基于非平衡模式的碲镉汞高工作温度探测器

俞见云，孔金丞，覃 钢，杨 晋，宋林伟，丛树仁，李艳辉

基于非平衡模式的碲镉汞高工作温度探测器

俞见云，孔金丞，覃 钢，杨 晋，宋林伟，丛树仁，李艳辉

（昆明物理研究所，云南 昆明 650223）

本文回顾了当前国内外高工作温度碲镉汞红外探测器的技术路线和相应的器件性能，在碲镉汞器件暗电流的温度特性分析的基础上，讨论了基于非平衡工作模式的碲镉汞探测器的基本原理、器件结构设计和暗电流机制，探讨了吸收层全耗尽碲镉汞器件性能与器件结构参数、材料晶体质量的关系，明确了其技术要点和难点，展望了碲镉汞高工作温度器件技术的发展趋势。

碲镉汞；非平衡；俄歇抑制；全耗尽；高工作温度

0 引言

持续提高光子型红外探测器的工作温度是红外探测技术从第3代向第4代发展过程中的一个重要方向。碲镉汞材料具有卓越的红外光电性能，其在高性能光子型红外探测器技术领域一直占据着主导地位[1-2]。目前，世界各研究机构正致力于将碲镉汞基红外焦平面探测器的工作温度提高到室温，以满足系统对红外探测器的小尺寸、轻重量、低功耗、高可靠性及高环境适应性等使用需求[3-5]。使红外探测器工作在接近室温的条件下仍然保持较高的探测性能，是高工作温度（High Operation Temperature，HOT）红外探测领域亟需解决的首要问题。

为了提高红外探测器的工作温度，德国AIM、法国Lynred、英国Selex、美国Raytheon、美国TIS（Teledyne Imaging Sensor）等公司先后采用Hg空位n-on-p、非本征掺杂型n-on-p、p-on-n以及非平衡P＋/ν(p)/N＋等技术途径开展了HOT器件的研制工作。

德国AIM基于Hg空位n-on-p结构器件通过优化材料与器件工艺将工作温度提升到了120K[6]。但由于Hg空位在禁带中形成的深能级缺陷会降低材料的少子寿命，进而限制Hg空位n-on-p结构器件工作温度的提升，因此该结构器件从原理上不能继续提高工作温度。随后，AIM公司报道了基于Au掺杂P型的n-on-p结构碲镉汞HOT器件，Au掺杂替代汞位可以有效减少作为深能级缺陷的汞空位浓度，提高探测器的性能[6]。AIM公司基于该技术开发的中波器件工作温度提高到160K[6]。然而Au掺杂碲镉汞材料中AuHg伴随着VHg存在，且Au的扩散速度非常快，同时可控的低浓度Au掺杂难以实现，限制了Au掺杂碲镉汞器件工作温度的进一步提升。相较于n-on-p结构器件，非本征掺杂p-on-n结构器件具有吸收层少子寿命更长、掺杂浓度更稳定可控等优势，在相同的工作温度下具有更低的暗电流。德国AIM公司和法国Lynred公司采用液相外延（liquid phase epitaxy，LPE）原位In掺杂并结合As离子注入技术开发了p-on-n型碲镉汞器件，中波探测器工作温度达到160K[7-8]。但由于p-on-n结构器件缺乏对俄歇复合过程的有效抑制，其工作温度上限受到限制。根据以上总结分析，目前所发展的n-on-p和p-n-on结构都难以大幅度提高探测器的工作温度并接近室温。为了实现这一目的，需要对器件的结构作进一步的优化和改进，目前有很多研究机构对此进行了研究[9-11]。波兰Vigo系统公司采用p＋BpnN＋势垒阻挡型碲镉汞器件通过抑制SRH（Shockley Read Hall）产生-复合电流来提高探测器的工作温度[9]，但其Type-I型能带配置使得价带带阶的调控存在较大的困难[4]，目前未见到较为成熟的焦平面探测器产品报道。1985年，英国皇家信号和雷达机构的Elliott和Ashley提出非平衡（Non-equilibrium）工作模式HOT红外焦平面探测器结构，他们指出该结构能够克服汞空位掺杂型n-on-p器件吸收区少子寿命短、非本征掺杂型n-on-p及p-on-n型器件高温下载流子浓度过高等问题，有效抑制了碲镉汞基红外探测器难以克服的俄歇复合电流[10-11]，有望使探测器的工作温度逐步提高并接近室温。

