高工作溫度紅外探測器的研究進(jìn)展及趨勢

張坤杰

高工作溫度紅外探測器的研究進(jìn)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(tǒng)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(shí)與低溫制冷型熱成像系統(tǒng)的性能相當(dāng)，有著重要的應(yīng)用價(jià)值和批量生產(chǎn)的前景。本文介紹勢壘型探測器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，闡述構(gòu)建勢壘型探測器的材料結(jié)構(gòu)類型與其對系統(tǒng)性能的影響，總結(jié)其他相關(guān)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的高溫探測器。最后對勢壘型探測器目前的研究進(jìn)展進(jìn)行歸納，提出了幾個(gè)高溫探測器技術(shù)未來的研究方向。

勢壘型結(jié)構(gòu)；高工作溫度探測器；材料制備；熱成像系統(tǒng)；光電器件

0 引言

與傳統(tǒng)的光電系統(tǒng)相比，現(xiàn)代化光電系統(tǒng)逐漸向著體積更緊湊、功耗更低、成本更低的方向設(shè)計(jì)，也就是低SWaP（size, weight and power）應(yīng)用。對于固態(tài)探測器來說，低SWaP指標(biāo)的需求通常與每個(gè)像元中暗電流的顯著減少相對應(yīng)。因?yàn)榘惦娏髦笖?shù)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(dāng)探測器達(dá)到背景限性能（background limited performance，BLIP）溫度時(shí)，溫度的再升高會導(dǎo)致圖像質(zhì)量的大幅衰減?；谏鲜隹剂?，焦平面工作溫度實(shí)際上被定義為暗電流比光電流低一到兩個(gè)數(shù)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(shí)現(xiàn)探測器的高工作溫度環(huán)境[1-2]。這有助于降低制冷機(jī)的制冷功率、增加工作壽命、最終降低紅外系統(tǒng)的整體尺寸、重量和功耗，符合低SWaP指標(biāo)。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(jié)約成本的同時(shí)具有與傳統(tǒng)制冷型紅外系統(tǒng)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(xù)推出HOT探測器，應(yīng)用領(lǐng)域多樣，如卡裝式武器熱瞄鏡、便攜式手持戰(zhàn)術(shù)熱像儀、小型無人機(jī)、遙控狙擊手和遙控武器站、導(dǎo)彈導(dǎo)引頭等空間受限的紅外系統(tǒng)。

1 基于勢壘型結(jié)構(gòu)的HOT探測器

1.1 nBn勢壘型結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

異質(zhì)結(jié)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(gè)載流子類型（電子或空穴）同時(shí)保持其他載流子自由通過的一個(gè)勢壘層[4]。n代表同一窄禁帶半導(dǎo)體中的摻雜，B代表無摻雜的中心勢壘層[4]。這種結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的PN結(jié)有些類似，結(jié)（空間電荷區(qū)）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(dǎo)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(chǎn)生-復(fù)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(xiàn)受到全部抑制，以此呈現(xiàn)出較低的暗電流，所以nBn探測器又被稱作沒有耗盡區(qū)的器件[4-10]。

圖1所示的是nBn結(jié)構(gòu)禁帶圖，在勢壘層一側(cè)的n型半導(dǎo)體形成一層接觸層用于偏壓器件，同時(shí)勢壘層另一側(cè)的n型窄禁帶半導(dǎo)體是一層光子吸收層，其厚度應(yīng)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(shù)載流子（又稱光生空穴）穿過器件，其位置的準(zhǔn)確性很重要，勢壘層應(yīng)該接近少數(shù)載流子接觸層，且距離光學(xué)吸收區(qū)域較遠(yuǎn)，這種勢壘型結(jié)構(gòu)的安排允許光生少數(shù)載流子流向接觸層的同時(shí)阻擋住多數(shù)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(jié)構(gòu)允許光生少數(shù)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(shí)使導(dǎo)帶中大量的勢壘阻擋住與SRH（Shockley-Read-Hall）過程相關(guān)的暗電流[4,10]。換句話說，多數(shù)載流子（電子）的擴(kuò)散被耗盡區(qū)的勢壘阻擋，同時(shí)熱產(chǎn)生或光吸收產(chǎn)生的光生少數(shù)載流子實(shí)現(xiàn)了相對自由地穿過器件，這樣可確保一個(gè)高的內(nèi)部量子效率[5-6,12]。

