高工作温度碲镉汞红外探测器研究进展

宋淑芳,黄来玉,田 震

(1.华北光电技术研究所,北京 100015;2.辽宁省军区数据信息室,辽宁 沈阳 110032)

1 引 言

碲镉汞红外探测器典型工作温度为液氮温度77 K,红外探测器对低温工作的需求极大地限制了它们的体积、质量、功耗、成本的控制,从而限制了红外探测器的应用。随着红外探测器技术的快速发展,使红外探测器通过提高工作温度,降低探测器的体积、质量、功耗、成本,实现探测器的小型化、低功耗、高性能成为可能,因此多种高工作温度红外探测器技术不断涌现,高工作温度成为红外探测器的重要发展方向。

2 高工作温度碲镉汞红外探测器的基本原理

碲镉汞红外探测器是将混成芯片封装在微型杜瓦内部,采用制冷机提供所需冷量,将混成芯片降温至设定的工作温度时,工作温度保持稳定状态,由外部电路供电,驱动探测器组件工作。由于制冷机的体积、质量和功耗占据整个红外探测器主要部分,因此降低红外探测器的体积、质量、功耗实际上是主要降低制冷机的体积、质量和功耗,因此通过提高红外探测器工作温度,降低对制冷机冷量的要求,从而达到降低制冷机的体积、质量和功耗,实现实现探测器的小型化、低功耗、高性能,如图1所示[1]。

图1 典型高工作温度红外探测器的研发过程Fig.1 Typical research process of Higher operating temperature HgCdTe detectors

红外探测器在探测过程中,器件的光电流大于暗电流,才能实现目标探测,而器件的暗电流是与探测材料、器件结构、工作温度等因素密切相关,一般来说,提高工作温度,暗电流将按指数形式增加,因此在探测材料不变的情况下,需要改变器件结构来降低暗电流,实现工作温度的提高。

碲镉汞P-on-N红外探测器的器件结构设计就是针对传统N-on-P碲镉汞红外探测器在暗电流控制方面的不足提出的,器件结构采用同质结和异质结两种形式。

对于光伏型红外探测器的暗电流Idark可以表示为:

Idark=Idiff+ISRH+Itun+Isurf

其中,Idiff是扩散电流,与材料的俄歇复合等过程有关；ISRH是产生复合电流,与耗尽层中载流子的产生复合(SRH)过程有关；Itun是隧穿电流,主要与界面处的势垒高度有关；Isurf是表面电流,主要和器件的表面态有关。

理论分析表明,与俄歇复合有关的暗电流即Idiff扩散电流与吸收层的载流子浓度有关,吸收层载流子浓度越高,Idiff扩散电流越大。在N-on-P红外探测器件中,吸收层为未掺杂P型层,载流子的浓度依赖于外延材料汞空位的浓度,汞空位浓度很难得到有效的控制,同样很难获得载流子浓度很低的P型材料,因而N-on-P红外探测器件的Idiff扩散电流较大。ISRH产生复合电流主要与耗尽层中少子的寿命有关,少子寿命越大ISRH越小,对于N-on-P红外探测器件,P型吸收层的少子是电子,与空穴的寿命相比较,电子的寿命比较短,因而ISRH产生复合电流较大,另外ISRH产生复合电流与势垒层高度有关,同时正比于材料的缺陷浓度,材料中的缺陷越多,产生和复合中心也就越多,ISRH产生复合电流增加。Itun隧穿电流,是指二极管一侧的载流子直接穿过势垒而进入另一侧而产生的电流,Itun隧穿电流一般与耗尽层的厚度和界面处的势垒高度有关,耗尽层的厚度越厚或者界面处的势垒高度越高,Itun隧穿电流越小。Isurf表面电流,主要和器件的表面态有关,可以通过器件的表面钝化等工艺有效地控制。

碲镉汞P-on-N红外探测器的器件结构一般选用掺In的碲镉汞薄膜材料作为N型吸收层,由于载流子的浓度和In掺杂浓度有关,精确地控制In掺杂浓度可以将载流子浓度控制在1014～1015/cm3比较低的水平,这就克服了N-on-P红外探测器件中,吸收层为未掺杂P型层,载流子的浓度依赖于外延材料汞空位浓度,无法获得低载流子浓度的困难,因而在P-on-N结构中Idiff扩散电流得到有效地抑制。对于P-on-N红外探测器件,N型吸收层的少子是空穴,空穴的寿命比较长,因而ISRH产生复合电流较小,同时选用宽禁带的P型材料做为Cap层,即P型层材料的镉组分高于N型层的组分,形成异质结材料,在pn结界面处形成一个势垒,势垒层的存在将有效地增加耗尽层中少子的寿命,从而降低ISRH产生复合电流的影响,由于势垒的存在Itun隧穿电流极大地降低,因此P-on-N异质结结构不仅可以降低扩散电流,还可以有效控制产生复合电流和遂穿电流,使得器件的暗电流进一步降低。实验表明,与N-on-P碲镉汞红外探测器相比使用P-on-N结构,可以使暗电流降低两个数量级,如图2所示[2],因此利用P-on-N结构可以将红外探测波长拓展到甚长波范围,对于碲镉汞短波、中波、长波器件,采用P-on-N结构可以提高工作温度,降低功耗,使碲镉汞高温器件的实用化成为可能。

