基于非平衡模式的碲镉汞高工作温度探测器

持续提高光子型红外探测器的工作温度是红外探测技术从第3代向第4代发展过程中的一个重要方向。将碲镉汞基红外焦平面探测器的工作温度提高到室温，以满足系统对红外探测器的小尺寸、轻重量、低功耗、高可靠性及高环境适应性等使用需求是当前亟待解决的问题。

为了提高红外探测器的工作温度，德国AIM、法国Lynred、英国Selex、美国Raytheon、美国TIS（Teledyne Imaging Sensor）等公司先后采用Hg空位n-on-p、非本征掺杂型n-on-p、p-on-n以及非平衡P＋/ν(π)/N＋等技术途径开展了高工作温度（HOT）器件的研制工作。

据麦姆斯咨询报道，近期，昆明物理研究所的科研团队在《红外技术》期刊上发表了以“基于非平衡模式的碲镉汞高工作温度探测器”为主题的综述文章。该文章通讯作者为孔金丞研究员级高级工程师，主要从事光电材料与器件的研究工作。

该文章回顾了当前国内外高工作温度碲镉汞红外探测器的技术路线和相应的器件性能，在碲镉汞器件暗电流的温度特性分析的基础上，讨论了基于非平衡工作模式的碲镉汞探测器的基本原理、器件结构设计和暗电流机制，探讨了吸收层全耗尽碲镉汞器件性能与器件结构参数、材料晶体质量的关系，明确了其技术要点和难点，展望了碲镉汞高工作温度器件技术的发展趋势。

非平衡模式器件结构及原理

俄歇抑制型器件

非平衡工作模式器件结构是在传统p-on-n结构的理论基础上逐渐发展出来的。如图1所示为传统p-on-n结构和非平衡工作模式器件结构在不同工作模式的碲镉汞器件掺杂浓度及能带示意图。

图1 不同工作模式碲镉汞器件能带示意图：（a）传统非俄歇抑制型p-on-n；（b）俄歇抑制型；（c）深度俄歇抑制型；（d）全耗尽型

图1（b）、（c）、（d）为非平衡模式P＋/ν(π)/N＋碲镉汞器件的能带结构图。在P＋/π/N＋结构中，P＋-π结形成排斥结，π-N＋结作为抽取结；在P＋/ν/N＋结构中，ν-N＋结形成排斥结，P＋-ν结形成抽取结。以P＋/ν/N＋为例，所谓的抽取结本质上就是p-n结，由低掺杂的吸收区v与高掺杂的P＋区组成，P＋区采用宽带隙材料，吸收层ν采用窄带隙材料。

由于内建电场的存在，吸收区的少子（空穴）扩散到结区会被快速抽取至P＋区，因此非平衡模式P＋/ν(π)/N＋碲镉汞器件可以有效实现俄歇抑制。在P＋/ν/N＋结构中，探测器吸收区处于非平衡模式，吸收区的载流子浓度远远低于本征载流子浓度（n＝Nd≪ni），从而达到俄歇抑制的效果。

吸收层全耗尽型器件

俄歇抑制型器件结构使得吸收层载流子浓度降低到非本征掺杂浓度从而抑制器件暗电流。当吸收层掺杂浓度进一步降低到背景浓度（～1013cm-3）时，在较小的偏压下吸收层完全耗尽，从而使得扩散电流被消除，此时器件暗电流受限于SRH产生-复合电流。若碲镉汞中SRH寿命足够长，光电二极管暗电流足够小，器件在近室温工作时仍能达到背景限性能（BLIP）。

图1（d）为吸收层全耗尽型器件结构。器件具有如下关键特征： （1）吸收层被宽带隙重掺杂的P＋层（Cap）和N＋层（Buffer）夹在中间以抑制暗电流的产生； （2）吸收层的n型掺杂浓度足够低，在适度的偏压下能够全耗尽；

（3）宽带隙P＋层用来抑制器件的隧穿电流及表面漏电流，降低表面态相关的低频噪声。

图2 不同浓度下实现碲镉汞中波5µm吸收层全耗尽所需偏压（注：中间插图为特定掺杂浓度下实现全耗尽需要的偏压）

非平衡模式器件技术研究进展

非平衡模式碲镉汞探测器在实现高工作温度方面具有较大的技术优势，自提出以来吸引了众多国外研究机构对其性能进行计算和仿真模拟，理论计算有助于通过能带工程进行器件结构优化设计，为该类型器件的制备奠定了基础。

国外研究进展

2007年，美国TIS的W. E. Tennant基于吸收层掺杂浓度1～3×1015cm-3的p-on-n结构器件暗电流测试结果，提出了扩散限碲镉汞器件性能预测模型Rule 07，Rule 07自提出以来就成为衡量红外探测器性能的一项重要指标，在碲镉汞红外探测器及ⅢⅤ族（XBn-InAsSb及二类超晶格）红外探测器性能预测和衡量方面得到广泛运用。随后，TIS进一步研究指出，俄歇抑制碲镉汞红外探测器暗电流水平远远优于Rule 07，如图3所示。

图3 截止波长10µm的俄歇抑制p-on-n探测器暗电流密度随温度变化曲线

由于目前的p-on-on技术难以实现对俄歇复合过程的有效抑制，限制了碲镉汞HOT器件的性能提升，吸收层全耗尽型探测器因此被提出。2019年，美国TIS的Donald Lee等人基于全耗尽型P＋/v/N＋器件暗电流机制对器件极限性能进行了理论分析计算，提出了新的性能评价标准，即Law 19。从图4可以看出，随着波长延长及温度升高，满足Law19条件的器件暗电流比满足Rule 07条件的器件表现出越来越明显的性能优势。

