持續(xù)提高光子型紅外探測器的工作溫度是紅外探測技術(shù)從第3代向第4代發(fā)展過程中的一個重要方向。將碲鎘汞基紅外焦平面探測器的工作溫度提高到室溫，以滿足系統(tǒng)對紅外探測器的小尺寸、輕重量、低功耗、高可靠性及高環(huán)境適應(yīng)性等使用需求是當(dāng)前亟待解決的問題。

為了提高紅外探測器的工作溫度，德國AIM、法國Lynred、英國Selex、美國Raytheon、美國TIS（Teledyne Imaging Sensor）等公司先后采用Hg空位n-on-p、非本征摻雜型n-on-p、p-on-n以及非平衡P＋/ν(π)/N＋等技術(shù)途徑開展了高工作溫度（HOT）器件的研制工作。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，昆明物理研究所的科研團(tuán)隊在《紅外技術(shù)》期刊上發(fā)表了以“基于非平衡模式的碲鎘汞高工作溫度探測器”為主題的綜述文章。該文章通訊作者為孔金丞研究員級高級工程師，主要從事光電材料與器件的研究工作。

該文章回顧了當(dāng)前國內(nèi)外高工作溫度碲鎘汞紅外探測器的技術(shù)路線和相應(yīng)的器件性能，在碲鎘汞器件暗電流的溫度特性分析的基礎(chǔ)上，討論了基于非平衡工作模式的碲鎘汞探測器的基本原理、器件結(jié)構(gòu)設(shè)計和暗電流機(jī)制，探討了吸收層全耗盡碲鎘汞器件性能與器件結(jié)構(gòu)參數(shù)、材料晶體質(zhì)量的關(guān)系，明確了其技術(shù)要點和難點，展望了碲鎘汞高工作溫度器件技術(shù)的發(fā)展趨勢。

非平衡模式器件結(jié)構(gòu)及原理

俄歇抑制型器件

非平衡工作模式器件結(jié)構(gòu)是在傳統(tǒng)p-on-n結(jié)構(gòu)的理論基礎(chǔ)上逐漸發(fā)展出來的。如圖1所示為傳統(tǒng)p-on-n結(jié)構(gòu)和非平衡工作模式器件結(jié)構(gòu)在不同工作模式的碲鎘汞器件摻雜濃度及能帶示意圖。

圖1 不同工作模式碲鎘汞器件能帶示意圖：（a）傳統(tǒng)非俄歇抑制型p-on-n；（b）俄歇抑制型；（c）深度俄歇抑制型；（d）全耗盡型

圖1（b）、（c）、（d）為非平衡模式P＋/ν(π)/N＋碲鎘汞器件的能帶結(jié)構(gòu)圖。在P＋/π/N＋結(jié)構(gòu)中，P＋-π結(jié)形成排斥結(jié)，π-N＋結(jié)作為抽取結(jié)；在P＋/ν/N＋結(jié)構(gòu)中，ν-N＋結(jié)形成排斥結(jié)，P＋-ν結(jié)形成抽取結(jié)。以P＋/ν/N＋為例，所謂的抽取結(jié)本質(zhì)上就是p-n結(jié)，由低摻雜的吸收區(qū)v與高摻雜的P＋區(qū)組成，P＋區(qū)采用寬帶隙材料，吸收層ν采用窄帶隙材料。

由于內(nèi)建電場的存在，吸收區(qū)的少子（空穴）擴(kuò)散到結(jié)區(qū)會被快速抽取至P＋區(qū)，因此非平衡模式P＋/ν(π)/N＋碲鎘汞器件可以有效實現(xiàn)俄歇抑制。在P＋/ν/N＋結(jié)構(gòu)中，探測器吸收區(qū)處于非平衡模式，吸收區(qū)的載流子濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于本征載流子濃度（n＝Nd?ni），從而達(dá)到俄歇抑制的效果。

吸收層全耗盡型器件

俄歇抑制型器件結(jié)構(gòu)使得吸收層載流子濃度降低到非本征摻雜濃度從而抑制器件暗電流。當(dāng)吸收層摻雜濃度進(jìn)一步降低到背景濃度（～1013cm-3）時，在較小的偏壓下吸收層完全耗盡，從而使得擴(kuò)散電流被消除，此時器件暗電流受限于SRH產(chǎn)生-復(fù)合電流。若碲鎘汞中SRH壽命足夠長，光電二極管暗電流足夠小，器件在近室溫工作時仍能達(dá)到背景限性能（BLIP）。

圖1（d）為吸收層全耗盡型器件結(jié)構(gòu)。器件具有如下關(guān)鍵特征： （1）吸收層被寬帶隙重?fù)诫s的P＋層（Cap）和N＋層（Buffer）夾在中間以抑制暗電流的產(chǎn)生； （2）吸收層的n型摻雜濃度足夠低，在適度的偏壓下能夠全耗盡；

