宋淑芳,黃來玉,田 震

(1.華北光電技術(shù)研究所,北京 100015;2.遼寧省軍區(qū)數(shù)據(jù)信息室,遼寧 沈陽 110032)

1 引 言

碲鎘汞紅外探測器典型工作溫度為液氮溫度77 K,紅外探測器對低溫工作的需求極大地限制了它們的體積、質(zhì)量、功耗、成本的控制,從而限制了紅外探測器的應(yīng)用。隨著紅外探測器技術(shù)的快速發(fā)展,使紅外探測器通過提高工作溫度,降低探測器的體積、質(zhì)量、功耗、成本,實現(xiàn)探測器的小型化、低功耗、高性能成為可能,因此多種高工作溫度紅外探測器技術(shù)不斷涌現(xiàn),高工作溫度成為紅外探測器的重要發(fā)展方向。

2 高工作溫度碲鎘汞紅外探測器的基本原理

碲鎘汞紅外探測器是將混成芯片封裝在微型杜瓦內(nèi)部,采用制冷機提供所需冷量,將混成芯片降溫至設(shè)定的工作溫度時,工作溫度保持穩(wěn)定狀態(tài),由外部電路供電,驅(qū)動探測器組件工作。由于制冷機的體積、質(zhì)量和功耗占據(jù)整個紅外探測器主要部分,因此降低紅外探測器的體積、質(zhì)量、功耗實際上是主要降低制冷機的體積、質(zhì)量和功耗,因此通過提高紅外探測器工作溫度,降低對制冷機冷量的要求,從而達(dá)到降低制冷機的體積、質(zhì)量和功耗,實現(xiàn)實現(xiàn)探測器的小型化、低功耗、高性能,如圖1所示[1]。

圖1 典型高工作溫度紅外探測器的研發(fā)過程Fig.1 Typical research process of Higher operating temperature HgCdTe detectors

紅外探測器在探測過程中,器件的光電流大于暗電流,才能實現(xiàn)目標(biāo)探測,而器件的暗電流是與探測材料、器件結(jié)構(gòu)、工作溫度等因素密切相關(guān),一般來說,提高工作溫度,暗電流將按指數(shù)形式增加,因此在探測材料不變的情況下,需要改變器件結(jié)構(gòu)來降低暗電流,實現(xiàn)工作溫度的提高。

碲鎘汞P-on-N紅外探測器的器件結(jié)構(gòu)設(shè)計就是針對傳統(tǒng)N-on-P碲鎘汞紅外探測器在暗電流控制方面的不足提出的,器件結(jié)構(gòu)采用同質(zhì)結(jié)和異質(zhì)結(jié)兩種形式。

對于光伏型紅外探測器的暗電流Idark可以表示為:

Idark=Idiff+ISRH+Itun+Isurf

其中,Idiff是擴散電流,與材料的俄歇復(fù)合等過程有關(guān)；ISRH是產(chǎn)生復(fù)合電流,與耗盡層中載流子的產(chǎn)生復(fù)合(SRH)過程有關(guān)；Itun是隧穿電流,主要與界面處的勢壘高度有關(guān)；Isurf是表面電流,主要和器件的表面態(tài)有關(guān)。

理論分析表明,與俄歇復(fù)合有關(guān)的暗電流即Idiff擴散電流與吸收層的載流子濃度有關(guān),吸收層載流子濃度越高,Idiff擴散電流越大。在N-on-P紅外探測器件中,吸收層為未摻雜P型層,載流子的濃度依賴于外延材料汞空位的濃度,汞空位濃度很難得到有效的控制,同樣很難獲得載流子濃度很低的P型材料,因而N-on-P紅外探測器件的Idiff擴散電流較大。ISRH產(chǎn)生復(fù)合電流主要與耗盡層中少子的壽命有關(guān),少子壽命越大ISRH越小,對于N-on-P紅外探測器件,P型吸收層的少子是電子,與空穴的壽命相比較,電子的壽命比較短,因而ISRH產(chǎn)生復(fù)合電流較大,另外ISRH產(chǎn)生復(fù)合電流與勢壘層高度有關(guān),同時正比于材料的缺陷濃度,材料中的缺陷越多,產(chǎn)生和復(fù)合中心也就越多,ISRH產(chǎn)生復(fù)合電流增加。Itun隧穿電流,是指二極管一側(cè)的載流子直接穿過勢壘而進(jìn)入另一側(cè)而產(chǎn)生的電流,Itun隧穿電流一般與耗盡層的厚度和界面處的勢壘高度有關(guān),耗盡層的厚度越厚或者界面處的勢壘高度越高,Itun隧穿電流越小。Isurf表面電流,主要和器件的表面態(tài)有關(guān),可以通過器件的表面鈍化等工藝有效地控制。