1.2 XBn結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

以nBn結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)衍生出XBn、XBnn等多種勢壘型結(jié)構(gòu)[13]。其中，XBn結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，則表示摻雜了電子受主[6]。

XBn探測器的耗盡區(qū)是由帶有大的導(dǎo)帶偏移的寬禁帶勢壘材料制成，又因?yàn)橹挥袑捊麕輭緦硬牧媳缓谋M才會對G-R電流產(chǎn)生貢獻(xiàn)，但因禁帶太大，所以其貢獻(xiàn)比來自吸收層的擴(kuò)散電流的貢獻(xiàn)小。因此，XBn探測器的電子性質(zhì)就像一個(gè)寬禁帶器件，但光學(xué)性質(zhì)像一個(gè)窄禁帶器件[8,14]。

圖1 nBn勢壘型結(jié)構(gòu)的禁帶示意圖

圖2 nBn結(jié)構(gòu)的各種電流成分的空間構(gòu)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(shù)增長的暗電流決定[5-7]?；诋愘|(zhì)結(jié)材料的XBn探測器具有與標(biāo)準(zhǔn)同質(zhì)PN結(jié)探測器相似的能帶形狀，但區(qū)別是XBn探測器的任意窄禁帶區(qū)都不存在耗盡區(qū)，耗盡區(qū)被限制在一個(gè)寬禁帶勢壘材料內(nèi)，因此，G-R電流對暗電流的貢獻(xiàn)幾乎被完全抑制，暗電流由此變?yōu)閿U(kuò)散限的。與相同材料的傳統(tǒng)PN結(jié)探測器相比，XBn探測器中以擴(kuò)散限為主導(dǎo)的暗電流可實(shí)現(xiàn)工作溫度的升高，且性能基本沒有損失[5,8,14]。另外，因?yàn)閷捊麕Ш谋M的勢壘層可為相鄰臺面提供隔離，同時(shí)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(shí)現(xiàn)較好的焦平面均勻性[5]。

如圖3所示，黑色實(shí)線代表標(biāo)準(zhǔn)PN結(jié)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(yīng)G-R電流和擴(kuò)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?cái)U(kuò)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(dǎo)數(shù)成正比。

