碲镉汞红外探测器增透结构设计

郑 华， 樊 华， 王子仪， 魏彦锋， 张荣君

(1. 复旦大学 信息科学与工程学院, 上海超精密光学制造工程技术研究中心, 上海 200433;2. 中国科学院上海技术物理研究所 中国科学院红外成像材料与器件重点实验室，上海 200083)

·仪器设备研制与开发·

碲镉汞红外探测器增透结构设计

郑 华1， 樊 华2， 王子仪1， 魏彦锋2， 张荣君1

(1. 复旦大学 信息科学与工程学院, 上海超精密光学制造工程技术研究中心, 上海 200433;2. 中国科学院上海技术物理研究所 中国科学院红外成像材料与器件重点实验室，上海 200083)

针对工作在涵盖甚长波段的碲镉汞红外探测器，设计较薄的光学膜层或光学结构实现反射率低于10%的减反效果，分为减反膜系和类光子晶体两种设计。基于光学薄膜理论设计并分别用两种算法优化得到了3层和4层ZnS/YbF3增透膜。经过模拟计算，设计的减反膜在8～16 μm的宽光谱波段范围内能大幅度减少红外探测器表面的反射，平均反射率低于5%，并且在0°～60°入射角范围内都具有明显的减反效果。另外，通过类光子晶体的周期性纳米柱结构设计，得到了在14～16 μm波段平均反射率低于5%的设计方案。两种方案提供了不同思路的甚长波减反设计， 减反膜系相对简单廉价，易于大规模生产；类光子晶体设计，生产技术要求较高，但性质更加稳定可靠。

甚长波； 减反膜； 类光子晶体； 反射率

0 引 言

在红外探测方面，如何提高碲镉汞甚长波红外探测器上光子的吸收效率是目前红外探测发展的一个重点[1-2]。对于甚长波碲镉汞红外探测器，长波光子的光吸收系数较低，为了提高吸收效率，加厚吸收层或者减少反射光是两种有效的手段。但是，吸收层厚度有一定的限制，太厚使得部分光生少子无法扩散到PN结区，从而降低探测器的量子效率。因此，减少反射光是提高吸收效率的重要途径。

光学减反膜是最常用的减反手段[3-5]。单层抗减反膜系技术相对比较成熟，国内在14 μm以下的红外减反射研究多采用单层硫化锌(ZnS)减反膜。但是对于甚长波探测器，这种工艺并不适用，随着截止波长的增加，需要生长很厚的ZnS单层膜，膜的均匀性、牢固度都会存在问题，因此，用多层膜系来替代单层膜是目前迫切需要解决的一个问题。尽管多层薄膜系统设计经过国内外多年的发展，已经形成了一套较为完整的理论体系，但介绍在红外甚长波段以碲镉汞为基底的多层薄膜系统的文献比较少。

经历了20多年的发展，光子晶体被认为也是一种非常有效的减反结构[6-9]。光子晶体具有周期性排列的微观结构，能够实现对光的有效控制。例如，通过刻蚀得到的周期性阵列结构能够在一定的波段有效降低反射率[9]。

本文以碲镉汞甚长波红外探测器为基底进行了多层膜理论设计和类光子晶体结构设计，并模拟验证了减反膜和类光子晶体结构的减反效果，模拟实现了宽波段的减反效果。

1 设计原理

1.1 减反膜

(1) 材料选择。在红外波段， ZnS与一些氟化物在红外波段透明无吸收，可利用高折射率的ZnS与低折射率的氟化物相组合形成多层减反膜系，提高对入射光的吸收效率[5,10-12]。综合考虑各种氟化物的物理化学性质，YF3和YbF3是两种较为合适的候选材料[11,13]，本文采用了ZnS/YbF3膜系。

(2) 减反膜层结构。图1为碲镉汞红外探测器上的减反膜设计模型，最下面一层为碲镉汞(HgCdTe)红外探测器的PN结，中间为300 μm的碲化镉(CdTe)衬底层，最外层即为设计的硫化锌(ZnS)、氟化镱(YbF3)减反膜层。