碲鎘汞P-on-N紅外探測器的器件結(jié)構(gòu)一般選用摻In的碲鎘汞薄膜材料作為N型吸收層,由于載流子的濃度和In摻雜濃度有關(guān),精確地控制In摻雜濃度可以將載流子濃度控制在1014～1015/cm3比較低的水平,這就克服了N-on-P紅外探測器件中,吸收層為未摻雜P型層,載流子的濃度依賴于外延材料汞空位濃度,無法獲得低載流子濃度的困難,因而在P-on-N結(jié)構(gòu)中Idiff擴散電流得到有效地抑制。對于P-on-N紅外探測器件,N型吸收層的少子是空穴,空穴的壽命比較長,因而ISRH產(chǎn)生復(fù)合電流較小,同時選用寬禁帶的P型材料做為Cap層,即P型層材料的鎘組分高于N型層的組分,形成異質(zhì)結(jié)材料,在pn結(jié)界面處形成一個勢壘,勢壘層的存在將有效地增加耗盡層中少子的壽命,從而降低ISRH產(chǎn)生復(fù)合電流的影響,由于勢壘的存在Itun隧穿電流極大地降低,因此P-on-N異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)不僅可以降低擴散電流,還可以有效控制產(chǎn)生復(fù)合電流和遂穿電流,使得器件的暗電流進(jìn)一步降低。實驗表明,與N-on-P碲鎘汞紅外探測器相比使用P-on-N結(jié)構(gòu),可以使暗電流降低兩個數(shù)量級,如圖2所示[2],因此利用P-on-N結(jié)構(gòu)可以將紅外探測波長拓展到甚長波范圍,對于碲鎘汞短波、中波、長波器件,采用P-on-N結(jié)構(gòu)可以提高工作溫度,降低功耗,使碲鎘汞高溫器件的實用化成為可能。

圖2 N-on-P和P-on-N紅外探測器暗電流隨截止波長的變化曲線Fig.2 Dark current density vs.cutoff wavelength for N-on-P and P-on-N HgCdTe detectors

3 國內(nèi)外研究進(jìn)展

美國Raytheon公司于19世紀(jì)80年代開始進(jìn)行碲鎘汞P-on-N器件的研究,90年代逐步應(yīng)用于第二代、第三代紅外焦平面探測器,實現(xiàn)了在高工作溫度和甚長波探測方向的應(yīng)用[3]。Raytheon公司的器件結(jié)構(gòu)利用分子束外延方法(MBE)在Si襯底上依次生長N型碲鎘汞吸收層和P型碲鎘汞Cap層,制備成P-on-N異質(zhì)結(jié)臺面結(jié)構(gòu),如圖3所示。2010年,美國Raytheon公司通過對高工作溫度中波(截止波長4.8 μm)產(chǎn)品開發(fā)研制,陣列1536×1024,15 μm中心距,采用P-on-N結(jié)構(gòu)的探測器工作溫度提高到115 K,NETD≤20 mK(F=3.47)。

圖3 Raytheon公司的高工作溫度碲鎘汞紅外探測器器件結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Cross-sectional view of Raytheon HgCdTe device at high operating temperature

法國Sofradir是歐洲最大紅外探測器制造商,采用P-on-N碲鎘汞材料器件結(jié)構(gòu)制備高工作溫度紅外探測器[4-6]。探測材料是在碲鋅鎘襯底上利用富碲水平液相外延的方法生長摻In的N型碲鎘汞外延膜,然后利用離子注入的方法在特定區(qū)域注入As,經(jīng)過一系列退火過程,除去注入引入的損傷以及完成As激活,形成P型層,從而形成pn結(jié),由于P型層和N型層的碲鎘汞組分是相同的,因此叫做P-on-N碲鎘汞同質(zhì)結(jié),如圖4所示。經(jīng)過碲鎘汞器件平面結(jié)工藝、倒裝互聯(lián)和讀出電路相結(jié)合,配以適當(dāng)?shù)闹评錂C完成封裝,中波GALATEA 640×512,15 μm中心距波探測器,工作溫度從80 K提高到150 K,功耗從5 W降低到1.5 W,重量從550 g減少到300 g,實現(xiàn)了產(chǎn)品小尺寸、低功耗、低重量(SWAPs)的應(yīng)用要求,如圖5所示。

