高工作溫度紅外探測器的研究進展及趨勢

張坤杰

高工作溫度紅外探測器的研究進展及趨勢

張坤杰

（昆明物理研究所，云南 昆明 650223）

基于高工作溫度探測器的熱成像系統的典型特征是體積小、重量輕、功耗低，其性能在降低成本的同時與低溫制冷型熱成像系統的性能相當，有著重要的應用價值和批量生產的前景。本文介紹勢壘型探測器的結構特點，闡述構建勢壘型探測器的材料結構類型與其對系統性能的影響，總結其他相關技術實現的高溫探測器。最后對勢壘型探測器目前的研究進展進行歸納，提出了幾個高溫探測器技術未來的研究方向。

勢壘型結構；高工作溫度探測器；材料制備；熱成像系統；光電器件

0 引言

與傳統的光電系統相比，現代化光電系統逐漸向著體積更緊湊、功耗更低、成本更低的方向設計，也就是低SWaP（size, weight and power）應用。對于固態探測器來說，低SWaP指標的需求通常與每個像元中暗電流的顯著減少相對應。因為暗電流指數一般依賴于探測器工作溫度，所以在暗電流與光電流可比之前，暗電流越低，越可提高更多的工作溫度。當探測器達到背景限性能（background limited performance，BLIP）溫度時，溫度的再升高會導致圖像質量的大幅衰減。基于上述考量，焦平面工作溫度實際上被定義為暗電流比光電流低一到兩個數量級的溫度，因此使得探測器對任何微小的溫度變化都不敏感，從而實現探測器的高工作溫度環境[1-2]。這有助于降低制冷機的制冷功率、增加工作壽命、最終降低紅外系統的整體尺寸、重量和功耗，符合低SWaP指標。因此，高溫（high operating temperature，HOT）探測器一方面具有與非制冷型探測器可比的尺寸、體積和重量，另一方面，也滿足在節約成本的同時具有與傳統制冷型紅外系統可比的光電性能[3]。目前，國外一些公司，如Leonardo DRS公司、美國Raytheon公司、美國Teledyne公司、法國Lynred公司、Selex Galileo公司、德國AIM公司和以色列SCD公司都已陸續推出HOT探測器，應用領域多樣，如卡裝式武器熱瞄鏡、便攜式手持戰術熱像儀、小型無人機、遙控狙擊手和遙控武器站、導彈導引頭等空間受限的紅外系統。

1 基于勢壘型結構的HOT探測器

1.1 nBn勢壘型結構特點

異質結nBn單極勢壘型探測器在2006年被提出，單極勢壘這一詞就是描述能阻擋一個載流子類型（電子或空穴）同時保持其他載流子自由通過的一個勢壘層[4]。n代表同一窄禁帶半導體中的摻雜，B代表無摻雜的中心勢壘層[4]。這種結構與傳統的PN結有些類似，結（空間電荷區）被電子阻擋單極勢壘層B所替代，p型接觸層被n型接觸層所替代，所以nBn探測器也可以被理解為光導器件與光伏器件的混合[4]。

nBn探測器通過排除窄禁帶光子吸收層材料中的耗盡電場來完全抑制大量的產生-復合（generation -recombination，G-R）電流，G-R電流對來自光子吸收層的暗電流的貢獻受到全部抑制，以此呈現出較低的暗電流，所以nBn探測器又被稱作沒有耗盡區的器件[4-10]。

圖1所示的是nBn結構禁帶圖，在勢壘層一側的n型半導體形成一層接觸層用于偏壓器件，同時勢壘層另一側的n型窄禁帶半導體是一層光子吸收層，其厚度應與光在器件中的吸收長度可比，典型值為幾微米。為了避免勢壘層阻擋光生少數載流子（又稱光生空穴）穿過器件，其位置的準確性很重要，勢壘層應該接近少數載流子接觸層，且距離光學吸收區域較遠，這種勢壘型結構的安排允許光生少數載流子流向接觸層的同時阻擋住多數載流子暗電流、再次注入的光電流和表面漏電流[4,11]。因此，以圖2為例，nBn結構允許光生少數載流子即使在非常低的偏壓下也能流向未受阻的接觸層，同時使導帶中大量的勢壘阻擋住與SRH（Shockley-Read-Hall）過程相關的暗電流[4,10]。換句話說，多數載流子（電子）的擴散被耗盡區的勢壘阻擋，同時熱產生或光吸收產生的光生少數載流子實現了相對自由地穿過器件，這樣可確保一個高的內部量子效率[5-6,12]。

