碲镉汞雪崩光电二极管近年研究及应用进展

胡易林,刘 铭,王成刚,杨海燕,郝 斐

(华北光电技术研究所,北京100015)

1 引 言

自1957年英国人Lawson等人发明并人工合成碲镉汞材料以来,这种理论上能够满足整个红外波段探测需求的窄禁带材料开始应用于红外领域并逐渐成为制备红外探测器主流材料。

随着技术发展,碲镉汞红外探测器从第一代(单元或多元光导器件,使用体材料)到第二代(探测器满足单一探测波段、规模在30万像素以内,使用外延材料),再发展到以SaWP3为目标的第三代,其主要特征为超大规模、甚长波、多色探测、弱信号探测、雪崩型探测和高工作温度。

作为第三代红外探测器,碲镉汞雪崩光电二极管(Avalanche Photon Diode,APD)是主要结构为PN结的在高反向偏置电压下产生雪崩倍增效应实现光信号的探测和信号放大的光电探测器件。一般来说,为获得较低的过剩噪声因子和较高的频率响应,APD材料中空穴和电子的电离系数相差越大越好。Leveque等人[1]发现通过改变Cd组分,碲镉汞材料存在电子和空穴之间电离系数的巨大差异,可以制备单载流子激发APD,因此HgCdTe被认为是低过剩噪声红外APD的最有效解决方案[2,3]。并且碲镉汞材料具有高量子效率(QE),高效的光学吸收及高碰撞电离率可允许制备高雪崩增益的APD,有较高的增益带宽积和高信噪比,并且过剩噪声因子F可以达到1左右[4]。

近年来,HgCdTe APD在高增益、高带宽、低噪声等方面取得了很大的进展,因此被认为是超低能量探测的关键,在主被动成像、波前探测等领域有着广阔的应用前景[5]。

2 碲镉汞APD主要路线及技术方案

碲镉汞APD目前应用的技术方案可以分为平面/台面PIN型、环孔型以及吸收-倍增分离型(Separate Absorption and Multiplication Region,SAM)。按照电流传输方向区分,平面/台面PIN型与SAM型属纵向电流传输型,环孔结构的APD电流传输方向为横向。

其中平面/台面PIN型最早实用化并且目前应用最为广泛,CEA-LETI、BAE、AIM以及上海技术物理研究所均使用该方案。一般采用N+-N--P型结构,即在传统n-on-p器件的PN结中间增加浅掺杂的I区,增加反偏压时的耗尽区宽度,降低局域电场,抑制暗电流。可以选择液相外延或者分子束外延生长材料；器件制备工艺简单,采用离子注入成结加以退火调整,可控性好；器件的等效温差NETD 和调制传递函数MTF 也可做得很好[6]。平面/台面PIN型碲镉汞APD示意图见图1。

图1 平面及台面PIN型碲镉汞APD结构示意图

环孔型是DRS公司选用的研究路线,采用高密度垂直光电二极管结构(High-Density Vertically Interconnected Photodiode,HDVIP)[7],其结构本质依然是PIN型,结构示意图见图2。光信号由正面入射,器件可以达到较高的性能水平,但制备技术比较复杂,难度高,尤其是需要完整去除碲锌镉衬底同时不对碲镉汞薄膜造成损伤,因此限制了该技术方案的应用。

图2 环孔型碲镉汞APD结构示意图

制备吸收-倍增分离型(Separate Absorption and Multiplication Region,SAM)碲镉汞APD中的吸收区与倍增区分离,见示意图3,通常使用MBE、MOCVD等技术直接生长多层异质结的碲镉汞材料。该方案需要对多层结构的各层厚度、掺杂浓度及组分进行设计优化,材料生长也是一个难题,对原位掺杂水平提出了较高要求。选用SAM型碲镉汞APD的代表是美国Raytheon公司,选择使用MBE法生长碲锌镉基碲镉汞[8]。

图3 SAM型碲镉汞APD结构示意图

3 国外机构研究进展

3.1 Leonardo公司SAPHIRA系列APD研究进展

Leonardo公司自2002年对HgCdTe线性模式雪崩光电二极管(LmAPD)进行开发,使用金属有机气相外延(MOVPE)技术生长具有复杂的带隙结构和掺杂分布的HgCdTe材料[9]。使用MOVPE技术可以通过调整带隙结构来抑制结相关暗电流源从而大幅度降低暗电流,并阻止来自表面的附加泄漏电流。

