甚长波碲镉汞红外焦平面探测器

李雄军; 邹雷; 赵鹏; 杨超伟; 熊伯俊; 王向前; 张应旭; 刘艳珍; 李红福; 赵榆松; 张绍裕; 李立华; LI Xiong-Jun; ZOU Lei; ZHAO Peng; YANG Chao-Wei; XIONG Bo-Jun; WANG Xiang-Qian; ZHANG Ying-Xu; LIU Yan-Zhen; LI Hong-Fu; ZHAO Yu-Song; ZHANG Shao-Yu; LI Li-Hua

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1. 昆明物理研究所，云南昆明 650223； 2. 中国人民解放军63963部队，北京 100072

中图分类号： TN215

最近更新：2023-01-17

DOI：10.11972/j.issn.1001-9014.2022.05.004

摘要

采用砷离子注入p-on-n平面结技术制备了77 K工作温度下截止波长分别为13.23 μm和14.79 μm、像元中心距为25 μm的甚长波640×512探测器，并对其基本性能和暗电流进行了测试和分析。结果表明，对于截止波长为13.23 μm的甚长波640×512（25 μm），器件量子效率为55%，NETD平均值为21.5 mK，有效像元率为99.81%；对于截止波长为14.79 μm的甚长波640×512（25 μm），器件量子效率为45%，NETD平均值为34.6 mK，有效像元率为99.28%。这两个甚长波器件在液氮温度下的R₀A分别为19.8 Ω·cm²和1.56 Ω·cm²，达到了“Rule07”经验表达式的预测值，器件噪声主要受散粒噪声限制，显示出了较好的器件性能。

关键词

甚长波; p-on-n; 碲镉汞; 焦平面探测器; R₀A

引言

随着空间应用的持续升温，空间技术的发展牵引了甚长波红外探测器的研制和应用研究，并在太空观测、对地观测以及气象研究等方面得到了越来越多的关注。探测器的响应光谱延拓到甚长波段将对材料的组分均匀性和缺陷密度以及器件的量子效率和暗电流提出了很高的要求^［

1］。

汞空位掺杂碲镉汞n-on-p技术由于工艺简单成熟，器件性能稳定可靠而被法国Sofradir、德国AIM以及国内相关研究机构用于碲镉汞红外焦平面器件的研制和生产。Sofradir的O.Gravrand等^［

2-3］也采用该技术成功研制了50 K工作温度下截止波长分别为14.8 μm和18.0 μm、像元中心距为30 μm的320×256碲镉汞探测器。器件有效像元率大于99%，响应非均匀性小于3%，显示出了较佳的器件性能。然而，汞空位除了作为受主电离产生空穴外，还在带隙内引入复合中心，降低少子寿命，使器件暗电流增加^{［参考文献 4

百度学术}4］。这对低背景应用以及较高工作温度下的器件性能具有很大的限制。

随后，Sofradir^［

3，5］和AIM^{［参考文献 6-9}6-9］开始转向非本征掺杂碲镉汞n-on-p技术的研究，受主杂质主要为Au、Cu以及Ag等。这些受主杂质电离提供空穴，且不会产生复合中心，有效提高了少子寿命，相应的器件暗电流水平较汞空位掺杂器件降低约1个数量级。但是，C.Leroy等^{［参考文献 5

百度学术}5］研究发现非本征掺杂n-on-p技术的工艺重复性以及所制备器件的可靠性均较汞空位掺杂n-on-p技术差。因此，Sofradir终止了非本征掺杂碲镉汞n-on-p技术的研究，转而进行碲镉汞p-on-n技术的研究和开发^{［参考文献 3

百度学术}3，10-11］。AIM则在较长的一段时间内对非本征掺杂n-on-p技术情有独钟，进行了执着的研究，并成功研制了55 K工作温度下截止波长为14.7 μm、像元中心距为40 μm的256×256碲镉汞探测器^{［参考文献 6

百度学术}6］和55 K下截止波长为14.4 μm、像元中心距为40 μm的112×112碲镉汞探测器^{［参考文献 7

百度学术}7］。此外，K. U. Gassmann等^{［参考文献 8-9}8-9］对该技术进行了进一步优化，所制备的80 K下截止波长约为11 μm的器件暗电流水平一度低于W. E. Tennant^{［参考文献 12