1.2 XBn結構特點

以nBn結構為基礎衍生出XBn、XBnn等多種勢壘型結構[13]。其中，XBn結構又被稱為Bariode（勢壘型二極管）[5-7,12,14]，X表示n型或p型接觸層，B表示n型寬禁帶勢壘層，n表示n型窄禁帶吸收層，也就是光子吸收層和勢壘層被摻雜了電子施主[6,8]。如果是XBp結構，則表示摻雜了電子受主[6]。

XBn探測器的耗盡區是由帶有大的導帶偏移的寬禁帶勢壘材料制成，又因為只有寬禁帶勢壘層材料被耗盡才會對G-R電流產生貢獻，但因禁帶太大，所以其貢獻比來自吸收層的擴散電流的貢獻小。因此，XBn探測器的電子性質就像一個寬禁帶器件，但光學性質像一個窄禁帶器件[8,14]。

圖1 nBn勢壘型結構的禁帶示意圖

圖2 nBn結構的各種電流成分的空間構成和勢壘阻擋

紅外探測器的最大工作溫度通常由隨溫度呈指數增長的暗電流決定[5-7]。基于異質結材料的XBn探測器具有與標準同質PN結探測器相似的能帶形狀，但區別是XBn探測器的任意窄禁帶區都不存在耗盡區，耗盡區被限制在一個寬禁帶勢壘材料內，因此，G-R電流對暗電流的貢獻幾乎被完全抑制，暗電流由此變為擴散限的。與相同材料的傳統PN結探測器相比，XBn探測器中以擴散限為主導的暗電流可實現工作溫度的升高，且性能基本沒有損失[5,8,14]。另外，因為寬禁帶耗盡的勢壘層可為相鄰臺面提供隔離，同時窄禁帶吸收層的任意部分都沒有暴露在空氣中，所以XBn探測器的制備更簡單，更有可能實現較好的焦平面均勻性[5]。

如圖3所示，黑色實線代表標準PN結探測器中的暗電流，其下部的斜率約為上部斜率的一半，它們分別對應G-R電流和擴散限電流的激活能。黑色虛線代表XBn探測器中的暗電流，是高溫擴散限電流向溫度在0以下的延伸，表示XBn探測器中不包含G-R電流的暗電流的變化過程[5-6]。圖中探測器暗電流的溫度依賴性與溫度的導數成正比。

假設0被定義為擴散電流和G-R電流相等時的交叉點溫度（如圖3灰色垂直虛線所示）。根據文獻[4-5,7]的研究結果，在標準PN結探測器中，當工作溫度低于0時，對暗電流的貢獻來自耗盡層的G-R中心。在XBn探測器中，溫度在0以下時，它呈現出兩個趨勢，一是當溫度相同時，XBn探測器呈現出高于標準PN結探測器工作時的信噪比（如圖3黑色垂直箭頭所示）。二是當暗電流相同時，根據文獻[5-6, 15]的觀點，假設將G-R電流的激活能抑制為擴散電流的一半，也就是G-R斜率是擴散電流的一半，焦平面工作溫度向左水平移動（如圖3黑色水平箭頭所示），說明XBn結構焦平面工作溫度高于標準PN結焦平面的工作溫度。這是因為XBn探測器的窄禁帶半導體沒有耗盡區，所以可忽略G-R電流對暗電流的貢獻，在高于或低于0時，XBn探測器中的暗電流都以擴散限為主導進行工作（如圖3黑色實線和虛線所示），這一性質使其對反向偏壓更不敏感，有助于降低焦平面的空間噪聲[7, 14]。

根據圖3的解釋，文獻[6]提到的XBn探測器（截止波長為4.1mm）在光學參數為F/3、焦平面工作溫度為160K的條件下具有良好的背景限性能，與標準探測器焦平面相比，其工作溫度提升兩倍，所需制冷功率降低了50%以上，同時大幅減小集成式探測器制冷機組件（integrated detector cooler assembly，IDCA）的尺寸和重量。