假設(shè)0被定義為擴(kuò)散電流和G-R電流相等時(shí)的交叉點(diǎn)溫度（如圖3灰色垂直虛線所示）。根據(jù)文獻(xiàn)[4-5,7]的研究結(jié)果，在標(biāo)準(zhǔn)PN結(jié)探測器中，當(dāng)工作溫度低于0時(shí)，對暗電流的貢獻(xiàn)來自耗盡層的G-R中心。在XBn探測器中，溫度在0以下時(shí)，它呈現(xiàn)出兩個(gè)趨勢，一是當(dāng)溫度相同時(shí)，XBn探測器呈現(xiàn)出高于標(biāo)準(zhǔn)PN結(jié)探測器工作時(shí)的信噪比（如圖3黑色垂直箭頭所示）。二是當(dāng)暗電流相同時(shí)，根據(jù)文獻(xiàn)[5-6, 15]的觀點(diǎn)，假設(shè)將G-R電流的激活能抑制為擴(kuò)散電流的一半，也就是G-R斜率是擴(kuò)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(jié)構(gòu)焦平面工作溫度高于標(biāo)準(zhǔn)PN結(jié)焦平面的工作溫度。這是因?yàn)閄Bn探測器的窄禁帶半導(dǎo)體沒有耗盡區(qū)，所以可忽略G-R電流對暗電流的貢獻(xiàn)，在高于或低于0時(shí)，XBn探測器中的暗電流都以擴(kuò)散限為主導(dǎo)進(jìn)行工作（如圖3黑色實(shí)線和虛線所示），這一性質(zhì)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(jù)圖3的解釋，文獻(xiàn)[6]提到的XBn探測器（截止波長為4.1mm）在光學(xué)參數(shù)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(biāo)準(zhǔn)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(shí)大幅減小集成式探測器制冷機(jī)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(dǎo)體材料中實(shí)現(xiàn)，它的實(shí)際應(yīng)用已經(jīng)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(shí)現(xiàn)[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(jié)構(gòu)探測器中，因?yàn)樵谖諏优c勢壘層交界面處存在一個(gè)價(jià)帶不連續(xù)性（勢壘），所以勢壘型結(jié)構(gòu)不能在HgCdTe三元合金材料體系中直接實(shí)現(xiàn)[11]。基于HgCdTe的勢壘型中波紅外探測器中的非零價(jià)帶偏移是限制其性能的關(guān)鍵因素，尤其在低溫條件下，由光學(xué)吸收產(chǎn)生的低能量少數(shù)載流子不能克服價(jià)帶能量勢壘，所以器件呈現(xiàn)較低的靈敏度和探測率。但是，根據(jù)文獻(xiàn)[11]的分析，通過MOCVD（metalorganic chemical vapor deposition，金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉淀）生長的勢壘型HgCdTe探測器可以提供零價(jià)帶偏移，由于勢壘層的作用，暗電流被有效減小的同時(shí)保持了高靈敏度和探測率。MOCVD技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是可以選用傳統(tǒng)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(biāo)準(zhǔn)PN結(jié)探測器和XBn探測器中暗電流溫度依賴性的對比，標(biāo)準(zhǔn)PN結(jié)探測器暗電流的擴(kuò)散限和產(chǎn)生-復(fù)合限部分做了標(biāo)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(tǒng)公司目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了HgCdTe探測器勢壘型結(jié)構(gòu)的研發(fā)，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(yīng)力作用，在HgCdTe的生長之前、在GaAs襯底和HgCdTe外延層結(jié)構(gòu)之間沉積一層3～4mm厚的CdTe薄膜作為緩沖層[11]。文獻(xiàn)[4]認(rèn)為對于HgCdTe勢壘型中波紅外探測器來說，未來的研制工作應(yīng)集中在減少甚至消除勢壘層中的價(jià)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?jīng)Q定性作用，它具備較高的設(shè)計(jì)靈活性、直接的能隙和較穩(wěn)固的光學(xué)吸收等優(yōu)點(diǎn)[4]。以InAs、GaSb和AlSb三種材料為例，當(dāng)室溫能量在0.36eV（InAs）～1.61eV（AlSb）范圍內(nèi)時(shí)，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(chǎn)基于III-V族材料的XBn探測器的典型代表，其XBn探測器生產(chǎn)線的主要程序包括晶片生長；晶圓級蝕刻和金屬/介質(zhì)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(gè)7.62cm的晶片來制備XBn結(jié)構(gòu)焦平面，在該晶片上需要進(jìn)行的步驟多于生產(chǎn)一個(gè)平面注入型焦平面所需的步驟，但其XBn生產(chǎn)線的成品產(chǎn)量與其更成熟的平面注入型InSb生產(chǎn)線的成品產(chǎn)量相當(dāng)[14]。兩種結(jié)構(gòu)的主要區(qū)別是，平面注入工藝的主要損失來源于生產(chǎn)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(guān)。

SCD公司研制的第一款滿足低SWaP應(yīng)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(dá)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(jié)構(gòu)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(xiàn)出一個(gè)4.1mm的禁帶波長，且在光學(xué)參數(shù)為F/3時(shí)，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(shù)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(shù)，且都呈現(xiàn)出具有較低功耗和較高光電性能的特點(diǎn)。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(jié)技術(shù)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(jié)InSb探測器，但工作溫度達(dá)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(jī)平均故障時(shí)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(qiáng)的化學(xué)鍵，而且能帶邊緣對組分的依賴性較弱，所以比HgCdTe的化學(xué)穩(wěn)定性更高[4]。另一方面，從探測器材料成本的角度講，因?yàn)镃dZnTe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(dá)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(jīng)濟(jì)規(guī)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(nèi)在固有的較低俄歇（Auger）G-R速率的材料來設(shè)計(jì)探測器材料能夠抑制俄歇G-R，以此可以實(shí)現(xiàn)探測器較大范圍內(nèi)的穩(wěn)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?yàn)镮nAs/GaSb二類超晶格相對于AlAsSb勢壘幾乎接近于零的價(jià)帶偏移，所以它們較適合勢壘型結(jié)構(gòu)[4]。以中波紅外InAs/GaSb二類超晶格為例，當(dāng)生長晶格與GaSb襯底相匹配時(shí)，截止波長為4.1mm時(shí)，通過MBE生長的勢壘型探測器材料的質(zhì)量更好[4]。

