胡易林,劉 銘,王成剛,楊海燕,郝 斐

(華北光電技術研究所,北京100015)

1 引 言

自1957年英國人Lawson等人發(fā)明并人工合成碲鎘汞材料以來,這種理論上能夠滿足整個紅外波段探測需求的窄禁帶材料開始應用于紅外領域并逐漸成為制備紅外探測器主流材料。

隨著技術發(fā)展,碲鎘汞紅外探測器從第一代(單元或多元光導器件,使用體材料)到第二代(探測器滿足單一探測波段、規(guī)模在30萬像素以內,使用外延材料),再發(fā)展到以SaWP3為目標的第三代,其主要特征為超大規(guī)模、甚長波、多色探測、弱信號探測、雪崩型探測和高工作溫度。

作為第三代紅外探測器,碲鎘汞雪崩光電二極管(Avalanche Photon Diode,APD)是主要結構為PN結的在高反向偏置電壓下產(chǎn)生雪崩倍增效應實現(xiàn)光信號的探測和信號放大的光電探測器件。一般來說,為獲得較低的過剩噪聲因子和較高的頻率響應,APD材料中空穴和電子的電離系數(shù)相差越大越好。Leveque等人[1]發(fā)現(xiàn)通過改變Cd組分,碲鎘汞材料存在電子和空穴之間電離系數(shù)的巨大差異,可以制備單載流子激發(fā)APD,因此HgCdTe被認為是低過剩噪聲紅外APD的最有效解決方案[2,3]。并且碲鎘汞材料具有高量子效率(QE),高效的光學吸收及高碰撞電離率可允許制備高雪崩增益的APD,有較高的增益帶寬積和高信噪比,并且過剩噪聲因子F可以達到1左右[4]。

近年來,HgCdTe APD在高增益、高帶寬、低噪聲等方面取得了很大的進展,因此被認為是超低能量探測的關鍵,在主被動成像、波前探測等領域有著廣闊的應用前景[5]。

2 碲鎘汞APD主要路線及技術方案

碲鎘汞APD目前應用的技術方案可以分為平面/臺面PIN型、環(huán)孔型以及吸收-倍增分離型(Separate Absorption and Multiplication Region,SAM)。按照電流傳輸方向區(qū)分,平面/臺面PIN型與SAM型屬縱向電流傳輸型,環(huán)孔結構的APD電流傳輸方向為橫向。

其中平面/臺面PIN型最早實用化并且目前應用最為廣泛,CEA-LETI、BAE、AIM以及上海技術物理研究所均使用該方案。一般采用N+-N--P型結構,即在傳統(tǒng)n-on-p器件的PN結中間增加淺摻雜的I區(qū),增加反偏壓時的耗盡區(qū)寬度,降低局域電場,抑制暗電流?？梢赃x擇液相外延或者分子束外延生長材料；器件制備工藝簡單,采用離子注入成結加以退火調整,可控性好；器件的等效溫差NETD 和調制傳遞函數(shù)MTF 也可做得很好[6]。平面/臺面PIN型碲鎘汞APD示意圖見圖1。

圖1 平面及臺面PIN型碲鎘汞APD結構示意圖

環(huán)孔型是DRS公司選用的研究路線,采用高密度垂直光電二極管結構(High-Density Vertically Interconnected Photodiode,HDVIP)[7],其結構本質依然是PIN型,結構示意圖見圖2。光信號由正面入射,器件可以達到較高的性能水平,但制備技術比較復雜,難度高,尤其是需要完整去除碲鋅鎘襯底同時不對碲鎘汞薄膜造成損傷,因此限制了該技術方案的應用。

圖2 環(huán)孔型碲鎘汞APD結構示意圖

制備吸收-倍增分離型(Separate Absorption and Multiplication Region,SAM)碲鎘汞APD中的吸收區(qū)與倍增區(qū)分離,見示意圖3,通常使用MBE、MOCVD等技術直接生長多層異質結的碲鎘汞材料。該方案需要對多層結構的各層厚度、摻雜濃度及組分進行設計優(yōu)化,材料生長也是一個難題,對原位摻雜水平提出了較高要求。選用SAM型碲鎘汞APD的代表是美國Raytheon公司,選擇使用MBE法生長碲鋅鎘基碲鎘汞[8]。

圖3 SAM型碲鎘汞APD結構示意圖

3 國外機構研究進展

3.1 Leonardo公司SAPHIRA系列APD研究進展

Leonardo公司自2002年對HgCdTe線性模式雪崩光電二極管(LmAPD)進行開發(fā),使用金屬有機氣相外延(MOVPE)技術生長具有復雜的帶隙結構和摻雜分布的HgCdTe材料[9]。使用MOVPE技術可以通過調整帶隙結構來抑制結相關暗電流源從而大幅度降低暗電流,并阻止來自表面的附加泄漏電流。