（3）寬帶隙P＋層用來抑制器件的隧穿電流及表面漏電流，降低表面態(tài)相關(guān)的低頻噪聲。

圖2 不同濃度下實現(xiàn)碲鎘汞中波5μm吸收層全耗盡所需偏壓（注：中間插圖為特定摻雜濃度下實現(xiàn)全耗盡需要的偏壓）

非平衡模式器件技術(shù)研究進(jìn)展

非平衡模式碲鎘汞探測器在實現(xiàn)高工作溫度方面具有較大的技術(shù)優(yōu)勢，自提出以來吸引了眾多國外研究機(jī)構(gòu)對其性能進(jìn)行計算和仿真模擬，理論計算有助于通過能帶工程進(jìn)行器件結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，為該類型器件的制備奠定了基礎(chǔ)。

國外研究進(jìn)展

2007年，美國TIS的W. E. Tennant基于吸收層摻雜濃度1～3×1015cm-3的p-on-n結(jié)構(gòu)器件暗電流測試結(jié)果，提出了擴(kuò)散限碲鎘汞器件性能預(yù)測模型Rule 07，Rule 07自提出以來就成為衡量紅外探測器性能的一項重要指標(biāo)，在碲鎘汞紅外探測器及ⅢⅤ族（XBn-InAsSb及二類超晶格）紅外探測器性能預(yù)測和衡量方面得到廣泛運用。隨后，TIS進(jìn)一步研究指出，俄歇抑制碲鎘汞紅外探測器暗電流水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于Rule 07，如圖3所示。

圖3 截止波長10μm的俄歇抑制p-on-n探測器暗電流密度隨溫度變化曲線

由于目前的p-on-on技術(shù)難以實現(xiàn)對俄歇復(fù)合過程的有效抑制，限制了碲鎘汞HOT器件的性能提升，吸收層全耗盡型探測器因此被提出。2019年，美國TIS的Donald Lee等人基于全耗盡型P＋/v/N＋器件暗電流機(jī)制對器件極限性能進(jìn)行了理論分析計算，提出了新的性能評價標(biāo)準(zhǔn)，即Law 19。從圖4可以看出，隨著波長延長及溫度升高，滿足Law19條件的器件暗電流比滿足Rule 07條件的器件表現(xiàn)出越來越明顯的性能優(yōu)勢。

圖4 不同組分下Law 19與Rule 07計算得到暗電流密度隨溫度變化曲線

全耗盡型探測器為了達(dá)到背景輻射電流限，吸收層的產(chǎn)生-復(fù)合電流需要足夠低，即Jdep＝JRad。計算結(jié)果表明，在300K下短波、中波和長波達(dá)到背景限所需SRH壽命分別為15ms、150μs和28μs。這對材料晶體質(zhì)量提出了嚴(yán)苛的要求，需要全面改進(jìn)材料生長工藝，降低缺陷密度，提高晶體質(zhì)量。

隨后，2019年波蘭軍事技術(shù)大學(xué)Krzysztof JO′ Z′Wikowski等人也對其所設(shè)計的長波P＋/π(v)/N＋結(jié)構(gòu)器件進(jìn)行了數(shù)值模擬。2020年意大利都靈理工大學(xué)的Marco Vallone等人報道了俄歇抑制型非平衡模式器件性能模擬。2021年Antoni Rogalski 對高工作溫度紅外探測器極限性能進(jìn)行了研究。

對以上相關(guān)計算和仿真模擬進(jìn)行總結(jié)分析，為了進(jìn)一步提升高性能碲鎘汞探測器的工作溫度，采用非平衡模式是未來的重要發(fā)展方向。然而要真正實現(xiàn)非平衡模式探測器的研制，除了通過能帶工程進(jìn)行器件結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計外，目前在工程實現(xiàn)方面還存在很多難點，其中最主要的是高質(zhì)量材料的制備和吸收層低濃度摻雜的實現(xiàn)。

在材料制備方面，非平衡模式碲鎘汞器件為多層異質(zhì)結(jié)，液相外延制備具有較大的困難，國際上多采用分子束外延（MBE）或金屬有機(jī)氣相沉積（MOCVD）技術(shù)，目前也取得了進(jìn)展。

此外，非平衡模式碲鎘汞器件關(guān)鍵之一是對吸收層摻雜濃度的控制，目前有很多國外研究對實現(xiàn)吸收層低濃度摻雜的研究以及相應(yīng)探測器的性能進(jìn)行了報道。英國Selex公司、美國DRS公司、美國TIS公司、美國ARL與EPIR、波蘭華沙軍事技術(shù)大學(xué)均對對非平衡模式碲鎘汞器件技術(shù)進(jìn)行了大量的理論與實驗研究。

其中美國TIS公司在實現(xiàn)吸收層低濃度摻雜方面取得了良好的進(jìn)展，從而提高了探測器的性能。總之，吸收層的低濃度摻雜是實現(xiàn)非平衡模式的關(guān)鍵點和難點，然而目前的進(jìn)展較為緩慢，需要該領(lǐng)域的研究者開發(fā)更有效的技術(shù)實現(xiàn)進(jìn)一步的突破。