考虑到非工作模式探测器结构在实现高工作温度方面具有理论上的优势，本文讨论了基于非平衡工作模式的碲镉汞HOT器件的基本原理、器件结构和研究进展，并展望了未来碲镉汞高温探测器的研究方向。

1 非平衡模式器件结构及原理

1.1 俄歇抑制型器件

非平衡工作模式器件结构是在传统p-on-n结构的理论基础上逐渐发展出来的。如图1所示为传统p-on-n结构和非平衡工作模式器件结构在不同工作模式的碲镉汞器件掺杂浓度及能带示意图[12]。

图1(a)为传统双层平面异质结p-on-n探测器结构，其空间电荷区较短，准中性区较长，理想的Auger-1复合限的p-on-n探测器暗电流密度表示如下[12]：

式中：为单元电荷；为电子浓度；为吸收层厚度；i为本征载流子浓度；A为Auger-1寿命。N型材料Auger-1寿命与空穴、电子和本征载流子浓度及本征Auger-1寿命Ai相关，具体如下[1-2]：

图1 不同工作模式碲镉汞器件能带示意图: (a) 传统非俄歇抑制型p-on-n; (b) 俄歇抑制型; (c) 深度俄歇抑制型; (d) 全耗尽型

对于本征或高工作温度条件，≌＝i，可以得到暗电流如下：

从式(3)可以看出，在本征工作区的碲镉汞器件暗电流与材料的掺杂浓度无关，主要由本征载流子决定。本征载流子浓度n随温度升高呈指数增长，当p-on-n探测器工作温度上升到本征温度区时俄歇复合急剧增加导致暗电流剧增，限制了探测器性能。因此，在较高温度下有效抑制（俄歇抑制）本征热载流子浓度是提升探测器工作温度的关键。

图1(b)、(c)、(d)为非平衡模式P＋/(p)/N＋碲镉汞器件的能带结构图。在P＋/p/N＋结构中，P＋-p结形成排斥结，p-N＋结作为抽取结；在P＋//N＋结构中，-N＋结形成排斥结，P＋-结形成抽取结。以P＋//N＋为例，所谓的抽取结本质上就是p-n结，由低掺杂的吸收区与高掺杂的P＋区组成，P＋区采用宽带隙材料，吸收层采用窄带隙材料。由于内建电场的存在，吸收区的少子（空穴）扩散到结区会被快速抽取至P＋区，因此非平衡模式P＋/ν(π)/N＋碲镉汞器件可以有效实现俄歇抑制。

所谓的排斥结就是对多数载流子没有阻碍作用，但能阻止少数载流子注入[13]。在排斥结中，N＋区采用宽带隙，由于结的两边都是N型掺杂，当器件工作在反偏状态下，由于抽取结的存在，区的空穴被抽走，空穴浓度降低，需从N＋区补充。但由于N＋区没有足够的少子注入到吸收区，导致吸收区空穴浓度降低，在排斥结的区存在一个空间电荷中立区，满足条件[13]：

－＋d＝0 (4)

式中：是电子浓度；是空穴浓度；d是施主浓度，在区降低到一个较小值时，吸收区电子浓度也降低到非本征水平d以维持电中性。图2所示为275K温度下组分＝0.28、d－a＝1014cm－3时-N＋排斥结器件的载流子分布[13]。

一维条件下电子浓度满足连续性方程[13]：

式中：n为电子扩散系数；为总的产生率；为总的复合率。电子速度n＝－n，类似的空穴速度p＝＋p。其中是电场强度，可以通过下式关联到施加偏压下的电流：

图2 排斥结电子（实线）和空穴（虚线）浓度分布

对于空穴而言，连续性方程与上述类似。对于所有的复合过程中产生复合项G-R包含了一个因子（00-），其中前一项是平衡态下的电子与空穴浓度。在排斥结中较小，在数值分析中可以忽略的值，只剩下产生部分的贡献。在实际的器件结构中可以通过设计使得俄歇复合过程远远低于其他复合，这样产生速率基本上是一个常数，可以假设扩散部分在此区域可以忽略。空穴的连续性方程可以简化为：