在波蘭Vigo系統(tǒng)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(jié)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(zhì)。與其研制的中波紅外HgCdTe材料相比，因?yàn)槌Ц竦挠行з|(zhì)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(fù)合速率的抑制[4]，所以，根據(jù)文獻(xiàn)[4]的觀點(diǎn)，與具有類似禁帶的HgCdTe材料相比，InAs/GaSb超晶格的俄歇復(fù)合速率可被抑制若干個(gè)數(shù)量級。換言之，超晶格的電子性質(zhì)可能會超越HgCdTe合金材料的電子性質(zhì)[4]。文獻(xiàn)[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(dá)200K，當(dāng)焦平面工作溫度為195K時(shí)，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(jīng)對InAs/GaSb二類超晶格探測器結(jié)構(gòu)進(jìn)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(zhì)重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)其相對于體晶材料的潛在優(yōu)勢，但高溫條件下的俄歇G-R導(dǎo)致少數(shù)載流子壽命縮短，以文獻(xiàn)[21, 23]的觀點(diǎn)為例，當(dāng)焦平面工作溫度為77K時(shí)，InAs/InAsSb二類超晶格勢壘型探測器在長波紅外波段內(nèi)對應(yīng)的載流子壽命是400ns，當(dāng)焦平面工作溫度提高到300K時(shí)，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(kuò)展短波紅外探測器

擴(kuò)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(xiàn)[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(shè)計(jì)中可以提供極大靈活性。因?yàn)檫@種超晶格中的電子量子阱較深，所以可將其調(diào)整為nBn e-SWIR探測器所必需的寬禁帶電子勢壘，這種設(shè)計(jì)也叫H型結(jié)構(gòu)超晶格，在一層n型接觸層和一層n型e-SWIR吸收區(qū)域之間加入H型結(jié)構(gòu)超晶格作為電子勢壘層，以此構(gòu)成nBn e-SWIR探測器[24]。

根據(jù)文獻(xiàn)[24]的研究結(jié)果，當(dāng)焦平面工作溫度為150K時(shí)，nBn e-SWIR探測器暗電流密度為9.5×10－9A/cm2（使用－400mV偏壓）；同質(zhì)結(jié)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(dāng)工作溫度等于室溫300K時(shí)，nBn e-SWIR探測器暗電流密度為8×10－3A/cm2（使用－400mV偏壓）；同質(zhì)結(jié)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(jié)構(gòu)的e-SWIR探測器呈現(xiàn)出越低的暗電流密度。當(dāng)工作溫度在180K以上時(shí)，nBn e-SWIR探測器的暗電流是擴(kuò)散限的，150K時(shí)，為G-R限[24]。當(dāng)工作溫度為室溫300K時(shí)，nBn勢壘型e-SWIR探測器能實(shí)現(xiàn)單個(gè)人體的成像。根據(jù)文獻(xiàn)[24]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，利用nBn勢壘型結(jié)構(gòu)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(shù)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(jié)構(gòu)的n-on-p/HgCdTe技術(shù)來提升焦平面工作溫度。美國Teledyne公司利用p-on-n/HgCdTe技術(shù)實(shí)現(xiàn)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(zhì)結(jié)技術(shù)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(biāo)準(zhǔn)n-on-p/HgCdTe技術(shù)可使中波紅外探測器（標(biāo)清格式）在120K時(shí)保持良好的光電性能，通過引入金作為受主雜質(zhì)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(shí)現(xiàn)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(xiàn)出接近背景限性能溫度的NETD值，同時(shí)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(dá)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(xiàn)出良好的光電性能，與該公司原來的標(biāo)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(dá)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(shù)的發(fā)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(jìn)一步優(yōu)化的鈍化工藝，暗電流存在進(jìn)一步減小的可能，工作溫度將進(jìn)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(jié)束語