圖4 Sofradir公司的高工作溫度碲鎘汞紅外探測器器件結(jié)構(gòu)示意圖以及組件圖Fig.4 Cross-sectional view and of Sofradir HgCdTe device at high operating temperature

圖5 Sofradir高工作溫度中波紅外探測器的研發(fā)過程Fig.5 Sofradir research process of Higher operating temperature HgCdTe detectors

法國Sofradir(如圖5所示)長波Scorpio LW探測器參數(shù)如下:640×512、15 μm中心距、NETD為22 mK(80K),探測譜段7.8～9.3 μm(80 K),工作溫度提高到110 K,NETD為26 mK。由于器件結(jié)構(gòu)選用P-on-N碲鎘汞同質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu),擴散電流得到有效的控制,暗電流下降,但是產(chǎn)生復(fù)合電流和遂穿電流無法得到有效的控制。

近年來,德國AIM公司一直致力于高工作溫度長波紅外探測器的研制,器件結(jié)構(gòu)采用N-on-P和P-on-N兩種結(jié)構(gòu)[7-12]。與傳統(tǒng)的汞空位N-on-P器件結(jié)構(gòu)不同,高工作溫度的N-on-P器件結(jié)構(gòu)采用液相外延方法制備低摻雜Au的P型碲鎘汞,將Au摻雜濃度控制在比較低的水平,降低吸收層載流子的濃度,從而降低擴散電流的影響。然后利用離子注入方法形成N型區(qū),形成pn結(jié)。高工作溫度的P-on-N器件結(jié)構(gòu)采用與Sofradir一樣的器件結(jié)構(gòu),在摻In的N型碲鎘汞外延膜,然后利用離子注入的方法在特定區(qū)域注入As,經(jīng)過一系列退火過程,除去注入引入的損傷以及完成As激活,形成P型層,從而形成pn結(jié)。探測器的參數(shù)如下:320×512、20 μm中心距、截止波長為11.0 μm(80 K)。對比兩種器件結(jié)構(gòu)的性能參數(shù),P-on-N器件結(jié)構(gòu)的工作溫度可以提高至110 K,而N-on-P器件結(jié)構(gòu)的工作溫度為90 K。2019年采用P-on-N器件結(jié)構(gòu)截止波長為3～5 μm中波探測器,陣列規(guī)格為1024×768,10 μm中心距,在保持參數(shù)性能不變的情況下,工作溫度從80 K提高到160 K,制冷機穩(wěn)定功耗從29 W降低到2 W,如圖6所示,實現(xiàn)了產(chǎn)品小尺寸、低功耗、低重量(SWAPs)的應(yīng)用要求。

圖6 AIM公司的高工作溫度碲鎘汞紅外探測器研發(fā)過程Fig.6 AIM research process of Higher operating temperature HgCdTe detectors

美國Teledyne公司[13-14]選用P-on-N(P-γ-N)雙層平面異質(zhì)結(jié)(DLPH)制備HgCdTe紅外探測器,HgCdTe材料使用分子束外延(MBE)進(jìn)行生長,首先在襯底上生長寬禁帶的N+層,然后再生長低摻雜濃度的N-(γ)吸收層,摻雜濃度為1013/cm3,接下來生長寬禁帶的N層,形成三明治結(jié)構(gòu),窄禁帶吸收層夾在兩層寬禁帶層中間,能夠進(jìn)一步降低暗電流,最后在部分區(qū)域進(jìn)行As注入,形成pn平面結(jié),該結(jié)構(gòu)的吸收層摻雜濃度極低,因此N型層全部耗盡,暗電流降到了最低點,理論上工作溫度可以到200K以上,如圖7所示。

圖7 Teledyne公司的高工作溫度碲鎘汞紅外探測器器件結(jié)構(gòu)Fig.7 Cross-sectional view and of Teledyne HgCdTe device at high operating temperature

