高温碲镉汞中波红外探测器的国内外进展

周连军，韩福忠，白丕绩，舒 畅，孙 皓， 王晓娟，李京辉，邹鹏程，郭建华，王琼芳



高温碲镉汞中波红外探测器的国内外进展

周连军，韩福忠，白丕绩，舒 畅，孙 皓， 王晓娟，李京辉，邹鹏程，郭建华，王琼芳

（昆明物理研究所，云南 昆明 650223）

介绍了欧美发达国家在高工作温度碲镉汞中波红外探测器上的工艺技术路线及典型产品技术指标。对昆明物理研究所研制的基于标准n-on-p（Hg空位掺杂）工艺的中波640×512（15mm）探测器进行了高工作温度性能测试，测试结果显示器件性能基本达到国外产品的同期研制水平。

碲镉汞；高工作温度；红外探测器；标准n-on-p工艺

0 引言

降低成本、减小尺寸、提高性能是当前碲镉汞红外探测器研究的推动因素。近十年来随着红外领域技术的发展，欧美发达国家提出了一个新的概念SWaP（size, weight and power），用于指代尺寸、重量和功耗。而后又逐渐演变为SWaP-C（SWaP and cost）及SWaP3（SWaP and performance, price）[1-2]。

针对高性能探测器，在系统应用中引入SWaP概念可以在保持探测器现有性能或更好性能的前提下，减小系统的尺寸、重量、功耗、价格并提高可靠性；拓展其应用领域（例如应用于手持、瞄具、微型无人机等）。实现SWaP的途径有：一是提高工作温度（HOT）；二是减小像元中心距（small pixel pitch），并将两者有机地结合起来。

HOT探测器的关键技术途径是降低暗电流。暗电流与光电二极管的物理特性、掺杂、寿命（俄歇复合、SRH（Shockley-Read-Hall）复合等）直接相关，并取决于器件结构：标准n-on-p（汞空位掺杂）、n-on-p（非本征掺杂）、p-on-n（非本征掺杂）、同质结、异质结等。HOT（high operating temperature）工作带来的主要问题是缺陷增多从而产生更大的低频噪声。因此研制HOT探测器需要有非常高质量的材料，同时还需要掌握成熟的器件工艺技术（表面钝化、退火、刻蚀、倒装互连等工艺）[3]。

1 欧美碲镉汞中波HOT探测器的发展

HOT探测器是欧美不同厂商不同技术路线共同的目标，在红外领域扮演着越来越重要的角色，HOT探测器的优势如图1所示。法国Sofradir公司和美国Teledyne公司采用的是p-on-n技术路线，其中Sofradir采用基于LPE技术的As注入平面结工艺，Teledyne采用基于LPE或MBE技术的As掺杂双层异质台面结工艺。德国AIM公司、英国Selex公司和美国DRS公司采用的是n-on-p技术路线，其中AIM采用基于非本征Au掺杂LPE技术的平面结工艺，Selex采用基于非本征掺杂MOVPE技术的异质台面结工艺，DRS采用基于非本征掺杂HDVIP（high density vertically integrated photodiode）工艺。

图1 高工作温度碲镉汞探测器

1.1 法国Sofradir公司

2008年Sofradir公司发布了像元中心距15mm，基于标准n-on-p工艺的两款中波SWaP产品[4]，如表1所示。

中波探测器截止波长与工作温度的关系如图2所示。当工作温度为160K，而且光谱响应范围满足3.7～4.8mm时，探测器截止波长在80K时必须保证达到5.3mm。

研究表明当工作温度超过100～110K时，基于标准n-on-p工艺的中波探测器NETD性能开始下降。为持续提升工作温度，由Sofradir与CEA/Leti共同组成的DEFIR联合实验室开展了相关的技术攻关工作，主要如下述两方面：

图2 中波碲镉汞材料截止波长与工作温度的关系

1）针对标准n-on-p工艺的技术改进

通过显著降低缺陷来减少1/噪声进而大幅度增加工作温度。减少缺陷来源主要是两点：非常高质量的材料（碲锌镉衬底及外延碲镉汞薄膜材料）；各光伏器件工艺步骤的精确优化。

2009年Sofradir公司发布的工艺优化后HOT Scorpio中波探测器产品[5]，配接RM2旋转式斯特林制冷机，测试数据如图3所示。当工作温度为130K时，截止波长（c）为5.07mm（80K时，c为5.3mm），NETD约为20mK（50%势阱填充），盲元率小于0.4%；随着工作温度增加，暗电流将增大，NETD显著下降；当探测器工作温度为150K（c＝4.2mm）时，NETD＜25mK。