百度学术}12］提出的“Rule 07”经验值。然而，通过控制非本征掺杂浓度提高少子寿命的方法存在较大的局限，特别是将p型载流子浓度稳定可控地降低至小于1.0×10¹⁵ cm^-3具有很大的困难^{［参考文献 13

百度学术}13］，因此近年来AIM也开展了碲镉汞p-on-n技术的研究^{［参考文献 13-15}13-15］。

碲镉汞p-on-n技术由于n型吸收层少子寿命长，使得器件具有约低于汞空位掺杂器件2个数量级的暗电流水平；同时，作为多数载流子的电子迁移率高，使得器件串联电阻较小。因此，该技术特别适用于较大面阵甚长波器件的研制。Sofradir的N. Baier等^［

10-11］采用As离子注入p-on-n平面结技术成功研制了77 K工作温度下截止波长为12.3 μm、像元中心距为30 μm的320×240碲镉汞探测器。该器件有效像元率大于99%，NETD为22.9 mK。此外，还研制了77 K下截止波长为15 μm、像元中心距25 μm的384×288碲镉汞探测器。该器件在70 K工作温度下有效像元率大于99%，50 K下器件NETD为26 mK，显示出较好的器件性能。此外，美国Boeing^{［参考文献 16

百度学术}16］、Raytheon^{［参考文献 17

百度学术}17］以及BAE^{［参考文献 18

百度学术}18］等机构也开展了甚长波探测器的研制。近几年，国内主要从事红外探测器研制的单位也开展了相关的研究工作，但与国外水平相比仍存在较大的差距。本文基于液相外延（LPE）生长的甚长波碲镉汞薄膜，采用As离子注入p-on-n平面结技术研制了不同截止波长的甚长波碲镉汞焦平面探测器，并对器件性能进行了相应的表征和分析，结果显示器件性能已达到与国外技术水平相当的状态。

1 实验

1.1　器件制备

实验所用的碲镉汞材料通过LPE技术在碲锌镉衬底上生长得到，在生长过程中通过原位掺铟实现n型掺杂，掺杂浓度5×10¹⁴~1×10¹⁶ cm^-3，薄膜厚度12~16 μm，Cd组分x分别为0.205和0.198。p型掺杂则通过砷离子注入以及注入后富汞条件下两步退火实现。第一步富汞条件下高温退火激活砷离子并对注入损伤进行修复；随后第二步富汞条件下低温长时间退火将填充材料生长、砷离子注入以及第一步高温退火过程中产生的汞空位，还原铟掺杂n型吸收层，同时实现p-on-n器件结构，如图1所示。接着干法刻蚀欧姆接触孔、沉积金属电极，并通过铟柱与读出电路倒装互连实现了像元中心距25 μm、甚长波640×512探测器的制备。为了提高器件的可靠性，将碲锌镉衬底完全去除，并沉积背增膜以增强红外辐射的入射。

图1 碲镉汞p-on-n器件结构示意图

Fig. 1 The schematic diagram of HgCdTe p-on-n device

1.2　器件测试

在碲镉汞p-on-n器件制备过程中将电极成型后的器件置于低温探针台系统，液氮制冷至约77 K后采用Keysight B1500A进行I-V测试。

将完成衬底去除和背增膜沉积的甚长波640×512探测器芯片封装入中测杜瓦，冷屏F#数为2，液氮制冷到约77 K后采用德国布鲁克V70傅里叶变换红外光谱仪对器件进行光谱响应测试。随后分别对着20 ℃和35 ℃的面源黑体，调节积分时间至半阱状态对焦平面器件的基本性能进行了测试。最后，在0°视场（0FOV）条件下对液氮温度下器件的暗电流及相应的噪声进行了测试分析。

2 结果与讨论

2.1　p-on-n器件I-V特性

图2和图3分别为甚长波碲镉汞p-on-n器件在线I-V测试曲线和对应的器件微分阻抗随偏压的变化关系。其中插图为77 K下截止波长约为10 μm的碲镉汞n-on-p器件I-V和R-V曲线作为对比。由于p-on-n和n-on-p器件极性不同，其电流随偏压的变化关系相反。此外，如图2所示，n-on-p器件微分阻抗从-50 mV到-250 mV，降低大于1个数量级，而p-on-n器件从50 mV到250 mV，微分阻抗未发生明显变化，表现出类似“平台”特征。这是由于长波碲镉汞n-on-p器件中电子的碰撞电离阈值较低，在较小的偏压下就可能经历一定的雪崩倍增过程而使得器件阻抗随反偏出现较大的变化^［

