碲鎘汞紅外探測器增透結構設計

鄭 華， 樊 華， 王子儀， 魏彥鋒， 張榮君

(1. 復旦大學 信息科學與工程學院, 上海超精密光學制造工程技術研究中心, 上海 200433;2. 中國科學院上海技術物理研究所 中國科學院紅外成像材料與器件重點實驗室，上海 200083)

·儀器設備研制與開發·

碲鎘汞紅外探測器增透結構設計

鄭 華1， 樊 華2， 王子儀1， 魏彥鋒2， 張榮君1

(1. 復旦大學 信息科學與工程學院, 上海超精密光學制造工程技術研究中心, 上海 200433;2. 中國科學院上海技術物理研究所 中國科學院紅外成像材料與器件重點實驗室，上海 200083)

針對工作在涵蓋甚長波段的碲鎘汞紅外探測器，設計較薄的光學膜層或光學結構實現反射率低于10%的減反效果，分為減反膜系和類光子晶體兩種設計。基于光學薄膜理論設計并分別用兩種算法優化得到了3層和4層ZnS/YbF3增透膜。經過模擬計算，設計的減反膜在8～16 μm的寬光譜波段范圍內能大幅度減少紅外探測器表面的反射，平均反射率低于5%，并且在0°～60°入射角范圍內都具有明顯的減反效果。另外，通過類光子晶體的周期性納米柱結構設計，得到了在14～16 μm波段平均反射率低于5%的設計方案。兩種方案提供了不同思路的甚長波減反設計， 減反膜系相對簡單廉價，易于大規模生產；類光子晶體設計，生產技術要求較高，但性質更加穩定可靠。

甚長波； 減反膜； 類光子晶體； 反射率

0 引 言

在紅外探測方面，如何提高碲鎘汞甚長波紅外探測器上光子的吸收效率是目前紅外探測發展的一個重點[1-2]。對于甚長波碲鎘汞紅外探測器，長波光子的光吸收系數較低，為了提高吸收效率，加厚吸收層或者減少反射光是兩種有效的手段。但是，吸收層厚度有一定的限制，太厚使得部分光生少子無法擴散到PN結區，從而降低探測器的量子效率。因此，減少反射光是提高吸收效率的重要途徑。

光學減反膜是最常用的減反手段[3-5]。單層抗減反膜系技術相對比較成熟，國內在14 μm以下的紅外減反射研究多采用單層硫化鋅(ZnS)減反膜。但是對于甚長波探測器，這種工藝并不適用，隨著截止波長的增加，需要生長很厚的ZnS單層膜，膜的均勻性、牢固度都會存在問題，因此，用多層膜系來替代單層膜是目前迫切需要解決的一個問題。盡管多層薄膜系統設計經過國內外多年的發展，已經形成了一套較為完整的理論體系，但介紹在紅外甚長波段以碲鎘汞為基底的多層薄膜系統的文獻比較少。

經歷了20多年的發展，光子晶體被認為也是一種非常有效的減反結構[6-9]。光子晶體具有周期性排列的微觀結構，能夠實現對光的有效控制。例如，通過刻蝕得到的周期性陣列結構能夠在一定的波段有效降低反射率[9]。

本文以碲鎘汞甚長波紅外探測器為基底進行了多層膜理論設計和類光子晶體結構設計，并模擬驗證了減反膜和類光子晶體結構的減反效果，模擬實現了寬波段的減反效果。

1 設計原理

1.1 減反膜

(1) 材料選擇。在紅外波段， ZnS與一些氟化物在紅外波段透明無吸收，可利用高折射率的ZnS與低折射率的氟化物相組合形成多層減反膜系，提高對入射光的吸收效率[5,10-12]。綜合考慮各種氟化物的物理化學性質，YF3和YbF3是兩種較為合適的候選材料[11,13]，本文采用了ZnS/YbF3膜系。