SAPHIRA是第一个用于在低通量条件下进行近红外/短波红外传感的HgCdTe APD红外传感器系列,阵列规格为320×256/24 μm。器件为台面结构,结构示意图见图4。可用波长范围为0.8～2.5 μm,在20 V的偏置电压下达到600的增益,在60 K条件下测得剩噪声因子F=1[10]。使用SAPHIRA系列APD可以探测到单个红外光子,但在一次读取中无法区分吸收的两个或更多光子[11]。

图4 Leonardo公司MOVPE 生长器件结构示意图

3.2 DRS公司HDVIP结构APD研究进展

美国DRS公司的HgCdTe雪崩光电二极管(APD)探测器的设计基于高密度垂直集成光电二极管(HDVIP)结构[7]。HDVIP器件为圆柱形n-on-p结构,如图5所示。

图5 HDVIP APD侧视图

该结构成功的关键在于:器件表面使用CdTe进行互扩散钝化,以获得低1/f噪声；由于PN结方向与液相外延碲镉汞材料生长方向垂直导致缺陷密度较低；红外光子侧面入射使APD具有高量子效率、高填充因子、低串扰和良好的调制传递函数(MTF)。除此之外HDVIP的柱面几何结构具有载流子选择性,非常适合电子注入及倍增,再加上HgCdTe材料独特的能带结构,使APD在77 K时具有与增益无关的单载流子(k=0)过剩噪声因子。

器件使用6～9 μm厚度的P型碲镉汞薄膜,具有汞空位和第 IB 族杂质掺杂,并用铟进行反掺杂。通孔使用离子刻蚀,刻蚀导致汞填隙原子进入碲镉汞材料内部使得通孔周围形成N型区,制得N+-N--P结构。随后对通孔进行金属沉积形成N区与读出电路间的电学互连,并使用抗反射(AR)涂层使量子效率最大化[12]。

Beck等人在MWIR E-APD反偏压为13 V时测量到超过1000的增益,并测得与增益无关过剩噪声因子为1.3,截止波长为4.3 μm。制备的40 μm间距的128×128焦平面阵列在80 K条件下反偏压为 11 V时测得的增益高达 946,噪声等效光子(NEPh)输入低至 0.4 光子。后续研究中通过减小PN结直径降低了APD的过剩噪声系数,并且将增益提高到1900以上,并且测得量子效率超过90 %[13]。

3.3 Raytheon公司SAM型APD研究进展

Raytheon公司采用吸收倍增分离(SAM)结构设计碲镉汞APD,结构设计见图6,使用分子束外延(MBE)技术在生长碲锌镉基碲镉汞,宏观缺陷密度低于500 cm2。APD阵列测试结果表明,在300 K条件下,获得远高于100的增益,以及0.15 nW的 NEP值和约为1的过剩噪声值,并且表现出线性模式光子计数[8]。Raytheon公司开发的用于扫描和凝视三维激光雷达系统的近红外传感器芯片组件(SCA),将高性能APD集成其中,表现出优异的空间和距离分辨率,实现了近距离和远距离的详细3D图像[14]。

图6 Raytheon公司P-SAM型APD结构示意图

3.4 CEA-LETI 平面PIN型APD研究进展

CEA-LETI和Sofradir合作生产的平面PIN型碲镉汞APD,结构示意见图7,其中发生雪崩倍增的N-区厚度约为1～3 μm,截止波长为2.5～5.6 μm,测试得到的最大增益为13000,增益达到100时的反偏压为7～10 V。高增益的有效性取决于APD的暗电流噪声、观测时间以及探测电子器件的噪声。过剩噪声因子F约为1.1～1.4,量子效率(QE)达到60 %～80 %[15]。

图7 CEA-LETI碲镉汞APD结构示意图

CEA Leti已经开发了一种用于被动或主动2D和3D成像的高帧速率双模红外阵列探测器[16]。采用具有线性增益的HgCdTeAPD阵列,规格为320×256/30 μm,在3D工作模式下获得了很高的灵敏度,能够记录每个像素的飞行时间(TOF)和一个激光脉冲的强度。