3］。p-on-n器件的少子为空穴，本身质量较大且不易在外加电场中获得较大的能量，故不易与晶格发生碰撞电离。大于250 mV后，器件微分阻抗随偏压出现快速降低则是由于隧道电流所致。

图2 碲镉汞p-on-n器件的I-V特性

Fig. 2 I-V characteristics of HgCdTe p-on-n device

图3 碲镉汞p-on-n器件的R-V特性

Fig. 3 R-V characteristics of HgCdTe p-on-n device

2.2　焦平面器件光谱响应

图4为采用不同Cd组分碲镉汞材料制备的甚长波640×512（25 μm）p-on-n探测器中心区域像元在77 K工作温度下的归一化相对光谱响应曲线。Cd组分x为0.205的器件和Cd组分x为0.198的器件后截止波长分别为13.23 μm和14.79 μm。

（a）

（b）

图4 77 K下碲镉汞p-on-n器件归一化光谱响应：（a）Cd组分x为0.205，（b）Cd组分x为0.198

Fig. 4 The normalized spectral response of HgCdTe p-on-n device at 77 K：（a） x_Cd=0.205， and （b） x_Cd=0.198

2.3　焦平面器件基本性能

对于Cd组分x为0.205的甚长波640×512（25 μm）探测器，积分时间调节至60 μs，器件达到半阱状态。图5为器件响应率灰度图，响应率非均匀性为8.15%，器件量子效率为55%。图6为器件NETD直方图，平均值为21.5 mK。按照国标有关盲元判定标准（即超出±50%平均响应率或大于2倍平均噪声的像元定义为盲元），该探测器有效像元率为99.81%，显示出了较好的器件性能。

图5 77 K下x_Cd=0.205的甚长波器件响应率灰度图

Fig. 5 Responsivity pixel map for a VLWIR FPA with x_Cd=0.205 at 77 K

图6 77 K下x_Cd=0.205甚长波器件NETD直方图

Fig. 6 NETD histogram for a VLWIR FPA with x_Cd=0.205 at 77 K

Cd组分x为0.198的甚长波640×512（25 μm）探测器达到半阱的积分时间为40 μs。器件响应率灰度图如图7所示，响应率非均匀性为12.64%，器件量子效率为45%。图8为器件NETD直方图，平均值为34.6 mK。按照国标有关盲元判定标准，该探测器有效像元率为99.28%。

图7 77 K下x_Cd=0.198的甚长波器件响应率灰度图

Fig. 7 Responsivity pixel map for a VLWIR FPA with x_Cd=0.198 at 77 K

图8 77 K下x_Cd=0.198甚长波器件NETD直方图

Fig. 8 NETD histogram for a VLWIR FPA with x_Cd=0.198 at 77 K

为了进一步研究器件性能，以达到半阱状态下的积分时间保持不变，在探测器尚未开启的Gpol点采集噪声值。结合探测器半阱下的噪声测试值，按照式（1）计算得到单纯的器件噪声测试值。

v_{n 3} = \sqrt[]{v_{n 1}^{2} - v_{n 2}^{2}}

（1）

式中，v_n1为探测器半阱下的噪声测试值，v_n2为读出电路和测试系统噪声总和，v_n3为单纯的器件噪声测试值。

根据半阱下探测器直流电平测试值和积分时间计算得到器件总电流。按照式（2）散粒噪声形式计算获得器件噪声理论值。

v_{n 3 理论} = \sqrt[]{2 q I_{总} Δ f} \cdot \frac{T_{i n t}}{C}

（2）

式中，v_n3理论为器件噪声理论值，q为电子电量，I_总为器件总电流，Δf为测试带宽，T_int为积分时间，C为积分电容。

图9和图10分别为Cd组分x为0.205的器件和Cd组分x为0.198的器件单纯器件噪声测试值和理论计算值的对比。这两个器件平均噪声测试值与理论计算值的均值之比分别为1.032和1.045，表明器件主要受器件电流的散粒噪声限制，具有较好的器件性能。