式中：是一个常数，约等于排斥区SRH复合过程，带入＝/(n＋p)，同样忽略扩散过程，－＝d，可以得到在载流子浓度在排斥结中的分布如下：

在P＋/ν/N＋结构中，探测器吸收区处于非平衡模式，吸收区的载流子浓度远远低于本征载流子浓度（＝d≪i），从而达到俄歇抑制的效果。

1.2 吸收层全耗尽型器件

俄歇抑制型器件结构使得吸收层载流子浓度降低到非本征掺杂浓度从而抑制器件暗电流。当吸收层掺杂浓度进一步降低到背景浓度（～1013cm－3）时，在较小的偏压下吸收层完全耗尽，从而使得扩散电流被消除，此时器件暗电流受限于SRH产生-复合电流。若碲镉汞中SRH寿命足够长，光电二极管暗电流足够小，器件在近室温工作时仍能达到背景限性能（background radiation-limited performance, BLIP）[3,14-15]。

图1(d)为吸收层全耗尽型器件结构。器件具有如下关键特征[16]：

1）吸收层被宽带隙重掺杂的P＋层（Cap）和N＋层（Buffer）夹在中间以抑制暗电流的产生；

2）吸收层的n型掺杂浓度足够低，在适度的偏压下能够全耗尽；

3）宽带隙P＋层用来抑制器件的隧穿电流及表面漏电流，降低表面态相关的低频噪声。

在一定的偏压下实现全耗尽需要足够低的掺杂浓度，耗尽宽度与偏压及掺杂浓度关系如下[2]：

图3为实现5mm厚度中波器件吸收层全耗尽需要的掺杂浓度及偏压关系[3]。当掺杂浓度在1015cm－3水平时，要实现5mm厚的吸收层全耗尽需偏压加至10～30V；若掺杂浓度达到低系数的1013cm－3水平时，只需要0.4V的偏压既能实现5mm吸收层的全耗尽。

图3 不同浓度下实现碲镉汞中波5mm吸收层全耗尽所需偏压

Inset: absorber depletion thickness versus reverse bias and selected doping concentration

注：中间插图为特定掺杂浓度下实现全耗尽需要的偏压

2 非平衡模式器件技术研究进展

2.1 国外研究进展

基于以上分析可知，非平衡模式碲镉汞探测器在实现高工作温度方面具有较大的技术优势，自提出以来吸引了众多国外研究机构对其性能进行计算和仿真模拟，理论计算有助于通过能带工程进行器件结构优化设计，为该类型器件的制备奠定了基础。

2007年，美国TIS的W. E. Tennant基于吸收层掺杂浓度1～3×1015cm－3的p-on-n结构器件暗电流测试结果，提出了扩散限碲镉汞器件性能预测模型“Rule 07”[17-18]，Rule 07自提出以来就成为衡量红外探测器性能的一项重要指标，在碲镉汞红外探测器及ⅢⅤ族（XBn-InAsSb及二类超晶格）红外探测器性能预测和衡量方面得到广泛运用。随后，TIS进一步研究指出，俄歇抑制碲镉汞红外探测器暗电流水平远远优于Rule 07，如图4所示[12]。

图4 截止波长10mm的俄歇抑制p-on-n探测器暗电流密度随温度变化曲线

由于目前的p-on-on技术难以实现对俄歇复合过程的有效抑制，限制了碲镉汞HOT器件的性能提升，吸收层全耗尽型探测器因此被提出。2019年，美国TIS的Donald Lee等人基于全耗尽型P＋/v/N＋器件暗电流机制对器件极限性能进行了理论分析计算，提出了新的性能评价标准，即“Law 19”[16]。在新的理论下，器件吸收区全耗尽并实现了俄歇消除且SRH寿命足够高，器件能够工作在背景限。图5为短波（SWIR：c＝3mm），中波（MWIR：c＝5mm）和长波（LWIR：c＝10mm）探测器暗电流随温度变化的Rule 07与Law 19曲线[3]。从图中可以看出，随着波长延长及温度升高，满足Law19条件的器件暗电流比满足Rule 07条件的器件表现出越来越明显的性能优势。