2 基于多種材料的勢壘型HOT探測器

從探測器材料的角度來講，勢壘型探測器可在不同的半導體材料中實現，它的實際應用已經在碲鎘汞（HgCdTe）三元合金材料和HgCdTe的替代材料，如InAs、InAsSb和InAs/GaSb二類超晶格材料中實現[3-4]。

2.1 基于HgCdTe材料的勢壘型中波紅外HOT探測器

在勢壘型結構探測器中，因為在吸收層與勢壘層交界面處存在一個價帶不連續性（勢壘），所以勢壘型結構不能在HgCdTe三元合金材料體系中直接實現[11]。基于HgCdTe的勢壘型中波紅外探測器中的非零價帶偏移是限制其性能的關鍵因素，尤其在低溫條件下，由光學吸收產生的低能量少數載流子不能克服價帶能量勢壘，所以器件呈現較低的靈敏度和探測率。但是，根據文獻[11]的分析，通過MOCVD（metalorganic chemical vapor deposition，金屬有機化合物化學氣相沉淀）生長的勢壘型HgCdTe探測器可以提供零價帶偏移，由于勢壘層的作用，暗電流被有效減小的同時保持了高靈敏度和探測率。MOCVD技術的優點是可以選用傳統襯底的替代材料，如GaAs或者Si襯底，它們可以替代非常昂貴的碲鋅鎘（CdZnTe）襯底[4,11]。

圖3 標準PN結探測器和XBn探測器中暗電流溫度依賴性的對比，標準PN結探測器暗電流的擴散限和產生-復合限部分做了標記

Fig.3 A comparison of temperature dependence of the dark current in standard p-n detector and XBn detector, the diffusion and G-Rlimited portions of the dark current in p-n detector are labeled

波蘭Vigo系統公司目前已經實現了HgCdTe探測器勢壘型結構的研發，該公司選用典型的5.08cm GaAs作為其生長襯底，為了減小晶格失配引起的應力作用，在HgCdTe的生長之前、在GaAs襯底和HgCdTe外延層結構之間沉積一層3～4mm厚的CdTe薄膜作為緩沖層[11]。文獻[4]認為對于HgCdTe勢壘型中波紅外探測器來說，未來的研制工作應集中在減少甚至消除勢壘層中的價帶偏移，以使其具備在較低工作偏壓、較低暗電流和較高溫度下工作的性能。

2.2 基于III-V族材料的勢壘型中波紅外HOT探測器

在XBn勢壘型探測器材料的制備中，III-V族材料起到決定性作用，它具備較高的設計靈活性、直接的能隙和較穩固的光學吸收等優點[4]。以InAs、GaSb和AlSb三種材料為例，當室溫能量在0.36eV（InAs）～1.61eV（AlSb）范圍內時，3種材料形成的晶格匹配組合約為6.1?，XBn探測器目前采用了6.1? III-V族材料[4, 16-17]。

以色列SCD公司是生產基于III-V族材料的XBn探測器的典型代表，其XBn探測器生產線的主要程序包括晶片生長；晶圓級蝕刻和金屬/介質沉積；切割和反裝晶片混合；背面拋光和蝕刻；防反射鍍膜；安裝和引線連接[14]。該公司一般采用一個7.62cm的晶片來制備XBn結構焦平面，在該晶片上需要進行的步驟多于生產一個平面注入型焦平面所需的步驟，但其XBn生產線的成品產量與其更成熟的平面注入型InSb生產線的成品產量相當[14]。兩種結構的主要區別是，平面注入工藝的主要損失來源于生產工藝過程中造成的缺陷，而XBn工藝損失的根本原因與具有襯底缺陷和其它晶片缺陷的晶片生長有關。

SCD公司研制的第一款滿足低SWaP應用的III-V族XBn探測器是Kinglet（640×512，15mm）中波紅外IDCA組件，其晶片主體層是一層厚的n型InAsSb光子吸收層、一層薄的n型AlSbAs勢壘層和一層薄的n型InAsSb接觸層，焦平面工作溫度為150K，功耗3W，重量小于300g[14]。另外，該公司研制的百萬像元級（1280×1024，15mm）XBn-InAsSb IDCA組件的工作溫度可達150K[1,12,18]。