表1 标准n-on-p工艺中波探测器性能

图3 工艺优化后HOT Scorpio中波探测器

2）应用As离子注入p-on-n工艺技术

与n-on-p工艺相比，p-on-n技术的优点在于暗电流小。这就使高工作温度成为可能，而且n型串联电阻较低。通过之前的材料及器件工艺技术优化及控制非本征In和As掺杂水平，使得暗电流降低1个数量级以上[6]，如图4所示。

图4 中波探测器暗电流比较

2011年Sofradir公司发布的p-on-n HOT Scorpio中波探测器产品，配接K562S或RM1斯特林制冷机，典型工作温度为150K，测试数据如图5[1]所示。当工作温度由88K升高至150K时，探测器性能基本保持不变；当工作温度继续升高至160K时，NETD下降小于20%。当工作温度由88K升高至130K时，NETD保持稳定在11.8mK以下；直到工作温度为150K时，NETD为13.2mK；而且功耗相较于88K下降60%。

1.2 美国Teledyne公司

2008年2月Teledyne公司为加强红外领域的生产能力及产品的覆盖范围，并购了Judson Techno- logies成立了Teledyne Judson Technologies[7]。Judson公司制备的HOT中波320×240（30mm）探测器采用在碲锌镉衬底上LPE生长p＋-on-n异质结技术（器件结构剖面图如图6所示）；配接2～4级热电制冷器（TEC），对应工作温度分别为－40℃（233K）、－65℃（208K）、－80℃（193K）；性能测试结果如图7、图8所示[8]。

图5 p-on-n HOT Scorpio中波探测器NETD随工作温度变化曲线

图6 p＋-on-n异质结构焦平面剖面图

图7 测试结构在零下65℃和零下40℃无抗反射膜层时的光谱响应

1.3 德国AIM公司

德国AIM公司的中波碲镉汞探测器技术（包含HOT）发展历程如表2所示。

表2 AIM公司中波碲镉汞探测器技术（包含HOT）发展历程

图8 零下70℃工作温度下实验室演示成像及NETD直方图

采用3种不同工艺技术（优化的标准工艺、1代HOT及2代HOT）中波探测器（规格：640×512；像元中心距：15mm；F/3.5；50%势阱填充；300K；c＝5.2mm±0.1mm，80K）NETD随工作温度变化的曲线如图9[9]所示。

AIM公司不同技术阶段典型中波碲镉汞产品（如表3所示）以及中波HOT 640×512、1280×1024探测器成像演示（如图10所示）[10-14]。

图9 三种不同技术中波探测器NETD随工作温度变化的曲线

表3 AIM公司典型中波产品

图10 成像演示 (a)中波640×512，140K；(b)中波1280×1024，120K

1.4 英国Selex公司

Selex的器件结构是基于MOVPE技术的多层异质台面结构，如图11[15]所示。早期发布的中波Eagle探测器（规格：640×512；像元中心距：24mm；NETD：10～14mK；盲元低至0.1%；截止波长4.3mm，工作温度可达180K），材料生长是基于GaAs/Si衬底（较厚的硅基衬底外薄层砷化镓），主要是折衷解决互连时读出电路与器件芯片的热失配；而后材料生长基于GaAs衬底，器件芯片制备完成后完全去除衬底，消除热失配对器件性能的影响[16]。

多层异质台面结构包括：紧挨着衬底缓冲层的宽带重掺杂p型公共层（导电层），轻掺杂p型吸收层，n型覆盖层。台面刻蚀至公共层，防止电串及光串；p型为As掺杂，n型为I掺杂；吸收层的尺寸、掺杂浓度及缺陷等因素决定了暗电流的大小。

2010年Selex对标准工艺生产的中波Hawk探测器（规格：640×512；像元中心距：16mm；低温滤光片3.7～4.95mm；F/4；配接Thales公司RM2制冷机；NETD＝16mK，80K；盲元率小于0.1%；c＝5.5mm，80K）进行了HOT测试，结果如图12～13所示。当工作温度为150K时，降温时间及稳态功耗相比80K分别下降40%和55%，185K时NETD约是150～160K的2倍[17]。

图11 多层异质台面结构

Fig.11 Heterostructure mesa diode

图12 室温环境下Hawk探测器性能

图13 不同工作温度下Hawk热像

1.5 美国DRS公司

HDVIP技术是基于早期环孔器件的原理发展起来的，最大特点是不需要使用铟柱互连技术来制备器件。原理图如图14所示，器件的吸收层为p型材料，n＋区利用了刻蚀开孔时在四壁形成的反型层，和n-on-p平面结一样，低温热处理也被用于形成n＋-n－-p结。该结构具有的优点包括：器件采用了双面CdTe钝化技术（在碲镉汞材料的上下表面分别沉积CdTe膜层），然后通过热处理工艺使碲镉汞上下表面与CdTe钝化层形成组分互扩散层，使得1/噪声大幅降低；其pn结垂直于外延材料表面，外延中形成的穿越位错与pn结的界面接近平行，穿越pn结的位错密度大幅降低，减小了器件暗电流；器件为侧向入射式器件，填充因子较大，有利于量子效率的提高[18]。