SAPHIRA是第一個用于在低通量條件下進行近紅外/短波紅外傳感的HgCdTe APD紅外傳感器系列,陣列規(guī)格為320×256/24 μm。器件為臺面結構,結構示意圖見圖4?？捎貌ㄩL范圍為0.8～2.5 μm,在20 V的偏置電壓下達到600的增益,在60 K條件下測得剩噪聲因子F=1[10]。使用SAPHIRA系列APD可以探測到單個紅外光子,但在一次讀取中無法區(qū)分吸收的兩個或更多光子[11]。

圖4 Leonardo公司MOVPE 生長器件結構示意圖

3.2 DRS公司HDVIP結構APD研究進展

美國DRS公司的HgCdTe雪崩光電二極管(APD)探測器的設計基于高密度垂直集成光電二極管(HDVIP)結構[7]。HDVIP器件為圓柱形n-on-p結構,如圖5所示。

圖5 HDVIP APD側視圖

該結構成功的關鍵在于:器件表面使用CdTe進行互擴散鈍化,以獲得低1/f噪聲；由于PN結方向與液相外延碲鎘汞材料生長方向垂直導致缺陷密度較低；紅外光子側面入射使APD具有高量子效率、高填充因子、低串擾和良好的調制傳遞函數(shù)(MTF)。除此之外HDVIP的柱面幾何結構具有載流子選擇性,非常適合電子注入及倍增,再加上HgCdTe材料獨特的能帶結構,使APD在77 K時具有與增益無關的單載流子(k=0)過剩噪聲因子。

器件使用6～9 μm厚度的P型碲鎘汞薄膜,具有汞空位和第 IB 族雜質摻雜,并用銦進行反摻雜。通孔使用離子刻蝕,刻蝕導致汞填隙原子進入碲鎘汞材料內部使得通孔周圍形成N型區(qū),制得N+-N--P結構。隨后對通孔進行金屬沉積形成N區(qū)與讀出電路間的電學互連,并使用抗反射(AR)涂層使量子效率最大化[12]。

Beck等人在MWIR E-APD反偏壓為13 V時測量到超過1000的增益,并測得與增益無關過剩噪聲因子為1.3,截止波長為4.3 μm。制備的40 μm間距的128×128焦平面陣列在80 K條件下反偏壓為 11 V時測得的增益高達 946,噪聲等效光子(NEPh)輸入低至 0.4 光子。后續(xù)研究中通過減小PN結直徑降低了APD的過剩噪聲系數(shù),并且將增益提高到1900以上,并且測得量子效率超過90 %[13]。

3.3 Raytheon公司SAM型APD研究進展

Raytheon公司采用吸收倍增分離(SAM)結構設計碲鎘汞APD,結構設計見圖6,使用分子束外延(MBE)技術在生長碲鋅鎘基碲鎘汞,宏觀缺陷密度低于500 cm2。APD陣列測試結果表明,在300 K條件下,獲得遠高于100的增益,以及0.15 nW的 NEP值和約為1的過剩噪聲值,并且表現(xiàn)出線性模式光子計數(shù)[8]。Raytheon公司開發(fā)的用于掃描和凝視三維激光雷達系統(tǒng)的近紅外傳感器芯片組件(SCA),將高性能APD集成其中,表現(xiàn)出優(yōu)異的空間和距離分辨率,實現(xiàn)了近距離和遠距離的詳細3D圖像[14]。

圖6 Raytheon公司P-SAM型APD結構示意圖

3.4 CEA-LETI 平面PIN型APD研究進展

CEA-LETI和Sofradir合作生產(chǎn)的平面PIN型碲鎘汞APD,結構示意見圖7,其中發(fā)生雪崩倍增的N-區(qū)厚度約為1～3 μm,截止波長為2.5～5.6 μm,測試得到的最大增益為13000,增益達到100時的反偏壓為7～10 V。高增益的有效性取決于APD的暗電流噪聲、觀測時間以及探測電子器件的噪聲。過剩噪聲因子F約為1.1～1.4,量子效率(QE)達到60 %～80 %[15]。

圖7 CEA-LETI碲鎘汞APD結構示意圖

CEA Leti已經(jīng)開發(fā)了一種用于被動或主動2D和3D成像的高幀速率雙模紅外陣列探測器[16]。采用具有線性增益的HgCdTeAPD陣列,規(guī)格為320×256/30 μm,在3D工作模式下獲得了很高的靈敏度,能夠記錄每個像素的飛行時間(TOF)和一個激光脈沖的強度。