在SCD公司的XBn中波紅外探測器中，器件的接觸層材料X不是n-InAsSb就是p-GaSb，勢壘層材料Bn由n型AlSbAs制成，吸收層材料由n型InAsSb制成。這些探測器的像元間距為15mm或30mm，光電性能類似，也較充分地說明XBn結構的通用性[6, 14]。以其XBn探測器Blue Fairy（320×256）和Pelican（640×512）為例，它們的生長襯底是GaSb或GaAs，兩種探測器都呈現出一個4.1mm的禁帶波長，且在光學參數為F/3時，通過分子束外延（molecular beam epitaxy，MBE）生長的兩種探測器的性能一直到160K都是背景限的[6, 10, 14]。

為了滿足市場需求，該公司還研制了Blackbird系列中波紅外數字探測器，像元間距為10mm，基于1920×1536，1280×1024和640×5123種不同的讀出電路格式，都使用了0.18mm CMOS技術，且都呈現出具有較低功耗和較高光電性能的特點。Blackbird系列支持兩種10mm像元間距的焦平面類型，一種是基于SCD公司平面結技術的中波紅外InSb焦平面，工作溫度為77K。另一種是XBn-InAsSb勢壘型探測器，其光電性能等同于平面結InSb探測器，但工作溫度達150K[19]。

另外，斯洛文尼亞DAT-CON公司也研制了基于XBn-InSb探測器的CLRT系列中波紅外（640×512，15mm）和CLRT高清系列中波紅外熱像儀（1280×1024，10mm），其中，CLRT系列的熱靈敏度為23mK，CLRT高清系列的熱靈敏度為25mK，兩種系列的制冷機平均故障時間均為20200h[20]。

與HgCdTe材料相比，一方面，III-V族材料比HgCdTe更能提供較強的化學鍵，而且能帶邊緣對組分的依賴性較弱，所以比HgCdTe的化學穩定性更高[4]。另一方面，從探測器材料成本的角度講，因為CdZnTe襯底對于大面陣探測器的制備非常昂貴，而InSb的生長晶片可用直徑達到10.16cm，所以InSb比HgCdTe更易生成較大面積和較高均勻性，從而提高制造大面陣探測器的經濟規模[4,6,14]。

2.3 基于III-V族二類超晶格材料的勢壘型中長波紅外HOT探測器

使用內在固有的較低俄歇（Auger）G-R速率的材料來設計探測器材料能夠抑制俄歇G-R，以此可以實現探測器較大范圍內的穩定性、電子和空穴的更高遷移率等，III-V族InAs/GaSb二類超晶格材料較符合上述要求[4]。在這種III-V族二類超晶格材料的二元化合物中，一般使用帶有AlAsSb勢壘層的InAs外延層來制備勢壘型探測器，因為InAs/GaSb二類超晶格相對于AlAsSb勢壘幾乎接近于零的價帶偏移，所以它們較適合勢壘型結構[4]。以中波紅外InAs/GaSb二類超晶格為例，當生長晶格與GaSb襯底相匹配時，截止波長為4.1mm時，通過MBE生長的勢壘型探測器材料的質量更好[4]。

在波蘭Vigo系統公司的中波紅外勢壘型HOT探測器中，其研制的InAs/GaSb二類超晶格材料結合了通過MBE生長的III-V族材料和人工合成材料二類超晶格的物理性質。與其研制的中波紅外HgCdTe材料相比，因為超晶格的有效質量不直接依賴于禁帶能量，而是減小超晶格中的隧道電流，電子和空穴的空間分離會引起二類超晶格材料中俄歇復合速率的抑制[4]，所以，根據文獻[4]的觀點，與具有類似禁帶的HgCdTe材料相比，InAs/GaSb超晶格的俄歇復合速率可被抑制若干個數量級。換言之，超晶格的電子性質可能會超越HgCdTe合金材料的電子性質[4]。文獻[21]提出采用熱電制冷的InAs/GaSb二類超晶格焦平面（截止波長約為10mm）工作溫度可達200K，當焦平面工作溫度為195K時，其峰值光譜探測率大于6×109cmHz0.5W－1，性能上接近商用HgCdTe探測器。SCD公司也已經對InAs/GaSb二類超晶格探測器結構進行了建模、生長、工藝處理和表征，有望用III-V族二類超晶格材料替代HgCdTe來制造勢壘型探測器[22]。