图5 不同组分下Law 19与Rule 07计算得到暗电流密度随温度变化曲线

全耗尽型探测器为了达到背景辐射电流限，吸收层的产生-复合电流需要足够低，即dep＝Rad。计算结果表明，在300K下短波、中波和长波达到背景限所需SRH寿命分别为15ms、150ms和28ms[3]。这对材料晶体质量提出了严苛的要求，需要全面改进材料生长工艺，降低缺陷密度，提高晶体质量。图6所示为工作温度50K、100K、200K、300K背景限下全耗尽型探测器与其他研究机构报道探测器的暗电流密度比较[3]。从图中可以看出背景限下工作的全耗尽型器件暗电流密度均低于其他材料体系，且随着温度升高截止波长增大（c较大），基于全耗尽型非平衡模式碲镉汞器件暗电流的优势变得更大。

图6 全耗尽型器件暗电流与其他体系探测器暗电流对比

波兰军事技术大学Krzysztof JO´ Z´Wikowski等人2019年也对其所设计的长波P＋/π(v)/N＋结构器件进行了数值模拟，通过在吸收层上下边界加入势垒层优化器件结构，模拟结果表明长波器件量子效率能达70%，300K下归一化探测率达109cmHz1/2W－1（c＝10.6mm）[19]。2020年意大利都灵理工大学的Marco Vallone等人报道了俄歇抑制型非平衡模式器件性能模拟，由于较低的掺杂难以实现，器件性能仿真时采用的掺杂浓度在1014～1015cm－3之间，结果表明碲镉汞探测器要实现高温工作对剩余施主浓度要求严格，吸收层厚度对暗电流的减小效果较微弱[20]。2021年Antoni Rogalski对高工作温度红外探测器极限性能进行了研究，认为碲镉汞器件极限性能目前还未实现，基于全耗尽结构的碲镉汞探测器掺杂浓度需5×1013cm−3在TIS得以实现，背景限下工作的碲镉汞探测器当波长超过3mm时高温下的潜在探测率比Rule 07预测的值高一个数量级[3]。

对以上相关计算和仿真模拟进行总结分析，为了进一步提升高性能碲镉汞探测器的工作温度，采用非平衡模式是未来的重要发展方向。然而要真正实现非平衡模式探测器的研制，除了通过能带工程进行器件结构优化设计外，目前在工程实现方面还存在很多难点，其中最主要的是高质量材料的制备和吸收层低浓度掺杂的实现。在材料制备方面，非平衡模式碲镉汞器件为多层异质结，液相外延制备具有较大的困难，国际上多采用分子束外延（molecular beam epitaxy, MBE）或金属有机气相沉积（metalorganic chemicalvapor deposition, MOCVD）技术，目前也取得了进展[21-25]。

此外，非平衡模式碲镉汞器件关键之一是对吸收层掺杂浓度的控制，目前有很多国外研究对实现吸收层低浓度掺杂的研究以及相应探测器的性能进行了报道。2006年，英国Selex公司报道了基于MOCVD技术的中波P＋/π/N＋碲镉汞红外探测器的研制，吸收区π层采用原位As掺杂技术，掺杂浓度设计值2.5×1015/cm－3，器件在210K温度下工作时的NETD达到51mK（4.2mm@210K），当工作温度进一步升高时，1/f噪声限制了其性能[21]。2014年，Selex报道了其第三代HOT中波器件，他们采用MOVPE生长技术实现了3×1015/cm－3的P型掺杂及2×1014/cm－3的N型掺杂，采用0.97W功耗就能保证探测器组件在217K工作温度下稳定工作，实现稳定成像（凝视时间26ms）[22]。通过工艺技术的攻关，Selex公司同时已经实现了非平衡模式中波探测器产品的制备，工作温度为160K，规格为640×512，像元中心距为16mm，具体性能指标如表1所示。

