高工作温度p-on-n中波碲镉汞红外焦平面器件研究

当前，在新军事变革的推动下，制备大面阵、多光谱、高性能的第三代焦平面红外探测器成为了未来光电子器件发展的重要方向，对红外探测器组件提出了轻量、低功耗、高分辨、低噪声及高可靠性等更高的要求。碲镉汞（Hg1−xCdxTe）材料具有带隙可调，光吸收率高，响应光谱覆盖短波、中波、长波及甚长波波段的优点，一直是红外探测材料研究的重点。高工作温度碲镉汞红外探测器具有降低系统功耗、减小系统尺寸和重量、增加系统寿命等优点，可满足精确制导、单兵及无人平台光电系统、告警侦察等领域对高可靠性、高性能的低功耗焦平面探测器的需求。

1985年，Elliott等首次提出了高工作温度红外光子器件的概念；1999年，Donald等人提出了红外焦平面探测器低成本、高性能的发展思路。目前，国外Sofradir、AIM、DAR、Selex、Teledyne等公司已于近15年内先后报道了工作于150~250K温度的中波以及120~160K温度的长波碲镉汞红外焦平面探测器组件；国内武汉高德公司和华北光电技术研究所已于近两年报道了工作于120~130K温度的中波焦平面器件。至今，国内还未有150K以上工作温度的碲镉汞焦平面器件相关报道。

据麦姆斯咨询报道，近日，昆明物理研究所的研究人员在《红外与激光工程》期刊上发表了题为“高工作温度p-on-n中波碲镉汞红外焦平面器件研究”的最新论文，文中采用As掺杂工艺制备了p-on-n结构碲镉汞中波焦平面器件（阵列规模640×512、像元中心距15μm），测试了不同工作温度下的性能和暗电流。研究结果表明，在80K工作温度下，器件响应表现出高响应均匀性，有效像元率达99.98%；随着工作温度升高，器件盲元增多，当工作温度为150K和180K时，有效像元率降低至99.92%和99.32%。由于对器件扩散电流更好的抑制，器件在160~200K温度范围内的暗电流低于Rule-07。并且当工作温度在150~180K时（300K的背景下），器件具有较好的信噪比，极大程度地体现了高温工作的可行性。

焦平面器件制备

p-on-n结构中波碲镉汞焦平面器件通过光刻、离子注入、钝化、刻蚀、金属沉积、倒装互连等工艺制备而成，单元器件结构示意图如图1所示。其工艺流程简述如下：利用液相外延法（LPE）原位掺In制备的n型碲镉汞吸收层，控制其载流子浓度在5×10¹⁴~1×10¹⁵cm⁻³范围；在碲镉汞材料表面通过光刻获得640×512阵列、中心距为15μm的图形；使用离子注入工艺将计量为8×10¹⁴~2×10¹⁵cm⁻²的As注入到材料中，注入能量为300~400keV，通过两步退火法进行As离子的扩散激活以及电学参数的修复；再利用磁控溅射法在材料表面沉积CdTe和ZnS双层钝化层；然后通过光刻和湿法腐蚀工艺制备电极接触孔，并沉积Cr/Au/Pt/Au金属电极；最后将探测器芯片与读出电路倒装互连，获得像元尺寸15μm×15μm的640×512阵列p-on-n中波碲镉汞焦平面探测芯片组。

图1 碲镉汞p-on-n器件结构截面示意图

焦平面器件高温性能

将p-on-n中波碲镉汞焦平面器件封装于变温杜瓦中，测试其在80~200K温度下的性能。如图2所示，器件的NETD由11.5mK变化至25.5mK，其中，当温度达到150K后，NETD急剧增大。这是由于随着工作温度的升高，暗电流增大，1/f噪声逐渐增加，并且器件中材料的位错、汞空位等缺陷引起的噪声，以及材料的厚度和缺陷不均匀性引起的响应不均匀性显著增加，导致盲元增多。图3给出了80、120、150、180K温度下器件的盲元分布图，有效像元率分别为99.98%、99.97%、99.92%、99.32%，盲元的增多也意味着有效像元率下降（如图4所示）。当工作温度为150K时，器件盲元开始增多，有效像元率逐渐降低，然而器件在180K温度下的有效像元率仍然可以达到99.32%。器件性能随温度变化极易产生波动也说明器件现有的品质因子有待进一步提高，关键工艺有待进一步优化，从而保证p-on-n碲镉汞焦平面探测芯片性能随温度变化保持相对稳定。

图2 p-on-n中波碲镉汞焦平面器件在80~200K温度范围的NETD

图3 p-on-n中波碲镉汞焦平面器件在80~180K温度范围的盲元分布图

图4 p-on-n中波碲镉汞焦平面器件在80~200K温度范围的有效像元率

此外，对中波器件的暗电流进行了评估，如图5（a）所示，器件在150~200K工作温度之间暗电流的变化（图中红线为昆明物理研究所器件暗电流）接近Rule-07的水平，150K下（截止波长4.51μm）器件暗电流为0.75pA。

图5 150~200K工作温度下器件暗电流（a）和不同黑体辐射背景温度下光电流与器件暗电流对比关系图（b）

图5（b）所示为不同黑体背景温度下光电流（F/2，波长3.71~4.51μm，量子效率65%）与器件暗电流对比关系。可以看出，工作温度在150K、低温背景250K时，器件仍具有较好的信噪比。此外，从图6中可以看出，当工作温度在150~180K之间（30K的背景下），器件都具有较好的信噪比。

图6 器件在150~200K工作温度下的暗电流和300K黑体下的光电流

结论

As注入掺杂p-on-n碲镉汞技术是实现高工作温度红外焦平面器件的重要技术路线。文中通过研究p-on-n中波碲镉汞器件在不同工作温度下的性能指标，发现随着温度升高，NETD逐渐增加，有效像元率逐渐减小。在80~180K工作温度范围内，器件有效像元率均可达到99.32%及以上。当工作温度在150~180K时（300K的背景下），器件都具有较好的信噪比，极大程度地体现了高温工作的可行性。

论文信息：

doi: 10.3788/IRLA20220150

审核编辑 ：李倩