然而，盡管二類超晶格的物理性質重點強調其相對于體晶材料的潛在優勢，但高溫條件下的俄歇G-R導致少數載流子壽命縮短，以文獻[21, 23]的觀點為例，當焦平面工作溫度為77K時，InAs/InAsSb二類超晶格勢壘型探測器在長波紅外波段內對應的載流子壽命是400ns，當焦平面工作溫度提高到300K時，載流子壽命小于100ns。這也是制約III-V族二類超晶格勢壘型探測器性能的主要因素[4]。

2.4 基于III-V族二類超晶格材料的勢壘型擴展短波紅外探測器

擴展短波紅外（extended-short wave infrared，e-SWIR）探測器的波長范圍覆蓋1.7～2.5mm。文獻[24]提出基于AlAsSb/GaSb超晶格的勢壘型nBn e-SWIR探測器，使用GaSb作為生長襯底，AlAsSb/GaSb超晶格與GaSb襯底晶格匹配，且都擁有Sb原子，在超晶格的設計中可以提供極大靈活性。因為這種超晶格中的電子量子阱較深，所以可將其調整為nBn e-SWIR探測器所必需的寬禁帶電子勢壘，這種設計也叫H型結構超晶格，在一層n型接觸層和一層n型e-SWIR吸收區域之間加入H型結構超晶格作為電子勢壘層，以此構成nBn e-SWIR探測器[24]。

根據文獻[24]的研究結果，當焦平面工作溫度為150K時，nBn e-SWIR探測器暗電流密度為9.5×10－9A/cm2（使用－400mV偏壓）；同質結p-i-n e-SWIR探測器暗電流密度為4.7×10－7A/cm2（使用－50mV偏壓）。當工作溫度等于室溫300K時，nBn e-SWIR探測器暗電流密度為8×10－3A/cm2（使用－400mV偏壓）；同質結p-i-n e-SWIR探測器暗電流密度為6.6×10－2A/cm2（使用－50mV偏壓）。由此可以看出，工作溫度越高，基于nBn結構的e-SWIR探測器呈現出越低的暗電流密度。當工作溫度在180K以上時，nBn e-SWIR探測器的暗電流是擴散限的，150K時，為G-R限[24]。當工作溫度為室溫300K時，nBn勢壘型e-SWIR探測器能實現單個人體的成像。根據文獻[24]的實驗結果，利用nBn勢壘型結構有望將e-SWIR探測器的工作溫度提升至室溫。

3 基于其他技術的HOT探測器

目前，除了上述勢壘型探測器的研究，國外一些公司，如DRS公司和Selex公司使用了基于帶有特殊像元結構的n-on-p/HgCdTe技術來提升焦平面工作溫度。美國Teledyne公司利用p-on-n/HgCdTe技術實現了中波紅外探測器工作溫度的升高。

圖4為法國Lynred公司研制的中波紅外Daphnis IDCA組件（1280×720，10mm），采用n-on-p/HgCdTe同質結技術將焦平面工作溫度提升至120K，NETD值為20mK（293K@70%勢阱填充）[25-27]。

圖4 Lynred公司研制的Daphnis高清中波紅外IDCA組件[25]

德國AIM公司研制的帶有空位摻雜的標準n-on-p/HgCdTe技術可使中波紅外探測器（標清格式）在120K時保持良好的光電性能，通過引入金作為受主雜質的非本征p型摻雜來替代空位摻雜，摻雜水平為中等范圍的1016cm－3，實現了焦平面工作溫度提升至140K，也是該公司一代HOT探測器。將探測器吸收層水平從中等范圍的1016cm－3降至較低范圍的1015cm－3，焦平面在160K的溫度下呈現出接近背景限性能溫度的NETD值，同時保持較低噪聲缺陷，這是該公司二代HOT探測器，其工作溫度最高可達180K[3]。