图4 不同组分下Law 19与Rule 07计算得到暗电流密度随温度变化曲线

全耗尽型探测器为了达到背景辐射电流限，吸收层的产生-复合电流需要足够低，即Jdep＝JRad。计算结果表明，在300K下短波、中波和长波达到背景限所需SRH寿命分别为15ms、150µs和28µs。这对材料晶体质量提出了严苛的要求，需要全面改进材料生长工艺，降低缺陷密度，提高晶体质量。

随后，2019年波兰军事技术大学Krzysztof JO´ Z´Wikowski等人也对其所设计的长波P＋/π(v)/N＋结构器件进行了数值模拟。2020年意大利都灵理工大学的Marco Vallone等人报道了俄歇抑制型非平衡模式器件性能模拟。2021年Antoni Rogalski 对高工作温度红外探测器极限性能进行了研究。

对以上相关计算和仿真模拟进行总结分析，为了进一步提升高性能碲镉汞探测器的工作温度，采用非平衡模式是未来的重要发展方向。然而要真正实现非平衡模式探测器的研制，除了通过能带工程进行器件结构优化设计外，目前在工程实现方面还存在很多难点，其中最主要的是高质量材料的制备和吸收层低浓度掺杂的实现。

在材料制备方面，非平衡模式碲镉汞器件为多层异质结，液相外延制备具有较大的困难，国际上多采用分子束外延（MBE）或金属有机气相沉积（MOCVD）技术，目前也取得了进展。

此外，非平衡模式碲镉汞器件关键之一是对吸收层掺杂浓度的控制，目前有很多国外研究对实现吸收层低浓度掺杂的研究以及相应探测器的性能进行了报道。英国Selex公司、美国DRS公司、美国TIS公司、美国ARL与EPIR、波兰华沙军事技术大学均对对非平衡模式碲镉汞器件技术进行了大量的理论与实验研究。

其中美国TIS公司在实现吸收层低浓度掺杂方面取得了良好的进展，从而提高了探测器的性能。总之，吸收层的低浓度掺杂是实现非平衡模式的关键点和难点，然而目前的进展较为缓慢，需要该领域的研究者开发更有效的技术实现进一步的突破。

国内研究进展

国内高工作温度碲镉汞探测器技术发展较为缓慢，目前正处于起步阶段。2017年昆明物理研究所（KIP）报道了基于Hg空位n-on-p技术的110K中波碲镉汞探测器的研制工。2020年华北光电技术研究所报道了基于非本征掺杂p-on-n技术的120K中波器件作。2020年武汉高德红外股份有限公司报道了基于n-on-p技术路线的120K中波探测器研制。

图5 国内主要研究机构报道高温碲镉汞器件性能

总结及展望

从碲镉汞HOT器件技术发展历程及其技术路线特点可以看出，最早得到发展的碲镉汞HOT器件基于Hg空位的n-on-p技术，通过优化材料晶体质量提高探测器工作温度，但受限于其自身Hg空位带来的深能级缺陷限制其工作温度的进一步提高。

Au掺杂n-on-p与Hg空位n-on-p技术相比在一定程度上提高了少子寿命使得红外探测器可以在更高的温度下工作，但工作温度进一步提升受制于不能对高温下本征载流子浓度进行有效抑制。碲镉汞HOT器件路线之三是非本征掺杂p-on-n技术，此技术路线在世界主流红外探测器机构得到大力发展且取得了较好的成绩，国内昆明物理研究所和华北光电技术研究所目前基于这一路线正在研发阶段，可以预见这一技术是未来几年国内重点发展的一个方向，但此技术在高温下仍缺乏对本征载流子浓度的有效抑制，限制其工作温度进一步提升。

第四条技术路线是nBn势垒型结构设计，理论上高温下能实现对多数载流子的有效阻断，从而可以较大地提升探测器工作温度，但由于该结构在碲镉汞体系下工程实现具有较大的困难，目前还难以进行实际应用。第五条技术路线就是基于非平衡模式P＋/π(v)/N＋器件，该结构通过多层异质结和不同掺杂浓度的有效结合形成抽取结及排斥结，在高温下能够有效实现载流子浓度的抑制，随着与之相关的工艺水平进一步提高，该技术路线近年来得到迅速发展。

非平衡工作模式P＋/π(v)/N＋器件理论已经提出30多年，相关基础理论较为成熟。早期主要受限于高质量多层异质结构材料生长工艺、材料背景杂质控制、低损伤器件制备工艺等技术难点，限制了HOT器件技术的发展和应用。近十多年来，随着材料与器件制备工艺的成熟，通过能带工程设计材料生长结构有效抑制隧穿电流，通过极低浓度的掺杂进一步实现吸收区的全耗尽，非平衡模式P＋/π(v)/N＋结构探测器有望实现近室温红外探测。

在非平衡模式碲镉汞器件研制方面，美国TIS公司通过吸收层低浓度掺杂及材料晶体质量控制，实现了2～5×1013cm-3范围掺杂浓度可控及长SRH寿命，报道了近室温的全耗尽型焦平面探测器。根据以上分析，未来实现碲镉汞高温探测器的近室温探测最有潜力的技术路线是吸收层全耗尽型器件。但目前只有TIS公司报道实现1013cm-3浓度掺杂，只有DRS及TIS报道了SRH寿命达ms量级的材料制备。要实现高性能近室温碲镉汞探测器的制备还有很多技术需要突破，可以预见未来基于全耗尽型碲镉汞HOT焦平面器件研制工作主要包括：（1）基于能带工程的器件结构优化设计技术；（2）实现可控的吸收层低浓度（1013cm-3）稳定掺杂技术；（3）高晶体质量低缺陷密度的异质结材料制备技术。

审核编辑：刘清