(2) 減反膜層結構。圖1為碲鎘汞紅外探測器上的減反膜設計模型，最下面一層為碲鎘汞(HgCdTe)紅外探測器的PN結，中間為300 μm的碲化鎘(CdTe)襯底層，最外層即為設計的硫化鋅(ZnS)、氟化鐿(YbF3)減反膜層。

圖1 碲鎘汞紅外探測器上的減反膜設計結構模型

(3) 設計目標。考慮到成本和工藝實現問題，有如下設計目標：①層數要少，便于實現；②每層厚度不能太大(>10 μm級)，也不能太小(<1 nm級)；③總厚度不能太大(>10 μm級)；④盡可能寬波段8～16 μm的低反射率。

(4) 薄膜設計理論。本文采用等效界面法和薄膜特征矩陣計算多層膜的反射率[14]：

(1)

(2)

其中：ηj為第j層的光學導納；δj為第j層的相位差。

按照上述矩陣算法，可以得到各種不同設計的在各個波段反射率的模擬計算結果。

(5) 優化算法。為了更好地進行計算機軟件計算并優化設計結果，采用兩種優化算法：① 全局修正的最小二乘法。該算法的原理為通過改變膜層厚度，計算與目標值的均方根誤差(RMSE)，來選擇最小RMSE的結果。該算法的特點是只優化膜層厚度，不改變膜層數。② 針法優化算法[15-16]。對任意給定的膜系計算，算出最佳插入位置，然后在這一位置插入極薄的膜層，使得評價函數大幅度降低。反復循環這一過程，可使膜系層數不斷增多，從而獲得評價函數不斷降低的膜系結構，同時整合去除極薄的膜層，而最終得到令人滿意的結果。該算法的特點是既優化膜層厚度，又改變膜層數。

1.2 類光子晶體

通過合理的設計，納米柱、納米錐等納米周期性陣列結構能夠提供很好的減反效果。本文在碲鎘汞基底上設計了納米柱結構以實現減反目標[1, 7]。

如圖2所示，設定初始各項特征參數，設計的納米柱高H， 直徑D，陣列周期P。利用傳輸矩陣法(TMM)，模擬改變各個特征參數，計算相應的微結構陣列的反射率，選取最優值。

圖2 納米柱陣列結構示意圖(μm)

2 紅外探測器設計

2.1 減反膜設計

采用全局修正的最小二乘法對薄膜厚度進行計算，采用LHL初始模型(L代表低折射率材料YbF3，H代表高折射率材料ZnS)，得到3層減反膜結構：378L/673H/2 000L (nm)共計3 051 nm，，模擬計算其在8～16 μm波段范圍內零入射角平均反射率為4.09%。

利用針法算法，采用上述擬合結果為初始設計，改變薄膜厚度和層數，優化設計出的膜系結構，得到最終的4層結構：837H/93L/340H/2 047L(nm)共計3 317 nm。模擬計算其在8～16 μm波段范圍內零入射角的平均反射率為3.58%。

如圖3所示，設計的減反膜系有明顯的減反效果，反射率從基底(碲鎘汞+碲化鎘)的22%下降至3.6%和4.1%，并且厚度較為合適，僅約為3 μm，膜層數少(3或4層)，工藝容易實現。

圖3 基底與加上兩種增透膜設計的模擬反射譜

另外，在模擬計算中發現，加上設計的增透膜后，碲鎘汞探測器在0°～60°P光和S光入射的模擬計算反射率也非常低，如圖4所示，加上增透膜后的探測器具有廣角度的低反射率：60°入射的P光平均反射率僅為5%左右，S光為10%左右。

圖4 加上四層增透膜后的探測器在0°～60°P光、S光入射的模擬反射譜

另外，可以發現在40°～60°入射的P、S光反射率變化的規律：即0°～40°，隨著入射角度的增大，P光反射率降低，S光反射率上升；在50°入射角時，相對之前角度P光反射率在13 μm以后明顯上升，S光反射率全波段明顯下降；60°時P光、S光的反射率恢復之前規律，P光反射率降低，S光反射率上升。這個P、S偏振光的反射率變化現象可能是由多層膜系的布魯斯特現象導致的綜合結果。