3.5 BAE公司平面PIN型APD研究進展

BAE公司的M.B.Reine 等人報告了一種背入射式平面型PIN結構碲鎘汞 e-APD[17],器件結構如圖8所示,使用水平液相外延在4 cm×6 cm大小的碲鋅鎘襯底上生長P型中波碲鎘汞薄膜,生長過程中引入濃度為4.5×1014cm-3的In摻雜以建立N區(qū)的施主濃度。光敏元尺寸較大達到250 μm×250 μm,陣列規(guī)格為4×4,。在160 K下的截止波長為4.29 μm,反偏壓為11.7 V時達到最大增益為648,在80 K時測量到的增益歸一化暗電流密度在-10.0 V時達到約為0.3 μA/cm2。

圖8 BAE公司平面型碲鎘汞e-APD截面圖

3.6 AIM公司平面PIN型APD研究進展

德國AIM公司的A.SIECK等人制備了平面型PIN結構碲鎘汞APD,器件采用背入射式,使用液相外延在碲鋅鎘襯底上生長碲鎘汞,摻雜Hg空位或IB族受主使材料表現(xiàn)為p型,表面用寬禁帶II-VI族合金鈍化。通過離子注入形成N+區(qū),汞間隙原子擴散得到N-區(qū)。150 K時截止波長為2.55 μm,在工作溫度為140 K時,-14 V偏壓下測得增益值為20[18]。

4 國內研究進展

4.1 上海技術物理研究所相關研究

4.1.1 暗電流機理研究

上海技物所使用Sentaurus TCAD軟件對碲鎘汞APD暗電流機理及不同反偏壓下的組成差異進行研究。通過對平面[19-20]以及臺面[19]PIN結構碲鎘汞APD的模擬,發(fā)現(xiàn)反偏壓較小時,暗電流主要由非本征Shockley-Read-Hall電流(SRH)和陷阱輔助隧穿電流(TAT)組成。反偏壓增加導致處于較高費米能級的載流子穿越耗盡區(qū)可能性增加,使得帶間隧穿電流(BBT)增大。因此在較高反偏壓下,BBT電流和雪崩放大電流(AVA)成為暗電流的主要組成部分。提高探測器性能和降低暗電流的實質是抑制高反向偏壓下的BBT和AVA電流[20]。

研究表明APD結構會一定程度上影響器件性能,平面PIN型碲鎘汞APD倍增區(qū)結尖角明顯提高暗電流水平,改善結間電場分布的均勻性對降低BBT電流是有效的,而倍增區(qū)的厚度會明顯影響臺面APD的暗電流[19]。增加耗盡寬度越大可以降低N-區(qū)濃度,從而降低暗電流,但同時會嚴重影響增益,降低器件性能。因此器件結構設計的目標是降低缺陷密度,優(yōu)化結電場,最終抑制大反向偏壓下的暗電流,提高器件性能。

4.1.2 器件模擬

以暗電流的相關研究為基礎,上海技物所后續(xù)設計并模擬了不同結構的碲鎘汞APD器件。李慶等人針對平面PIN結構提出了保護環(huán)(Guard Ring)設計[21],研究表明保護環(huán)設計可以削弱平面PIN結構碲鎘汞APD的表面局部電場引起的暗電流并能將增益噪聲比提高了近兩個數(shù)量級。為提高碲鎘汞APD工作溫度,何家樂等人[22]提出了一種新的勢壘阻擋長波pBp-APD結構。通過耦合勢壘層結構能夠有效降低吸收區(qū)載流子濃度,具有保持良好的電子阻擋效應,因此可以降低吸收層中的載流子濃度并降低暗電流,允許大幅度提高工作溫度。模擬結果驗證了改進結構的可行性,為新結構碲鎘汞APD提供了新思路。

4.1.3 器件制備

顧仁杰與沈川[23]制備128×128規(guī)格的臺面PIN結構的中波碲鎘汞APD陣列,碲鎘汞材料使用MBE法制備,器件增益在10 V反偏壓下可達到335。李浩等人[24]選擇使用離子束刻蝕制備N-區(qū),再結合離子注入制備PIN結構。

上海技物所最新成果是128×128/50 μm的中波 HgCdTe APD陣列[25],使用液相外延技術生長。器件為背入射式平面PIN結構,如圖9所示。通過優(yōu)化工藝將N-區(qū)厚度控制在3 μm左右。APD在10 V反向偏壓下的增益為728,當增益為700時,F值小于1.8。當反偏壓低于9 V時,GNDC小于100 nA/cm2,但在高偏置電壓下,暗電流開始明顯快于增益,導致器件性能受到限制。