HOT探測器在中波和長波紅外波段內(nèi)都已實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，目前，國外基于異質(zhì)結(jié)勢壘型結(jié)構(gòu)的中波紅外探測器工作溫度范圍主要在150～195K，同質(zhì)結(jié)中波紅外探測器的工作溫度在120～180K的范圍內(nèi)。對于工作波段在8～10mm的長波紅外探測器來說，目標(biāo)是將其工作溫度提升至大于等于100K。另外，異質(zhì)結(jié)勢壘型結(jié)構(gòu)在波段擴(kuò)展后的1.7～2.5mm的短波紅外探測器中也已實(shí)現(xiàn)研究成果，有望實(shí)現(xiàn)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(shù)在中波、長波和短波紅外波段內(nèi)的研究發(fā)展，加之基于該技術(shù)的熱成像系統(tǒng)在尺寸、重量和體積方面與非制冷型熱成像系統(tǒng)相當(dāng)，使得HOT探測器在軍用和民用領(lǐng)域的應(yīng)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(tǒng)公司實(shí)現(xiàn)了HgCdTe探測器的勢壘型結(jié)構(gòu)；歐美一些企業(yè)一般采用其他技術(shù)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(dǎo)彈導(dǎo)引頭、武器熱瞄鏡、小型無人機(jī)等。對長波紅外HOT探測器來說，其軍事應(yīng)用更多的需要高可靠性，如車輛和旋翼領(lǐng)航機(jī)的24h全天候監(jiān)視工作等。在擴(kuò)展短波紅外波段內(nèi)，經(jīng)過試驗(yàn)研究，采用勢壘型結(jié)構(gòu)的e-SWIR探測器有望將工作溫度提升至室溫，在低照度應(yīng)用中更具有優(yōu)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(shí)現(xiàn)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(shù)載流子壽命受高溫環(huán)境的影響較大，所以這也是國外一些公司對HOT探測器技術(shù)的重點(diǎn)研究方向之一。同時(shí)，采用熱電制冷的HOT探測器目前也在初步發(fā)展階段。

[1] Lior Shkedy, Maya Brumer, Philip Klipstein, et al. Development of 10mm pitch XBn detector for low SWaP MWIR applications[C]//,XLII, 2016, 9819: 98191D(doi: 10.1117/12.2220395).

[2] Lutz H, Breiter R, Eich D, et al. High operating temperature IR-modules with small pitch for SWaP reduction and high performance applications[C]//,VIII, 2011, 8185: 818504(doi: 10.1117/12.900347).

[3] Lutz H, Breiter R, Figgemeier H, et al. Improved high operating temperature MCT MWIR modules[C]//,XL, 2014, 9070: 90701D(doi: 10.1117/12.2050427).

[4] Rogalski A, Martyniuk P. Mid-Wavelength infrared nBn for HOT detectors[J]., 2014, 43(8): 2963-2969.

[5] Philip Klipstein, Olga Klin, Steve Grossman, et al. “XBn” barrier detector for high operating temperatures[C]//,VII, 2010, 7608: 1-10.

[6] Philip Klipstein, Olga Klin, Steve Grossman, et al. High operating temperature XBn-InAsSb bariode detectors[C]//,IX, 2012, 8268: 1-8.

[7] Philip Klipstein. “XBn” Barrier photodetectors for high sensitivity and high operating temperature infrared sensors[C]//,XXXIV, 2008, 6940: 1-12.

[8] Philip Klipstein, Olga Klin, Steve Grossman, et al. MWIR InAsSb XBn detectors for high operating temperatures[C]//,XXXVI, 2010, 7660: 76602Y(doi: 10.1117/12.849503).

[9] David Z Ting, Alexander Soibel, Cory J Hill, et al. High operating temperature midwave quantum dot barrier infrared detector (QD-BIRD)[C]//,XXXVIII, 2012, 8353: 835332 (doi: 10.1117/12.920685).

[10] David Z Ting, Alexander Soibel, Arezou Khoshakhlagh, et al. Carrier transport in nBn infrared detectors[C]//,XXIV, 2016, 9973: 997304 (doi: 10.1117/12.2238853).

[11] Kopytko M, Jó?wikowski K, Martyniuk P, et al. Status of HgCdTe barrier infrared detectors grown by MOCVD in military university of technology[J]., 2016, 45(9): 4563-4573.

[12] Philip Klipstein, Olga Klin, Steve Grossman, et al. MWIR InAsSb XBnn detector (bariode) arrays operating at 150K[C]//,XXXVII, 2011, 8012: 80122R(doi: 10.1117/12.883238).

[13] 鄧功榮, 趙鵬, 袁俊, 等. 銻基高工作溫度紅外探測器研究進(jìn)展[J]. 紅外技術(shù), 2017, 39(9): 780-784.