國內(nèi)研究進(jìn)展

國內(nèi)高工作溫度碲鎘汞探測器技術(shù)發(fā)展較為緩慢，目前正處于起步階段。2017年昆明物理研究所（KIP）報道了基于Hg空位n-on-p技術(shù)的110K中波碲鎘汞探測器的研制工。2020年華北光電技術(shù)研究所報道了基于非本征摻雜p-on-n技術(shù)的120K中波器件作。2020年武漢高德紅外股份有限公司報道了基于n-on-p技術(shù)路線的120K中波探測器研制。

圖5 國內(nèi)主要研究機(jī)構(gòu)報道高溫碲鎘汞器件性能

總結(jié)及展望

從碲鎘汞HOT器件技術(shù)發(fā)展歷程及其技術(shù)路線特點可以看出，最早得到發(fā)展的碲鎘汞HOT器件基于Hg空位的n-on-p技術(shù)，通過優(yōu)化材料晶體質(zhì)量提高探測器工作溫度，但受限于其自身Hg空位帶來的深能級缺陷限制其工作溫度的進(jìn)一步提高。

Au摻雜n-on-p與Hg空位n-on-p技術(shù)相比在一定程度上提高了少子壽命使得紅外探測器可以在更高的溫度下工作，但工作溫度進(jìn)一步提升受制于不能對高溫下本征載流子濃度進(jìn)行有效抑制。碲鎘汞HOT器件路線之三是非本征摻雜p-on-n技術(shù)，此技術(shù)路線在世界主流紅外探測器機(jī)構(gòu)得到大力發(fā)展且取得了較好的成績，國內(nèi)昆明物理研究所和華北光電技術(shù)研究所目前基于這一路線正在研發(fā)階段，可以預(yù)見這一技術(shù)是未來幾年國內(nèi)重點發(fā)展的一個方向，但此技術(shù)在高溫下仍缺乏對本征載流子濃度的有效抑制，限制其工作溫度進(jìn)一步提升。

第四條技術(shù)路線是nBn勢壘型結(jié)構(gòu)設(shè)計，理論上高溫下能實現(xiàn)對多數(shù)載流子的有效阻斷，從而可以較大地提升探測器工作溫度，但由于該結(jié)構(gòu)在碲鎘汞體系下工程實現(xiàn)具有較大的困難，目前還難以進(jìn)行實際應(yīng)用。第五條技術(shù)路線就是基于非平衡模式P＋/π(v)/N＋器件，該結(jié)構(gòu)通過多層異質(zhì)結(jié)和不同摻雜濃度的有效結(jié)合形成抽取結(jié)及排斥結(jié)，在高溫下能夠有效實現(xiàn)載流子濃度的抑制，隨著與之相關(guān)的工藝水平進(jìn)一步提高，該技術(shù)路線近年來得到迅速發(fā)展。

非平衡工作模式P＋/π(v)/N＋器件理論已經(jīng)提出30多年，相關(guān)基礎(chǔ)理論較為成熟。早期主要受限于高質(zhì)量多層異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料生長工藝、材料背景雜質(zhì)控制、低損傷器件制備工藝等技術(shù)難點，限制了HOT器件技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。近十多年來，隨著材料與器件制備工藝的成熟，通過能帶工程設(shè)計材料生長結(jié)構(gòu)有效抑制隧穿電流，通過極低濃度的摻雜進(jìn)一步實現(xiàn)吸收區(qū)的全耗盡，非平衡模式P＋/π(v)/N＋結(jié)構(gòu)探測器有望實現(xiàn)近室溫紅外探測。

在非平衡模式碲鎘汞器件研制方面，美國TIS公司通過吸收層低濃度摻雜及材料晶體質(zhì)量控制，實現(xiàn)了2～5×1013cm-3范圍摻雜濃度可控及長SRH壽命，報道了近室溫的全耗盡型焦平面探測器。根據(jù)以上分析，未來實現(xiàn)碲鎘汞高溫探測器的近室溫探測最有潛力的技術(shù)路線是吸收層全耗盡型器件。但目前只有TIS公司報道實現(xiàn)1013cm-3濃度摻雜，只有DRS及TIS報道了SRH壽命達(dá)ms量級的材料制備。要實現(xiàn)高性能近室溫碲鎘汞探測器的制備還有很多技術(shù)需要突破，可以預(yù)見未來基于全耗盡型碲鎘汞HOT焦平面器件研制工作主要包括：（1）基于能帶工程的器件結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計技術(shù)；（2）實現(xiàn)可控的吸收層低濃度（1013cm-3）穩(wěn)定摻雜技術(shù)；（3）高晶體質(zhì)量低缺陷密度的異質(zhì)結(jié)材料制備技術(shù)。

審核編輯：劉清