均黑体响应率为Ri=110mA/W。使用如图1（a）所示的测试装置，设置黑体辐射源的温度分别为300℃和310℃，分别测得每个像元的输出响应信号，以响应电流信号的均方根作为噪声电流，计算得到所有像元的NETD的结果及分布见图4（b）。可以看到，像元的NETD范围是15~81mK，计算出平均NETD为32mK。其中PbSe FPA的第1行及第8列NETD偏大，与图4（a）所示的响应率分布表现是一致的。

图4 （a）FPA中像元响应率分布，（b）FPA中NETD分布

使用如图1（b）所示的红外成像系统，目标物体（电烙铁）辐射出的红外光经由两块凹面镜反射后被PbSe FPA探测器吸收，电烙铁和探测器都放置在反射镜的焦点处。探测器每次可以读取64（=8×8）个信号值，也就是一幅64像素的热成像图，如图5（a）所示。分别设置电烙铁的温度为350℃、400℃和450℃，每次采集4帧局部热成像图进行拼接，最终红外成像效果如图5（b）所示。PbSe FPA探测器对三个温度的电烙铁都实现了红外热成像，并且随着温度升高，图像对比度也更高。

图5 PbSe FPA探测器红外成像（a）局部热成像，（b）完整热成像图与实物对比

PbSe光电导焦平面阵列探测器具有易于加工、制造成本低等优点，其电极引线为多路复用，并且探测器在室温下就具有较高的探测率，中波红外成像演示也获得了良好的表现，拓宽了PbSe探测器的应用场景。但是由于电极引线属于外挂式，FPA的像元密度受到限制，因此制造大规模像元数量的FPA探测器比较困难。综合来看，PbSe FPA探测器在非制冷中波红外探测领域具有较大优势。

结论

理论分析了PbSe光电导红外探测器器件参数对光电响应的影响，应用PbSe薄膜材料制备了8×8像素的x-y寻址型PbSe光电导FPA探测器，像元尺寸为500μm×500μm，像元间距为500μm。使用单色光谱仪测试得到了像元的典型响应光谱，室温下长波截止波长约为4.3μm，峰值响应波长为3.5μm。通过黑体辐射源表征了探测器像元的光电响应性能，响应率范围是70~146mA/W，平均响应率和平均探测率分别达到110mA/W和5.5×10⁹cmHz1/2W⁻¹；像元的NETD范围是15~81mK，平均NETD达到32mK。除个别行列像元外，FPA的响应率和NETD分布比较均匀。在室温下，初步演示了探测器对350~450℃热辐射目标的红外热成像。小规模PbSe FPA探测器的成功制备，为后续制造更大规模和更高密度的PbSe FPA探测器打下了基础。

审核编辑 ：李倩