DENG Gongrong, ZHAO Peng, YUAN Jun, et al. Status of Sb-based HOT infrared detectors[J]., 2017, 39(9): 780-784.

[14] Philip Klipstein, Gross Y, Aronov D, et al. Low SWaP MWIR detector based on XBn Focal plane array[C]//XXXIX, 2013, 87041: 1-12.

[15] Philip Klipstein, Olga Klin, Steve Grossman, et al. XBn barrier photodetectors based on InAsSb with high operating temperatures [C]//, 2011, 50(6): doi: 10.1117/ 1.3572149.

[16] Amy W K, LIU Dmitri Lubyshev, QIU Yueming, et al. MBE growth of Sb-based bulk nBn infrared photodetector structures on 6-inch GaSb substrates[C]//,XLI, 2015, 9451: 94510T(doi: 10.1117/12.2178122).

[17] Dmitri Lubyshev, Joel M Fastenau, QIU Yueming, et al. MBE growth of Sb-based nBn photodetectors on large diameter GaAs substrates[C]//,XXXIX, 2013, 8704: 870412(doi: 10.1117/12.2019039).

[18] Yoram Karni, Eran Avnon, Michael Ben Ezra, et al. Large format 15mm pitch XBn detector[C]//, IXL, 2014, 9070: 90701F(doi: 10.1117/12.2049691).

[19] Gershon G, Avnon E, Brumer M, et al. 10mm pitch family of InSb and XBn detectors for MWIR imaging[C]//,XLIII, 2017, 10177: 101771I(doi: 10.1117/12.2261703).

[20] DAT-CON Defence. Multi-sensor-units[M/OL]. [2019-03-06]. https:/ /www.dat-con-defence.com/wp-content/uploads/2020/01/Multi-sensor-units_2020_compressed.pdf.

[21] Müller R, Gramich V, Wauro M, et al. High operating temperature InAs/GaSb type-II superlattice detectors on GaAs substrate for the long wavelength infrared[J]., 2019, 96: 141-144.

[22] Philip Klipstein, Avnon E, Benny Y, et al. InAs/GaSb Type II superlattice barrier devices with a low dark current and a high-quantum efficiency[C]//,XL, 2014, 9070: 90700U(doi: 10.1117/12.2049825).

[23] Martyniuk P, Hackiewicz K, Rutkowski J, et al. Ultimate performance of IB CID T2SLs InAs/GaSb and InAs/InAsSb longwave photodetectors for high operating temperature condition[J]., 2019, 48(10): 6093-6098.

[24] Manijeh Razeghi. Sb-based 3rdgeneration imagers at center for quantum devices[C]//,XLVI, 2020: doi:10.1117/12.2564813.

[25] 周立慶, 寧提, 張敏, 等. 10mm像元間距1024×1024中波紅外探測器研制進(jìn)展[J]. 激光與紅外, 2019, 49(8): 915-920.

ZHOU Liqing, NING Ti, ZHANG Min, et al. Developments of 10mm pixel pitch 1024×1024 MW infrared detectors[J]., 2019, 49(8): 915-920.

[26] 張坤杰. 國外三代紅外探測器制冷機(jī)的研究現(xiàn)狀[J]. 云光技術(shù), 2020, 52(1): 28-37.

ZHANG Kunjie. The research status of the third generation infrared detectors in foreign countries[J]., 2020, 52(1): 28-37.

[27] Lynred.[M/OL][2019-11-20]. http://www. lynred. com/ sites/default/ files/2019-10/Daphnis-HD-MW-datasheet.pdf.

[28] AIM Infrarot-Module GmbH.1280×1024 15mm[M/OL][2019-03-09]. http://www.aim-ir.com/ fileadmin/ files/Data_Sheets_Security/Modules/02_MWIR_IDCA/HiPIR 1280M/ 2018_AIM_datenblatt_A4_HiPIR-1280M_engl.pdf.

[29] AIM Infrarot-Module GmbH.1024×768 10mm[M/OL][2019-03-09]. http://www. Aim -ir.com/ fileadmin/files/Data_Sheets_Security/Modules/01_Hot Cube/ 2018_ AIM_datenblatt_A4_HOT-MCT-1024_engl.pdf.

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。