高工作溫度碲鎘汞紅外探測器研究進展

宋淑芳,黃來玉,田 震

(1.華北光電技術研究所,北京 100015;2.遼寧省軍區數據信息室,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、質量、功耗、成本的控制,從而限制了紅外探測器的應用。隨著紅外探測器技術的快速發展,使紅外探測器通過提高工作溫度,降低探測器的體積、質量、功耗、成本,實現探測器的小型化、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不斷涌現,高工作溫度成為紅外探測器的重要發展方向。

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部,采用制冷機提供所需冷量,將混成芯片降溫至設定的工作溫度時,工作溫度保持穩定狀態,由外部電路供電,驅動探測器組件工作。由于制冷機的體積、質量和功耗占據整個紅外探測器主要部分,因此降低紅外探測器的體積、質量、功耗實際上是主要降低制冷機的體積、質量和功耗,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,從而達到降低制冷機的體積、質量和功耗,實現實現探測器的小型化、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,才能實現目標探測,而器件的暗電流是與探測材料、器件結構、工作溫度等因素密切相關,一般來說,提高工作溫度,暗電流將按指數形式增加,因此在探測材料不變的情況下,需要改變器件結構來降低暗電流,實現工作溫度的提高。

碲鎘汞P-on-N紅外探測器的器件結構設計就是針對傳統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,器件結構采用同質結和異質結兩種形式。

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

理論分析表明,與俄歇復合有關的暗電流即Idiff擴散電流與吸收層的載流子濃度有關,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產生復合電流主要與耗盡層中少子的壽命有關,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產生復合電流較大,另外ISRH產生復合電流與勢壘層高度有關,同時正比于材料的缺陷濃度,材料中的缺陷越多,產生和復合中心也就越多,ISRH產生復合電流增加。Itun隧穿電流,是指二極管一側的載流子直接穿過勢壘而進入另一側而產生的電流,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,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有關,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構一般選用摻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,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結構中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產生復合電流較小,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,形成異質結材料,在pn結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產生復合電流的影響,由于勢壘的存在Itun隧穿電流極大地降低,因此P-on-N異質結結構不僅可以降低擴散電流,還可以有效控制產生復合電流和遂穿電流,使得器件的暗電流進一步降低。實驗表明,與N-on-P碲鎘汞紅外探測器相比使用P-on-N結構,可以使暗電流降低兩個數量級,如圖2所示[2],因此利用P-on-N結構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結構可以提高工作溫度,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 國內外研究進展

美國Raytheon公司于19世紀80年代開始進行碲鎘汞P-on-N器件的研究,90年代逐步應用于第二代、第三代紅外焦平面探測器,實現了在高工作溫度和甚長波探測方向的應用[3]。Raytheon公司的器件結構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異質結臺面結構,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)產品開發研制,陣列1536×1024,15 μm中心距,采用P-on-N結構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構示意圖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碲鎘汞材料器件結構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域注入As,經過一系列退火過程,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,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碲鎘汞同質結,如圖4所示。經過碲鎘汞器件平面結工藝、倒裝互聯和讀出電路相結合,配以適當的制冷機完成封裝,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,實現了產品小尺寸、低功耗、低重量(SWAPs)的應用要求,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構示意圖以及組件圖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。由于器件結構選用P-on-N碲鎘汞同質結結構,擴散電流得到有效的控制,暗電流下降,但是產生復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,器件結構采用N-on-P和P-on-N兩種結構[7-12]。與傳統的汞空位N-on-P器件結構不同,高工作溫度的N-on-P器件結構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,形成pn結。高工作溫度的P-on-N器件結構采用與Sofradir一樣的器件結構,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域注入As,經過一系列退火過程,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。探測器的參數如下:320×512、20 μm中心距、截止波長為11.0 μm(80 K)。對比兩種器件結構的性能參數,P-on-N器件結構的工作溫度可以提高至110 K,而N-on-P器件結構的工作溫度為90 K。2019年采用P-on-N器件結構截止波長為3～5 μm中波探測器,陣列規格為1024×768,10 μm中心距,在保持參數性能不變的情況下,工作溫度從80 K提高到160 K,制冷機穩定功耗從29 W降低到2 W,如圖6所示,實現了產品小尺寸、低功耗、低重量(SWAPs)的應用要求。

圖6 AIM公司的高工作溫度碲鎘汞紅外探測器研發過程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)雙層平面異質結(DLPH)制備HgCdTe紅外探測器,HgCdTe材料使用分子束外延(MBE)進行生長,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,形成三明治結構,窄禁帶吸收層夾在兩層寬禁帶層中間,能夠進一步降低暗電流,最后在部分區域進行As注入,形成pn平面結,該結構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構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構(HDVIP)制備紅外探測器[15-16],HgCdTe材料使用傳統的液相外延(LPE)進行生長,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面,形成了一個P型層包圍著N型層的特殊結構,如圖8所示。其結構是橫向電流傳輸。該器件結構具有以下優點:二極管的成結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,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,器件的熱穩定性好； HDVIP結構在側入射下工作,有效地提高了其量子效率及調制函數性能。2010年,DRS采用N+/N-/P+和N+/P-/P+兩種器件結構,如圖9所示,截止波長為4.8 μm中波探測器,陣列規格為1536×1024,15 μm中心距,在保持參數性能不變的情況下,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構(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+兩種器件結構示意圖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品研發階段,歐美國家主要機構基本上采用P-on-N器件結構技術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離子注入同質結的技術,該技術路線采用平面工藝,與傳統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公司研究機構則采用MBE方法制備的雙層平面異質結結構(DLPH),這種技術路線僅得到了理論的計算結果,沒有后續的產品報道。

表1 各研究機構高工作溫度紅外探測器參數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,以及P-on-N甚長波碲鎘汞焦平面技術研究[17-18],采用As摻雜臺面異質結和As注入平面同質結兩種技術路徑制備P-on-N型碲鎘汞探測器,具有一定基礎。

4 結 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的起步階段。P-on-N平面同質結、 P-on-N臺面異質結的碲鎘汞探測器制備技術在中波-甚長波的研究突破了一些關鍵技術,但是高溫器件的研究還處于起步階段,技術基礎薄弱。高溫工作是紅外探測器的發展趨勢,為滿足國防科技事業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臺面異質結結構的優勢,大力發展P-on-N臺面異質結碲鎘汞紅外高溫器件,實現紅外探測器高性能、小尺寸、低功耗、低重量(SWAPs)的應用要求,為國防建設奠定基礎。