DRS采用富Te液相外延技术，p型非本征掺杂为Cu、Au或者As，掺杂浓度为小于5×1016cm－3，低背景n型为In掺杂，In的浓度在1.5～5×1014cm－3[19]。

图14 DRS HDVIP结构

DRS公司的HDVIP HOT器件采用n＋-p结构，在250K工作温度下截止波长为5mm的中波器件，暗电流密度低至2.5mA/cm2，少子寿命超过300ms[20]。HDVIP器件常规工艺中暗电流机制主要包括SRH、俄歇1、俄歇7（如图15所示）。为减少各种机制的影响，相对应的工艺改进方法如下：通过对干法刻蚀、退火等工艺的优化最小化汞空位；尽可能消除n－区；尽可能降低p型非本征掺杂浓度。

DRS公司已经生产了大量的像元尺寸为12mm的HOT中波探测器（规格640×480或1280×720；c＝5～5.6mm，77K；读出电路电荷处理能力7.7Me－；工作温度120～160K），2012年又发布了像元尺寸为5mm的中波1280×720探测器（工作温度120K，噪声缺陷率小于0.05%）（如图16所示）[21-22]。

图15 HDVIP中波器件253K暗电流模型

图16 DRS HOT MW 640×480（12mm）探测器和1280×720（12mm、5mm）晶片

2 昆明物理研究所碲镉汞中波探测器的发展

昆明物理研究所从2006年开始进行碲镉汞中波焦平面探测器研制，经过4年的技术攻关，到2010年实现碲镉汞中波320×256红外焦平面探测器组件批量生产，2013年已达年产数百套组件的水平[23]。通过持续推进碲镉汞材料非本征掺杂的研究及器件工艺中表面钝化、干法刻蚀等工艺的改进；陆续发布了640×512（15mm、20mm、25mm）及1280×1024（15mm）等规格的碲镉汞中波焦平面探测器组件（模拟/数字化）产品[24-28]。

结果显示当工作温度由80K变化至110K时，NETD由17.4mK变化至19.7mK，保持在20mK以下，有效像元率由99.87%下降至99.33%，国产中波探测器性能基本达到同期国际水平；当工作温度继续升高至120K时，响应信号随着暗电流的增大下降约20%，而且1/噪声显著增加，NETD为34.4mK，比80K时增大约一倍。此外我们对盲元的组成进行细分，发现随着工作温度的升高，基于响应率及噪声的盲元明显增加，在工艺一致性上与国际先进水平相比还存在提升的空间。

图17 室温环境下中波探测器性能

3 结论

HOT探测器逐渐成为制冷探测器的发展趋势之一。文章归纳总结了红外领域的国外主流厂商在碲镉汞中波HOT探测器上的工艺技术路线以及典型产品的技术指标，最后介绍了昆明物理研究所的中波探测器研制进展。昆明物理研究所基于标准n-on-p工艺研制了中波探测器并进行了HOT测试，测试结果显示当探测器工作温度升高至110K时，性能指标基本达到国外同类探测器产品水平。当温度升高至110K以上时，我所研制的中波探测器的性能与国外同类探测器相比存在一定的技术差距，需要进行更多的技术攻关才能提高探测器工作温度并保持性能基本稳定。

致谢

笔者由衷地感谢红外探测器中心制冷部唐天敏及电子与系统部各位同仁在探测器组件测试过程中付出的辛勤努力和卓有成效的工作。

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Review of HOT MW Infrared Detector Using MCT Technology

ZHOU Lianjun，HAN Fuzhong，BAI Piji，SHU Chang，SUN Hao，WANG Xiaojuan，LI Jinghui，ZOU Pengcheng，GUO Jianhua，WANG Qiongfang

（Kunming Institute of Physics, Kunming 650223, China）

Several kinds of technology roadmap process and technical specifications of typical product for HOT (high operating temperature) HgCdTe MW infrared detector from Euramerican developed countries are reviewed in this paper. A 640×512(15mm) MW detector that was manufactured by Kunming Institute of Physics based on the standard n-on-p(Hg vacancy doped) process production output was selected for detailed HOT testing. The results prove that the performance of our detector basically reaches the level of foreign products developed in the same period.

HgCdTe(MCT)，HOT，infrared detector，standard n-on-p process

TN215

A

1001-8891(2017)02-0116-09

2016-06-02；

2016-08-05.

周连军（1977-），男，研究员，主要研究方向为碲镉汞红外探测器技术。E-mail：lianjunzhou1977@163.com。