图2 N-on-P和P-on-N红外探测器暗电流随截止波长的变化曲线Fig.2 Dark current density vs.cutoff wavelength for N-on-P and P-on-N HgCdTe detectors

3 国内外研究进展

美国Raytheon公司于19世纪80年代开始进行碲镉汞P-on-N器件的研究,90年代逐步应用于第二代、第三代红外焦平面探测器,实现了在高工作温度和甚长波探测方向的应用[3]。Raytheon公司的器件结构利用分子束外延方法(MBE)在Si衬底上依次生长N型碲镉汞吸收层和P型碲镉汞Cap层,制备成P-on-N异质结台面结构,如图3所示。2010年,美国Raytheon公司通过对高工作温度中波(截止波长4.8 μm)产品开发研制,阵列1536×1024,15 μm中心距,采用P-on-N结构的探测器工作温度提高到115 K,NETD≤20 mK(F=3.47)。

图3 Raytheon公司的高工作温度碲镉汞红外探测器器件结构示意图Fig.3 Cross-sectional view of Raytheon HgCdTe device at high operating temperature

法国Sofradir是欧洲最大红外探测器制造商,采用P-on-N碲镉汞材料器件结构制备高工作温度红外探测器[4-6]。探测材料是在碲锌镉衬底上利用富碲水平液相外延的方法生长掺In的N型碲镉汞外延膜,然后利用离子注入的方法在特定区域注入As,经过一系列退火过程,除去注入引入的损伤以及完成As激活,形成P型层,从而形成pn结,由于P型层和N型层的碲镉汞组分是相同的,因此叫做P-on-N碲镉汞同质结,如图4所示。经过碲镉汞器件平面结工艺、倒装互联和读出电路相结合,配以适当的制冷机完成封装,中波GALATEA 640×512,15 μm中心距波探测器,工作温度从80 K提高到150 K,功耗从5 W降低到1.5 W,重量从550 g减少到300 g,实现了产品小尺寸、低功耗、低重量(SWAPs)的应用要求,如图5所示。

图4 Sofradir公司的高工作温度碲镉汞红外探测器器件结构示意图以及组件图Fig.4 Cross-sectional view and of Sofradir HgCdTe device at high operating temperature

图5 Sofradir高工作温度中波红外探测器的研发过程Fig.5 Sofradir research process of Higher operating temperature HgCdTe detectors

法国Sofradir(如图5所示)长波Scorpio LW探测器参数如下:640×512、15 μm中心距、NETD为22 mK(80K),探测谱段7.8～9.3 μm(80 K),工作温度提高到110 K,NETD为26 mK。由于器件结构选用P-on-N碲镉汞同质结结构,扩散电流得到有效的控制,暗电流下降,但是产生复合电流和遂穿电流无法得到有效的控制。

近年来,德国AIM公司一直致力于高工作温度长波红外探测器的研制,器件结构采用N-on-P和P-on-N两种结构[7-12]。与传统的汞空位N-on-P器件结构不同,高工作温度的N-on-P器件结构采用液相外延方法制备低掺杂Au的P型碲镉汞,将Au掺杂浓度控制在比较低的水平,降低吸收层载流子的浓度,从而降低扩散电流的影响。然后利用离子注入方法形成N型区,形成pn结。高工作温度的P-on-N器件结构采用与Sofradir一样的器件结构,在掺In的N型碲镉汞外延膜,然后利用离子注入的方法在特定区域注入As,经过一系列退火过程,除去注入引入的损伤以及完成As激活,形成P型层,从而形成pn结。探测器的参数如下:320×512、20 μm中心距、截止波长为11.0 μm(80 K)。对比两种器件结构的性能参数,P-on-N器件结构的工作温度可以提高至110 K,而N-on-P器件结构的工作温度为90 K。2019年采用P-on-N器件结构截止波长为3～5 μm中波探测器,阵列规格为1024×768,10 μm中心距,在保持参数性能不变的情况下,工作温度从80 K提高到160 K,制冷机稳定功耗从29 W降低到2 W,如图6所示,实现了产品小尺寸、低功耗、低重量(SWAPs)的应用要求。