美國DRS公司采用高密度垂直集成光電器件結(jié)構(gòu)(HDVIP)制備紅外探測器[15-16],HgCdTe材料使用傳統(tǒng)的液相外延(LPE)進(jìn)行生長,每個像元都有一條刻蝕形成的通路通到襯底,襯底上生長的P型摻雜(摻Au)碲鎘汞薄膜為pn結(jié)的P型層,N型層是通過刻蝕及離子注入形成并圍繞在通路側(cè)面,形成了一個P型層包圍著N型層的特殊結(jié)構(gòu),如圖8所示。其結(jié)構(gòu)是橫向電流傳輸。該器件結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)點:二極管的成結(jié)方向與材料生長方向相垂直,降低了材料中位錯密度對器件性能的影響；器件采用雙面CdTe鈍化技術(shù),可以顯著降低器件的1/f噪聲；HDVIP器件不需要使用In柱互連技術(shù),器件的熱穩(wěn)定性好； HDVIP結(jié)構(gòu)在側(cè)入射下工作,有效地提高了其量子效率及調(diào)制函數(shù)性能。2010年,DRS采用N+/N-/P+和N+/P-/P+兩種器件結(jié)構(gòu),如圖9所示,截止波長為4.8 μm中波探測器,陣列規(guī)格為1536×1024,15 μm中心距,在保持參數(shù)性能不變的情況下,工作溫度從80 K提高到160 K。

圖8 高密度垂直集成光電器件結(jié)構(gòu)(HDVIP)Fig.8 Cross-sectional and top viewof high-density vertically integrated photodiode(HDVIP)architecture

圖9 DRS采用N+/N-/P+和N+/P-/P+兩種器件結(jié)構(gòu)示意圖Fig.9 DRS HDVIP N+/N-/P+ and N+/P-/P+ architectures

目前高工作溫度長波碲鎘汞探測器組件仍處于產(chǎn)品研發(fā)階段,歐美國家主要機構(gòu)基本上采用P-on-N器件結(jié)構(gòu)技術(shù)研制高工作溫度長波碲鎘汞探測器組件,其中法國法國Sofradir和德國AIM公司采用As離子注入同質(zhì)結(jié)的技術(shù),該技術(shù)路線采用平面工藝,與傳統(tǒng)N-on-P兼容性好,適合于高溫中波探測器的制備,但是As離子激活難度大,激活率不高,影響長波器件性能的提升。而美國Teledyne公司研究機構(gòu)則采用MBE方法制備的雙層平面異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)(DLPH),這種技術(shù)路線僅得到了理論的計算結(jié)果,沒有后續(xù)的產(chǎn)品報道。

表1 各研究機構(gòu)高工作溫度紅外探測器參數(shù)Tab.1 Parameters of infrared detectors at high operating temperature

在國家的支持下,“十三五”期間,我國開展高工作溫度碲鎘汞焦平面技術(shù),以及P-on-N甚長波碲鎘汞焦平面技術(shù)研究[17-18],采用As摻雜臺面異質(zhì)結(jié)和As注入平面同質(zhì)結(jié)兩種技術(shù)路徑制備P-on-N型碲鎘汞探測器,具有一定基礎(chǔ)。

4 結(jié) 語

與國外的高工作溫度探測器研制水平相比,目前我國的高工作溫度紅外探測器處于研發(fā)的起步階段。P-on-N平面同質(zhì)結(jié)、 P-on-N臺面異質(zhì)結(jié)的碲鎘汞探測器制備技術(shù)在中波-甚長波的研究突破了一些關(guān)鍵技術(shù),但是高溫器件的研究還處于起步階段,技術(shù)基礎(chǔ)薄弱。高溫工作是紅外探測器的發(fā)展趨勢,為滿足國防科技事業(yè)對高工作溫度碲鎘汞紅外探測器日益增長的需求,開展高工作溫度碲鎘汞紅外探測器的研究勢在必行。利用P-on-N臺面異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢,大力發(fā)展P-on-N臺面異質(zhì)結(jié)碲鎘汞紅外高溫器件,實現(xiàn)紅外探測器高性能、小尺寸、低功耗、低重量(SWAPs)的應(yīng)用要求,為國防建設(shè)奠定基礎(chǔ)。