圖9 上海技物所PIN型碲鎘汞APD結構示意圖

總結來說,上海技物所制備的HgCdTe APD FPA可以達到高增益、低過剩噪聲等技術指標,但在低通量應用中仍有待提高。

4.2 昆明物理研究所相關研究

昆明物理研究所對APD的研究起步較晚,于2018年制備了中波碲鎘汞APD并對其增益效應展開研究[26]。使用的中波碲鎘汞材料通過液相外延制得,結構為平面型N+-N--P結構,通過離子注入、退火工藝實現(xiàn),N-區(qū)厚度約為1～3 μm,單元器件的光敏面積為30 μm×30 μm,結構示意圖見圖10。

圖10 HgCdTeAPD 器件結構示意圖

通過調整成結、退火參數(shù),制得飽和耗盡區(qū)寬度分別為2.5 μm和1.2 μm的器件。前者的雪崩增益在-8 V反偏下為100,后者在-12.5 V 高反偏下可以得到大于2000的增益。因為較寬的耗盡區(qū)可以有效抑制隧穿電流,允許器件工作在高反偏壓下進而獲得較高的雪崩增益。

5 碲鎘汞APD應用情況

5.1 天文應用

用于空間成像的探測器對性能要求很高,低通量探測必須有高量子效率和低暗電流。碲鎘汞APD是近中紅外波段最靈敏的探測器之一,可以應用于機載和星載激光雷達,用于表面高度、大氣氣體濃度、光譜強度等方面。它們已成功應用于哈勃太空望遠鏡,并將用于詹姆斯·韋伯太空望遠鏡(JWST)[27]。

SAPHIRA探測器已經(jīng)成功應用于多個天文探測項目[10]。歐洲GRAVITY項目中將SAPHIRA APD陣列應用于望遠鏡,其雪崩增益超過50,并且可以減少大量的噪聲,因此可以對更廣闊的星空進行詳細觀測。2018年5月,GRAVITY項目首次使用SAPHIRA探測器觀測到引力紅移,顯示該儀器將徹底改變天體的動態(tài)測量,對后續(xù)天文觀測具有重要意義。新一代512×512/24 μm規(guī)格的SAPHIRA APD陣列將安裝在歐洲超大望遠鏡(ELT),用于極端自適應光學的波前傳感。將應用于低光子通量天文成像的探測器陣列規(guī)格將達到1 k×1 k/15 μm。而由ESA資助的2 k×2 k/15 μm規(guī)格的LmAPD陣列已開始研制,未來將用于深空成像[28]。

5.2 國防和安全應用

線性模式APD陣列對于利用激光雷達進行遠程成像或在遠程被動成像中抑制湍流至關重要,它們是3D成像的基礎,3D成像被認為是自動目標識別的關鍵。Raytheon公司開發(fā)的的碲鎘汞APD陣列和傳感器芯片組件(SCA)用于掃描和凝視激光雷達系統(tǒng),并已經(jīng)在Raytheon導彈系統(tǒng)和海軍空戰(zhàn)中進行了集成和演示顯示了良好的空間和距離分辨率[3]。

在安全領域,碲鎘汞APD可以應用于遠程化學檢測。新一代化學檢測儀器目標是檢測和識別各種物理狀態(tài)下的化學戰(zhàn)劑(CWA)、非傳統(tǒng)戰(zhàn)劑和有毒工業(yè)化學品(TIC),這些技術依賴于特定的化學反應,如拉曼散射(振動響應)和紅外光譜(紅外吸收)。Leonardo公司線性模式APD傳感器具有高靈敏度、快速的響應速度和合適的波長范圍,可在遠程化學檢測中實現(xiàn)數(shù)量級的提高[29]。對于痕量氣體探測,Raytheon公司開發(fā)的4×4像素HgCdTe APD陣列可以用于激光雷達測量,這些探測器成功地應用于美國NASA的1.57 μm CO2激光雷達、1.65 μm CH4激光雷達[27]。

6 總結

自新世紀以來,國外公司對碲鎘汞APD進行了深入研究并取得了一系列研究成果,各公司根據(jù)自身技術水平選擇了不同的技術路線,并且根據(jù)結構需要選擇不同的制備技術生長碲鎘汞材料,已經(jīng)成功制備高性能器件并應用于航天、安全等領域。

相比較而言,國內對碲鎘汞APD研究起步較晚,目前上海技物所的研究水平處于領先位置,已經(jīng)制備成功增益可達728的128×128/50 μm的碲鎘汞 APD陣列,昆明物理所也對該領域開展研究并成功制備器件。雖然近年來國內相關研究出現(xiàn)了可喜的進步,但仍與國際先進水平存在一定差距,尤其是并未見到實際應用有關的進展情況。由于碲鎘汞APD在軍用及民用領域均有廣闊應用前景,所以我國應持續(xù)推進相關研究進步,追趕國外廠家,以早日達到國際先進水平。