3.5 BAE公司平面PIN型APD研究进展

BAE公司的M.B.Reine 等人报告了一种背入射式平面型PIN结构碲镉汞 e-APD[17],器件结构如图8所示,使用水平液相外延在4 cm×6 cm大小的碲锌镉衬底上生长P型中波碲镉汞薄膜,生长过程中引入浓度为4.5×1014cm-3的In掺杂以建立N区的施主浓度。光敏元尺寸较大达到250 μm×250 μm,阵列规格为4×4,。在160 K下的截止波长为4.29 μm,反偏压为11.7 V时达到最大增益为648,在80 K时测量到的增益归一化暗电流密度在-10.0 V时达到约为0.3 μA/cm2。

图8 BAE公司平面型碲镉汞e-APD截面图

3.6 AIM公司平面PIN型APD研究进展

德国AIM公司的A.SIECK等人制备了平面型PIN结构碲镉汞APD,器件采用背入射式,使用液相外延在碲锌镉衬底上生长碲镉汞,掺杂Hg空位或IB族受主使材料表现为p型,表面用宽禁带II-VI族合金钝化。通过离子注入形成N+区,汞间隙原子扩散得到N-区。150 K时截止波长为2.55 μm,在工作温度为140 K时,-14 V偏压下测得增益值为20[18]。

4 国内研究进展

4.1 上海技术物理研究所相关研究

4.1.1 暗电流机理研究

上海技物所使用Sentaurus TCAD软件对碲镉汞APD暗电流机理及不同反偏压下的组成差异进行研究。通过对平面[19-20]以及台面[19]PIN结构碲镉汞APD的模拟,发现反偏压较小时,暗电流主要由非本征Shockley-Read-Hall电流(SRH)和陷阱辅助隧穿电流(TAT)组成。反偏压增加导致处于较高费米能级的载流子穿越耗尽区可能性增加,使得带间隧穿电流(BBT)增大。因此在较高反偏压下,BBT电流和雪崩放大电流(AVA)成为暗电流的主要组成部分。提高探测器性能和降低暗电流的实质是抑制高反向偏压下的BBT和AVA电流[20]。

研究表明APD结构会一定程度上影响器件性能,平面PIN型碲镉汞APD倍增区结尖角明显提高暗电流水平,改善结间电场分布的均匀性对降低BBT电流是有效的,而倍增区的厚度会明显影响台面APD的暗电流[19]。增加耗尽宽度越大可以降低N-区浓度,从而降低暗电流,但同时会严重影响增益,降低器件性能。因此器件结构设计的目标是降低缺陷密度,优化结电场,最终抑制大反向偏压下的暗电流,提高器件性能。

4.1.2 器件模拟

以暗电流的相关研究为基础,上海技物所后续设计并模拟了不同结构的碲镉汞APD器件。李庆等人针对平面PIN结构提出了保护环(Guard Ring)设计[21],研究表明保护环设计可以削弱平面PIN结构碲镉汞APD的表面局部电场引起的暗电流并能将增益噪声比提高了近两个数量级。为提高碲镉汞APD工作温度,何家乐等人[22]提出了一种新的势垒阻挡长波pBp-APD结构。通过耦合势垒层结构能够有效降低吸收区载流子浓度,具有保持良好的电子阻挡效应,因此可以降低吸收层中的载流子浓度并降低暗电流,允许大幅度提高工作温度。模拟结果验证了改进结构的可行性,为新结构碲镉汞APD提供了新思路。

4.1.3 器件制备

顾仁杰与沈川[23]制备128×128规格的台面PIN结构的中波碲镉汞APD阵列,碲镉汞材料使用MBE法制备,器件增益在10 V反偏压下可达到335。李浩等人[24]选择使用离子束刻蚀制备N-区,再结合离子注入制备PIN结构。

上海技物所最新成果是128×128/50 μm的中波 HgCdTe APD阵列[25],使用液相外延技术生长。器件为背入射式平面PIN结构,如图9所示。通过优化工艺将N-区厚度控制在3 μm左右。APD在10 V反向偏压下的增益为728,当增益为700时,F值小于1.8。当反偏压低于9 V时,GNDC小于100 nA/cm2,但在高偏置电压下,暗电流开始明显快于增益,导致器件性能受到限制。