2010年，美国DRS公司报道了基于HDVIP结构的非平衡模式中波红外碲镉汞高温器件，包括P＋/P－/N＋和P＋/N－/N＋两种结构，制备了640×480规格、像元间距12mm中波红外探测器（4.8mm@160K），具体性能指标如表1所示。P＋/N－/N＋结构中波器件N－区采用In掺杂，P＋采用Cu掺杂实现，工作温度能达160～170K，NETD小于25mK；P＋/P－/N＋结构中波器件P－区采用As离子掺杂，掺杂浓度在1.5×1015/cm－3左右，该器件在190K、F#/3条件下NETD小于30mK，在240K、F#/1条件下NETD小于25mK[23]。2008年ARL与EPIR报道了室温P＋/π/N＋俄歇抑制型长波器件，该器件采用一种新颖的As离子注入结合扩散激活退火技术，实现了对π区的低浓度掺杂，工作温度在130K以上时能实现俄歇抑制，300K时暗电流减少50%[24]。ARL长波红外P＋/π/N＋结构器件π区实现了浓度为中系数1015cm－3的可控掺杂，300K温度下-曲线在反向偏压约为0.5V时观察到明显的微分负阻现象，表明俄歇过程得到了有效的抑制[24]。波兰华沙军事技术大学2011年报道了采用MOCVD技术生长的P＋/π/N＋结构探测器，其采用TDMAAs替代AsH3进行P型掺杂，掺杂浓度5×1015/cm－3～5×1017cm－3，有效提高了少子寿命，使得器件在230K工作温度下0提高了一个数量级[25]。

美国TIS公司对非平衡模式碲镉汞器件技术进行了大量的理论与实验研究，在实现吸收层低浓度掺杂方面取得了良好的进展，从而提高了探测器的性能，2016年报导的俄歇抑制碲镉汞红外探测器的暗电流水平已经远远优于Rule 07[12,26]。随后，美国TIS公司在2019年实现了吸收层掺杂浓度低至2～5×1013cm－3的P＋/ν/N＋结构器件的制备，低掺杂浓度吸收层使得该器件在较低的偏压下实现吸收层的全耗尽，从而有效抑制了Aguer-1复合过程，使得中波探测器在超过200K温度下工作时的暗电流水平仍然能够保持在背景辐射限[16]。总之，吸收层的低浓度掺杂是实现非平衡模式的关键点和难点，然而目前的进展较为缓慢，需要该领域的研究者开发更有效的技术实现进一步的突破。

表1 国外主流公司碲镉汞HOT探测器产品[27-30]

2.2 国内研究进展

国内高工作温度碲镉汞探测器技术发展较为缓慢，目前正处于起步阶段。2017年昆明物理研究所（Kunming Institute of Physics，KIP）报道了基于Hg空位n-on-p技术的110K中波碲镉汞探测器的研制工作，在110K下NETD为19.3mK，有效像元率达99.33%[31]；2020年华北光电技术研究所（North China Research Institution of Electro-Optics）报道了基于非本征掺杂p-on-n技术的120K中波器件，在120K工作温度下NETD为22.6mK，有效像元率为99.19%[32]；2020年武汉高德红外股份有限公司（Wuhan Guide Infrared Co., LTD）报道了基于n-on-p技术路线的120K中波探测器研制，其组件的平均NETD在110K以下基本保持不变，120K下略有增加（14.5mK），有效像元率大于99.65%[33]。图7为国内主要研究机构报道的器件性能图，目前未见工作温度高于140K的碲镉汞红外探测器产品报道。目前国内高工作温度碲镉汞探测器技术路线主要以p-on-n为主，也是未来几年重点投入的一个方向，p-on-n技术路线虽然能够提升探测器的工作温度，但是由于高温下无法实现俄歇抑制，探测器的工作温度提升能力方面与非平衡模式相比存在差距，而国内目前还未见非平衡模式器件技术的相关报道。因此，为了实现高性能HOT器件的研制，未来国内还需要在非平衡模式器件方向开展更多的研发工作，提高我国在未来高性能HOT探测器领域的竞争力。