图6 AIM公司的高工作温度碲镉汞红外探测器研发过程Fig.6 AIM research process of Higher operating temperature HgCdTe detectors

美国Teledyne公司[13-14]选用P-on-N(P-γ-N)双层平面异质结(DLPH)制备HgCdTe红外探测器,HgCdTe材料使用分子束外延(MBE)进行生长,首先在衬底上生长宽禁带的N+层,然后再生长低掺杂浓度的N-(γ)吸收层,掺杂浓度为1013/cm3,接下来生长宽禁带的N层,形成三明治结构,窄禁带吸收层夹在两层宽禁带层中间,能够进一步降低暗电流,最后在部分区域进行As注入,形成pn平面结,该结构的吸收层掺杂浓度极低,因此N型层全部耗尽,暗电流降到了最低点,理论上工作温度可以到200K以上,如图7所示。

图7 Teledyne公司的高工作温度碲镉汞红外探测器器件结构Fig.7 Cross-sectional view and of Teledyne HgCdTe device at high operating temperature

美国DRS公司采用高密度垂直集成光电器件结构(HDVIP)制备红外探测器[15-16],HgCdTe材料使用传统的液相外延(LPE)进行生长,每个像元都有一条刻蚀形成的通路通到衬底,衬底上生长的P型掺杂(掺Au)碲镉汞薄膜为pn结的P型层,N型层是通过刻蚀及离子注入形成并围绕在通路侧面,形成了一个P型层包围着N型层的特殊结构,如图8所示。其结构是横向电流传输。该器件结构具有以下优点:二极管的成结方向与材料生长方向相垂直,降低了材料中位错密度对器件性能的影响；器件采用双面CdTe钝化技术,可以显著降低器件的1/f噪声；HDVIP器件不需要使用In柱互连技术,器件的热稳定性好； HDVIP结构在侧入射下工作,有效地提高了其量子效率及调制函数性能。2010年,DRS采用N+/N-/P+和N+/P-/P+两种器件结构,如图9所示,截止波长为4.8 μm中波探测器,阵列规格为1536×1024,15 μm中心距,在保持参数性能不变的情况下,工作温度从80 K提高到160 K。

图8 高密度垂直集成光电器件结构(HDVIP)Fig.8 Cross-sectional and top viewof high-density vertically integrated photodiode(HDVIP)architecture

图9 DRS采用N+/N-/P+和N+/P-/P+两种器件结构示意图Fig.9 DRS HDVIP N+/N-/P+ and N+/P-/P+ architectures

目前高工作温度长波碲镉汞探测器组件仍处于产品研发阶段,欧美国家主要机构基本上采用P-on-N器件结构技术研制高工作温度长波碲镉汞探测器组件,其中法国法国Sofradir和德国AIM公司采用As离子注入同质结的技术,该技术路线采用平面工艺,与传统N-on-P兼容性好,适合于高温中波探测器的制备,但是As离子激活难度大,激活率不高,影响长波器件性能的提升。而美国Teledyne公司研究机构则采用MBE方法制备的双层平面异质结结构(DLPH),这种技术路线仅得到了理论的计算结果,没有后续的产品报道。

表1 各研究机构高工作温度红外探测器参数Tab.1 Parameters of infrared detectors at high operating temperature

在国家的支持下,“十三五”期间,我国开展高工作温度碲镉汞焦平面技术,以及P-on-N甚长波碲镉汞焦平面技术研究[17-18],采用As掺杂台面异质结和As注入平面同质结两种技术路径制备P-on-N型碲镉汞探测器,具有一定基础。

4 结 语

与国外的高工作温度探测器研制水平相比,目前我国的高工作温度红外探测器处于研发的起步阶段。P-on-N平面同质结、 P-on-N台面异质结的碲镉汞探测器制备技术在中波-甚长波的研究突破了一些关键技术,但是高温器件的研究还处于起步阶段,技术基础薄弱。高温工作是红外探测器的发展趋势,为满足国防科技事业对高工作温度碲镉汞红外探测器日益增长的需求,开展高工作温度碲镉汞红外探测器的研究势在必行。利用P-on-N台面异质结结构的优势,大力发展P-on-N台面异质结碲镉汞红外高温器件,实现红外探测器高性能、小尺寸、低功耗、低重量(SWAPs)的应用要求,为国防建设奠定基础。