圖5為AIM公司研制的百萬級像元（HgCdTe，1280×1024，15mm）中波紅外IDCA組件，其在120K條件下呈現出良好的光電性能，與該公司原來的標清格式（640×512）中波紅外探測器性能相似[3, 28]。圖6為該公司研制的HiPIR緊湊型HOT中波紅外IDCA組件（HgCdTe，1024×768，10mm），焦平面工作溫度可達160K，NETD值小于25mK（300K@50%勢阱填充）[29]。目前，除了基于液相外延（liquid phase epitaxy，LPE）生長的HOT探測器，該公司研制的通過MBE生長在10.16cm GaAs襯底上的光伏型探測器的工作溫度主要在80～100K之間[3]。未來，其HOT探測器技術的發展還將基于通過LPE生長的中波紅外探測器，通過使用更低水平的p型摻雜和進一步優化的鈍化工藝，暗電流存在進一步減小的可能，工作溫度將進一步提升至180K以上或等于180K[3]。

圖5 AIM公司研制的HiPIR-1280M中波紅外IDCA組件[28]

圖6 AIM公司研制的緊湊型高溫HiPIR HgCdTe IDCA組件[29]

4 結束語

HOT探測器在中波和長波紅外波段內都已實現應用，目前，國外基于異質結勢壘型結構的中波紅外探測器工作溫度范圍主要在150～195K，同質結中波紅外探測器的工作溫度在120～180K的范圍內。對于工作波段在8～10mm的長波紅外探測器來說，目標是將其工作溫度提升至大于等于100K。另外，異質結勢壘型結構在波段擴展后的1.7～2.5mm的短波紅外探測器中也已實現研究成果，有望實現e-SWIR探測器在300K條件下的室溫性能。

隨著勢壘型探測器技術在中波、長波和短波紅外波段內的研究發展，加之基于該技術的熱成像系統在尺寸、重量和體積方面與非制冷型熱成像系統相當，使得HOT探測器在軍用和民用領域的應用空間廣泛提升。對于中波紅外HOT探測器來說，勢壘型HOT探測器的制備普遍采用III-V族材料或III-V族二類超晶格材料，但目前波蘭Vigo系統公司實現了HgCdTe探測器的勢壘型結構；歐美一些企業一般采用其他技術制備HOT型HgCdTe探測器，這些中波紅外HOT探測器都適用于空間極為受限的軍事平臺，如導彈導引頭、武器熱瞄鏡、小型無人機等。對長波紅外HOT探測器來說，其軍事應用更多的需要高可靠性，如車輛和旋翼領航機的24h全天候監視工作等。在擴展短波紅外波段內，經過試驗研究，采用勢壘型結構的e-SWIR探測器有望將工作溫度提升至室溫，在低照度應用中更具有優勢。

另外，國外一些制造商致力于研究利用III-V族二類超晶格材料制備HOT探測器，以實現與碲鎘汞可比的光電性能。由于III-V族二類超晶格材料的光生少數載流子壽命受高溫環境的影響較大，所以這也是國外一些公司對HOT探測器技術的重點研究方向之一。同時，采用熱電制冷的HOT探測器目前也在初步發展階段。

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Research Progress and Trends of High Operating Temperature Infrared Detectors

ZHANG Kunjie

(,650223,)

Low SWaP (size, weight, and power) applications are typical features of thermal imaging systems based on HOT(high operating temperature) detectors. The system performance is comparable to that of a cooled infrared system, with reduced manufacturing costs. They have important application value and are promising prospects for high volume production. The structural features of barrier detectors are introduced, and the structures of the materials used for the barrier detectors and their impact on system performance are analyzed. Other technologies used for HOT detectors are also summarized. Finally, the current research progress on barrier infrared detectors is summarized. Additionally, several future research directions for HOT detector technologies are presented.

barrier structure, HOT detectors, material preparation, thermal imaging system, photoelectric device

TN215

A

1001-8891(2021)08-0766-07

2020-08-03；

2020-09-02.

張坤杰（1986-），女，碩士，主要從事國外科技信息研究等工作。E-mail：kunjie.zhang@aliyun.com。