图1 碲镉汞红外探测器上的减反膜设计结构模型

(3) 设计目标。考虑到成本和工艺实现问题，有如下设计目标：①层数要少，便于实现；②每层厚度不能太大(>10 μm级)，也不能太小(<1 nm级)；③总厚度不能太大(>10 μm级)；④尽可能宽波段8～16 μm的低反射率。

(4) 薄膜设计理论。本文采用等效界面法和薄膜特征矩阵计算多层膜的反射率[14]：

(1)

(2)

其中：ηj为第j层的光学导纳；δj为第j层的相位差。

按照上述矩阵算法，可以得到各种不同设计的在各个波段反射率的模拟计算结果。

(5) 优化算法。为了更好地进行计算机软件计算并优化设计结果，采用两种优化算法：① 全局修正的最小二乘法。该算法的原理为通过改变膜层厚度，计算与目标值的均方根误差(RMSE)，来选择最小RMSE的结果。该算法的特点是只优化膜层厚度，不改变膜层数。② 针法优化算法[15-16]。对任意给定的膜系计算，算出最佳插入位置，然后在这一位置插入极薄的膜层，使得评价函数大幅度降低。反复循环这一过程，可使膜系层数不断增多，从而获得评价函数不断降低的膜系结构，同时整合去除极薄的膜层，而最终得到令人满意的结果。该算法的特点是既优化膜层厚度，又改变膜层数。

1.2 类光子晶体

通过合理的设计，纳米柱、纳米锥等纳米周期性阵列结构能够提供很好的减反效果。本文在碲镉汞基底上设计了纳米柱结构以实现减反目标[1, 7]。

如图2所示，设定初始各项特征参数，设计的纳米柱高H， 直径D，阵列周期P。利用传输矩阵法(TMM)，模拟改变各个特征参数，计算相应的微结构阵列的反射率，选取最优值。

图2 纳米柱阵列结构示意图(μm)

2 红外探测器设计

2.1 减反膜设计

采用全局修正的最小二乘法对薄膜厚度进行计算，采用LHL初始模型(L代表低折射率材料YbF3，H代表高折射率材料ZnS)，得到3层减反膜结构：378L/673H/2 000L (nm)共计3 051 nm，，模拟计算其在8～16 μm波段范围内零入射角平均反射率为4.09%。

利用针法算法，采用上述拟合结果为初始设计，改变薄膜厚度和层数，优化设计出的膜系结构，得到最终的4层结构：837H/93L/340H/2 047L(nm)共计3 317 nm。模拟计算其在8～16 μm波段范围内零入射角的平均反射率为3.58%。

如图3所示，设计的减反膜系有明显的减反效果，反射率从基底(碲镉汞+碲化镉)的22%下降至3.6%和4.1%，并且厚度较为合适，仅约为3 μm，膜层数少(3或4层)，工艺容易实现。

图3 基底与加上两种增透膜设计的模拟反射谱

另外，在模拟计算中发现，加上设计的增透膜后，碲镉汞探测器在0°～60°P光和S光入射的模拟计算反射率也非常低，如图4所示，加上增透膜后的探测器具有广角度的低反射率：60°入射的P光平均反射率仅为5%左右，S光为10%左右。

图4 加上四层增透膜后的探测器在0°～60°P光、S光入射的模拟反射谱

另外，可以发现在40°～60°入射的P、S光反射率变化的规律：即0°～40°，随着入射角度的增大，P光反射率降低，S光反射率上升；在50°入射角时，相对之前角度P光反射率在13 μm以后明显上升，S光反射率全波段明显下降；60°时P光、S光的反射率恢复之前规律，P光反射率降低，S光反射率上升。这个P、S偏振光的反射率变化现象可能是由多层膜系的布鲁斯特现象导致的综合结果。