图7 国内主要研究机构报道高温碲镉汞器件性能

3 小结及展望

从碲镉汞HOT器件技术发展历程及其技术路线特点可以看出，最早得到发展的碲镉汞HOT器件基于Hg空位的n-on-p技术，通过优化材料晶体质量提高探测器工作温度，但受限于其自身Hg空位带来的深能级缺陷限制其工作温度的进一步提高。Au掺杂n-on-p与Hg空位n-on-p技术相比在一定程度上提高了少子寿命使得红外探测器可以在更高的温度下工作，但工作温度进一步提升受制于不能对高温下本征载流子浓度进行有效抑制。碲镉汞HOT器件路线之三是非本征掺杂p-on-n技术，此技术路线在世界主流红外探测器机构得到大力发展且取得了较好的成绩，国内昆明物理研究所和华北光电技术研究所目前基于这一路线正在研发阶段，可以预见这一技术是未来几年国内重点发展的一个方向，但此技术在高温下仍缺乏对本征载流子浓度的有效抑制，限制其工作温度进一步提升。第四条技术路线是nBn势垒型结构设计，理论上高温下能实现对多数载流子的有效阻断，从而可以较大地提升探测器工作温度，但由于该结构在碲镉汞体系下工程实现具有较大的困难，目前还难以进行实际应用[34-35]。第五条技术路线就是基于非平衡模式P＋/π()/N＋器件，该结构通过多层异质结和不同掺杂浓度的有效结合形成抽取结及排斥结，在高温下能够有效实现载流子浓度的抑制，随着与之相关的工艺水平进一步提高，该技术路线近年来得到迅速发展。

非平衡工作模式P＋/π(ν)/N＋器件理论已经提出30多年，相关基础理论较为成熟。早期主要受限于高质量多层异质结构材料生长工艺、材料背景杂质控制、低损伤器件制备工艺等技术难点，限制了HOT器件技术的发展和应用。近十多年来，随着材料与器件制备工艺的成熟，通过能带工程设计材料生长结构有效抑制隧穿电流，通过极低浓度的掺杂进一步实现吸收区的全耗尽，非平衡模式P＋/π(ν)/N＋结构探测器有望实现近室温红外探测。

在非平衡模式碲镉汞器件研制方面，美国TIS公司通过吸收层低浓度掺杂及材料晶体质量控制，实现了2～5×1013cm－3范围掺杂浓度可控及长SRH寿命，报道了近室温的全耗尽型焦平面探测器。根据以上分析，未来实现碲镉汞高温探测器的近室温探测最有潜力的技术路线是吸收层全耗尽型器件。但目前只有TIS公司报道实现1013cm－3浓度掺杂，只有DRS及TIS报道了SRH寿命达ms量级的材料制备。要实现高性能近室温碲镉汞探测器的制备还有很多技术需要突破，可以预见未来基于全耗尽型碲镉汞HOT焦平面器件研制工作主要包括：1）基于能带工程的器件结构优化设计技术；2）实现可控的吸收层低浓度（1013cm－3）稳定掺杂技术；3）高晶体质量低缺陷密度的异质结材料制备技术。

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High Operation Temperature Non-equilibrium Photovoltaic HgCdTe Devices

YU Jianyun，KONG Jincheng，QIN Gang，YANG Jin，SONG Linwei，CONG Shuren，LI Yanhui

(Kunming Institute of Physics, Kunming 650223, China)

In this paper, we review both domestic and foreign state-of-the-art high operation temperature (HOT) MCT infrared detector technologies and their corresponding device performance. Based on the analysis of the characteristics of dark current versus temperature, we summarize the working principles under the non-equilibrium operation mode, device structure design and the origin of the dark current. We also determined the relationship between the performance of the fully depleted absorber device, device structure parameters, and material quality. We also discuss the technical key points of the development of a non-equilibrium operation-mode HOT infrared photodetector. Further development HOT MCT infrared detector technologies is expected.

HgCdTe, non-equilibrium, auger suppression, fully depleted, HOT

TN215

A

1001-8891(2023)01-0015-08

2021-12-15；

2022-04-11.

俞见云（1990-），男，云南曲靖人，工程师，硕士研究生，研究方向是光电材料。E-mail: y976321338@163.com。

孔金丞（1979-），男，云南南华人，研究员级高级工程师，博士生导师，主要从事光电材料与器件研究。E-mail: Kongjincheng@163.com。

基础加强计划技术领域项目（2019-JCJQ-JJ527）。