目前，國內外在碲鎘汞紅外探測器表面生長YbF3(或YF3)和ZnS的多層減反膜的相關研究報道比較少，單獨生長YbF3(或YF3)和ZnS的多層減反膜也極少，相關報道的多層膜效果為在8～12 μm平均透射率87.9%[13]，在波段范圍、減反效果、適用基底等方面本文所設計結果遠遠優于文獻報道。也有文獻設計多層減反膜達到接近本設計的效果[5, 12]，但其層數很多，厚度較大，工藝復雜度更大，可操作性不及本設計結果。

2.2 類光子晶體設計

通過TMM軟件模擬計算，求得一組合適的納米柱陣列參數：高3 μm， 直徑6 μm，周期為9 μm。如圖5所示，類光子晶體設計能夠達到與多層膜結構類似效果，特別是在14～16 μm波段平均反射率低于5%。相比減反膜設計結果在16 μm附近減反效果更加明顯。多層減反膜可能存在應力不均勻，黏附力不強等實際問題，而類光子晶體結構性質相對更加穩定可靠，然而缺點是加工工藝較為復雜，光刻成本較高，大規模生產較為困難；以及類光子晶體微結構與探測器光敏元的對準仍存在一定的困難。但從目前已有的文獻數據[1]來看，類光子晶體結構仍將成為一種非常有競爭力的設計。

圖5 類光子晶體結構設計與減反膜設計的結果對比

3 結 語

通過理論計算，同時兼顧到工藝上的可行性，最后設計了兩種在遠紅外及甚長波段(8～16 μm)平均反射率低于5%的3層(3.6%)和4層(4.1%)總厚度3 μm左右的碲鎘汞紅外探測器減反膜系，并具有廣角度(0°～60°入射角)減反、增透的效果。另外設計了類光子晶體納米柱陣列減反結構，在14～16 μm波段平均反射率低于5%，相對于減反膜在16 μm附近有更好的減反效果。

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·名人名言·

我們應該不虛度一生，應該能夠說，“我已經做了我能做的事”。

——居里夫人

Design of Antireflective Structures on HgCdTe Substrate at Very Long Wavelength Infrared

ZHENGHua1,FANHua2,WANGZi-yi1,WEIYan-feng2,ZHANGRong-jun1

(1. School of Information Science and Engineering, Shanghai Engineering Research Center of Ultra-Precision Optical Manufacturing, Fudan University, Shanghai 200433, China; 2. Key Laboratory of Infrared Imaging Materials and Detectors, Shanghai Institute of Technical Physics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200083, China)

To reduce reflection of the HgCdTe detector at very long wavelength (<10%), the design of the antireflective films and the antireflective array was reported. Based on thin film theory and two kinds of optimization algorithms, two kinds of results were calculated, they were three layers or four layers ZnS/YbF3 thin films. The antireflective films we designed reduce the reflection (<5%) in a wide wavelength (8～16 μm) and large incident angles (0～60°). What's more, we also designed nanorod array as another method, it also has a low reflection (<5%) at very long wavelength (14～16 μm). For two methods, the thin film method is cheap and easy to put into production; the nanorod array method gets better stability but requires higher techniques.

very long wavelength; antireflective structures; photonic quasi-crystal; reflection

2016-04-05

國家自然科學基金項目(11174058)；國家科技重大專項課題(2011ZX02109-004)；復旦大學精品課程建設項目、望道項目；中國科學院紅外成像材料與器件重點實驗室開放基金資助

鄭 華(1992-)，男，浙江紹興人，碩士生，主要從事光電信息功能材料的光學性質研究。

E-mail: 15210720006@fudan.edu.cn

O-436.1

A

1006-7167(2017)01-0046-03

張榮君 (1972-)，男，河南羅山人，博士，教授，主要從事信息功能材料的光學性質、光學儀器系統與光子學器件等方面研究與教學。Tel.: 021-65643559; E-mail: rjzhang@ fudan.edu.cn