目前，国内外在碲镉汞红外探测器表面生长YbF3(或YF3)和ZnS的多层减反膜的相关研究报道比较少，单独生长YbF3(或YF3)和ZnS的多层减反膜也极少，相关报道的多层膜效果为在8～12 μm平均透射率87.9%[13]，在波段范围、减反效果、适用基底等方面本文所设计结果远远优于文献报道。也有文献设计多层减反膜达到接近本设计的效果[5, 12]，但其层数很多，厚度较大，工艺复杂度更大，可操作性不及本设计结果。

2.2 类光子晶体设计

通过TMM软件模拟计算，求得一组合适的纳米柱阵列参数：高3 μm， 直径6 μm，周期为9 μm。如图5所示，类光子晶体设计能够达到与多层膜结构类似效果，特别是在14～16 μm波段平均反射率低于5%。相比减反膜设计结果在16 μm附近减反效果更加明显。多层减反膜可能存在应力不均匀，黏附力不强等实际问题，而类光子晶体结构性质相对更加稳定可靠，然而缺点是加工工艺较为复杂，光刻成本较高，大规模生产较为困难；以及类光子晶体微结构与探测器光敏元的对准仍存在一定的困难。但从目前已有的文献数据[1]来看，类光子晶体结构仍将成为一种非常有竞争力的设计。

图5 类光子晶体结构设计与减反膜设计的结果对比

3 结 语

通过理论计算，同时兼顾到工艺上的可行性，最后设计了两种在远红外及甚长波段(8～16 μm)平均反射率低于5%的3层(3.6%)和4层(4.1%)总厚度3 μm左右的碲镉汞红外探测器减反膜系，并具有广角度(0°～60°入射角)减反、增透的效果。另外设计了类光子晶体纳米柱阵列减反结构，在14～16 μm波段平均反射率低于5%，相对于减反膜在16 μm附近有更好的减反效果。

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·名人名言·

我们应该不虚度一生，应该能够说，“我已经做了我能做的事”。

——居里夫人

Design of Antireflective Structures on HgCdTe Substrate at Very Long Wavelength Infrared

ZHENGHua1,FANHua2,WANGZi-yi1,WEIYan-feng2,ZHANGRong-jun1

(1. School of Information Science and Engineering, Shanghai Engineering Research Center of Ultra-Precision Optical Manufacturing, Fudan University, Shanghai 200433, China; 2. Key Laboratory of Infrared Imaging Materials and Detectors, Shanghai Institute of Technical Physics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200083, China)

To reduce reflection of the HgCdTe detector at very long wavelength (<10%), the design of the antireflective films and the antireflective array was reported. Based on thin film theory and two kinds of optimization algorithms, two kinds of results were calculated, they were three layers or four layers ZnS/YbF3 thin films. The antireflective films we designed reduce the reflection (<5%) in a wide wavelength (8～16 μm) and large incident angles (0～60°). What's more, we also designed nanorod array as another method, it also has a low reflection (<5%) at very long wavelength (14～16 μm). For two methods, the thin film method is cheap and easy to put into production; the nanorod array method gets better stability but requires higher techniques.

very long wavelength; antireflective structures; photonic quasi-crystal; reflection

2016-04-05

国家自然科学基金项目(11174058)；国家科技重大专项课题(2011ZX02109-004)；复旦大学精品课程建设项目、望道项目；中国科学院红外成像材料与器件重点实验室开放基金资助

郑 华(1992-)，男，浙江绍兴人，硕士生，主要从事光电信息功能材料的光学性质研究。

E-mail: 15210720006@fudan.edu.cn

O-436.1

A

1006-7167(2017)01-0046-03

张荣君 (1972-)，男，河南罗山人，博士，教授，主要从事信息功能材料的光学性质、光学仪器系统与光子学器件等方面研究与教学。Tel.: 021-65643559; E-mail: rjzhang@ fudan.edu.cn