图9 77 K下x_Cd=0.205的甚长波器件测试噪声与电流散粒噪声分布

Fig. 9 Measured noise and current shot noise distributions for a VLWIR FPA with x_Cd=0.205 at 77 K

图10 77 K下x_Cd=0.198的甚长波器件测试噪声与电流散粒噪声分布

Fig. 10 Measured noise and current shot noise distributions for a VLWIR FPA with x_Cd=0.198 at 77 K

2.4　焦平面器件暗电流

在0FOV条件下，对77 K工作温度下不同组分的甚长波器件进行了暗电流测试。为了减小测试误差，分别采集了半阱状态和短积分时间（10 μs）下的直流电平值，通过半阱状态下器件电平减去10 μs短积分时间下电平计算得到器件的暗电流。图11和图12为Cd组分x=0.205的器件暗电流灰度图和相应的直方图。器件左右两半部分区域的暗电流水平存在一定的差异，这可能与材料组分偏差和碲镉汞/背增膜界面状态有关。器件暗电流均值为2.6 nA，根据式（3）计算得到器件R₀A为19.8 Ω·cm²。

R_{0} A = \frac{k_{B} T}{q J_{d a r k}}

（3）

式中，R₀为器件零偏阻抗，A为结面积，k_B为玻尔兹曼常数，T为工作温度，J_dark为器件暗电流密度。

图11 77 K下x_Cd=0.205甚长波器件暗电流灰度图

Fig. 11 2-dimentionnal map of dark current for a VLWIR FPA with x_Cd=0.205 at 77 K

图12 77 K下x_Cd=0.205甚长波器件暗电流直方图

Fig. 12 Dark current histogram for a VLWIR FPA with x_Cd=0.205 at 77 K

图13和图14为Cd组分x=0.198的器件暗电流灰度图和相应的直方图。器件暗电流分布同样存在差异，且更换冷屏后芯片左侧出现了一条裂纹。器件暗电流均值为26.6 nA，根据式（3）计算得到器件R₀A为1.56 Ω·cm²。

图13 77 K下x_Cd=0.198甚长波器件暗电流灰度图

Fig. 13 2-dimentionnal map of dark current for a VLWIR FPA with x_Cd=0.198 at 77 K

图14 77 K下x_Cd=0.198甚长波器件暗电流直方图

Fig. 14 Dark current histogram for a VLWIR FPA with x_Cd=0.198 at 77 K

将测试获得的不同组分器件R₀A值与不同研究机构研制的长波和甚长波器件在液氮温度下R₀A值进行汇总比较。如图15所示，目前制备的甚长波器件R₀A值和“Rule07”经验表达式的预测值相当，表明器件已达到较高的性能水平。

图15 液氮温度下各研究机构研制的长波和甚长波器件R₀A值随截止波长的关系

Fig. 15 The relationship between R₀A value and cutoff wavelength of LW and VLW devices developed by various research institutions at liquid nitrogen temperature

2.5　焦平面器件成像演示

对封装在液氮中测杜瓦的Cd组分x=0.205的甚长波640×512（25 μm）探测器前置长波镜头后进行了初步成像演示。经过非均匀性校正和盲元替换，器件成像照片如图16所示，衣服上的手掌印清晰可见，显示出较好的成像效果。

图16 77 K下x_Cd=0.205甚长波器件成像演示

Fig. 16 Imaging demonstration of a VLWIR FPA with x_Cd=0.205 at 77 K operating temperature

3 结论

本文采用Cd组分x分别为0.205和0.198的碲镉汞LPE材料，通过砷离子注入p-on-n平面结技术制备了像元中心距为25 μm的甚长波640×512探测器。在液氮温度下对器件响应光谱、基本性能以及暗电流水平进行了测试和分析。结果表明，Cd组分x为0.205的甚长波探测器后截止波长为13.23 μm，响应率非均匀性8.15%，器件量子效率55%，NETD平均值21.5 mK，有效像元率为99.81%；Cd组分x为0.198的甚长波探测器后截止波长为14.79 μm，响应率非均匀性12.64%，器件量子效率45%，NETD平均值34.6 mK，有效像元率为99.28%。77 K工作温度下，截止波长为13.23 μm和14.79 μm的甚长波器件R₀A分别为19.8 Ω·cm²和1.56 Ω·cm²，达到了“Rule07”经验表达式的预测值，器件噪声主要受散粒噪声限制，显示出了较好的器件性能。

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