图9 上海技物所PIN型碲镉汞APD结构示意图

总结来说,上海技物所制备的HgCdTe APD FPA可以达到高增益、低过剩噪声等技术指标,但在低通量应用中仍有待提高。

4.2 昆明物理研究所相关研究

昆明物理研究所对APD的研究起步较晚,于2018年制备了中波碲镉汞APD并对其增益效应展开研究[26]。使用的中波碲镉汞材料通过液相外延制得,结构为平面型N+-N--P结构,通过离子注入、退火工艺实现,N-区厚度约为1～3 μm,单元器件的光敏面积为30 μm×30 μm,结构示意图见图10。

图10 HgCdTeAPD 器件结构示意图

通过调整成结、退火参数,制得饱和耗尽区宽度分别为2.5 μm和1.2 μm的器件。前者的雪崩增益在-8 V反偏下为100,后者在-12.5 V 高反偏下可以得到大于2000的增益。因为较宽的耗尽区可以有效抑制隧穿电流,允许器件工作在高反偏压下进而获得较高的雪崩增益。

5 碲镉汞APD应用情况

5.1 天文应用

用于空间成像的探测器对性能要求很高,低通量探测必须有高量子效率和低暗电流。碲镉汞APD是近中红外波段最灵敏的探测器之一,可以应用于机载和星载激光雷达,用于表面高度、大气气体浓度、光谱强度等方面。它们已成功应用于哈勃太空望远镜,并将用于詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST)[27]。

SAPHIRA探测器已经成功应用于多个天文探测项目[10]。欧洲GRAVITY项目中将SAPHIRA APD阵列应用于望远镜,其雪崩增益超过50,并且可以减少大量的噪声,因此可以对更广阔的星空进行详细观测。2018年5月,GRAVITY项目首次使用SAPHIRA探测器观测到引力红移,显示该仪器将彻底改变天体的动态测量,对后续天文观测具有重要意义。新一代512×512/24 μm规格的SAPHIRA APD阵列将安装在欧洲超大望远镜(ELT),用于极端自适应光学的波前传感。将应用于低光子通量天文成像的探测器阵列规格将达到1 k×1 k/15 μm。而由ESA资助的2 k×2 k/15 μm规格的LmAPD阵列已开始研制,未来将用于深空成像[28]。

5.2 国防和安全应用

线性模式APD阵列对于利用激光雷达进行远程成像或在远程被动成像中抑制湍流至关重要,它们是3D成像的基础,3D成像被认为是自动目标识别的关键。Raytheon公司开发的的碲镉汞APD阵列和传感器芯片组件(SCA)用于扫描和凝视激光雷达系统,并已经在Raytheon导弹系统和海军空战中进行了集成和演示显示了良好的空间和距离分辨率[3]。

在安全领域,碲镉汞APD可以应用于远程化学检测。新一代化学检测仪器目标是检测和识别各种物理状态下的化学战剂(CWA)、非传统战剂和有毒工业化学品(TIC),这些技术依赖于特定的化学反应,如拉曼散射(振动响应)和红外光谱(红外吸收)。Leonardo公司线性模式APD传感器具有高灵敏度、快速的响应速度和合适的波长范围,可在远程化学检测中实现数量级的提高[29]。对于痕量气体探测,Raytheon公司开发的4×4像素HgCdTe APD阵列可以用于激光雷达测量,这些探测器成功地应用于美国NASA的1.57 μm CO2激光雷达、1.65 μm CH4激光雷达[27]。

6 总结

自新世纪以来,国外公司对碲镉汞APD进行了深入研究并取得了一系列研究成果,各公司根据自身技术水平选择了不同的技术路线,并且根据结构需要选择不同的制备技术生长碲镉汞材料,已经成功制备高性能器件并应用于航天、安全等领域。

相比较而言,国内对碲镉汞APD研究起步较晚,目前上海技物所的研究水平处于领先位置,已经制备成功增益可达728的128×128/50 μm的碲镉汞 APD阵列,昆明物理所也对该领域开展研究并成功制备器件。虽然近年来国内相关研究出现了可喜的进步,但仍与国际先进水平存在一定差距,尤其是并未见到实际应用有关的进展情况。由于碲镉汞APD在军用及民用领域均有广阔应用前景,所以我国应持续推进相关研究进步,追赶国外厂家,以早日达到国际先进水平。