碲鎘汞雪崩光電二極管近年研究及應(yīng)用進(jìn)展

胡易林,劉 銘,王成剛,楊海燕,郝 斐

(華北光電技術(shù)研究所,北京100015)

1 引 言

自1957年英國(guó)人Lawson等人發(fā)明并人工合成碲鎘汞材料以來(lái),這種理論上能夠滿足整個(gè)紅外波段探測(cè)需求的窄禁帶材料開始應(yīng)用于紅外領(lǐng)域并逐漸成為制備紅外探測(cè)器主流材料。

隨著技術(shù)發(fā)展,碲鎘汞紅外探測(cè)器從第一代(單元或多元光導(dǎo)器件,使用體材料)到第二代(探測(cè)器滿足單一探測(cè)波段、規(guī)模在30萬(wàn)像素以內(nèi),使用外延材料),再發(fā)展到以SaWP3為目標(biāo)的第三代,其主要特征為超大規(guī)模、甚長(zhǎng)波、多色探測(cè)、弱信號(hào)探測(cè)、雪崩型探測(cè)和高工作溫度。

作為第三代紅外探測(cè)器,碲鎘汞雪崩光電二極管(Avalanche Photon Diode,APD)是主要結(jié)構(gòu)為PN結(jié)的在高反向偏置電壓下產(chǎn)生雪崩倍增效應(yīng)實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的探測(cè)和信號(hào)放大的光電探測(cè)器件。一般來(lái)說(shuō),為獲得較低的過(guò)剩噪聲因子和較高的頻率響應(yīng),APD材料中空穴和電子的電離系數(shù)相差越大越好。Leveque等人[1]發(fā)現(xiàn)通過(guò)改變Cd組分,碲鎘汞材料存在電子和空穴之間電離系數(shù)的巨大差異,可以制備單載流子激發(fā)APD,因此HgCdTe被認(rèn)為是低過(guò)剩噪聲紅外APD的最有效解決方案[2,3]。并且碲鎘汞材料具有高量子效率(QE),高效的光學(xué)吸收及高碰撞電離率可允許制備高雪崩增益的APD,有較高的增益帶寬積和高信噪比,并且過(guò)剩噪聲因子F可以達(dá)到1左右[4]。

近年來(lái),HgCdTe APD在高增益、高帶寬、低噪聲等方面取得了很大的進(jìn)展,因此被認(rèn)為是超低能量探測(cè)的關(guān)鍵,在主被動(dòng)成像、波前探測(cè)等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景[5]。

2 碲鎘汞APD主要路線及技術(shù)方案

碲鎘汞APD目前應(yīng)用的技術(shù)方案可以分為平面/臺(tái)面PIN型、環(huán)孔型以及吸收-倍增分離型(Separate Absorption and Multiplication Region,SAM)。按照電流傳輸方向區(qū)分,平面/臺(tái)面PIN型與SAM型屬縱向電流傳輸型,環(huán)孔結(jié)構(gòu)的APD電流傳輸方向?yàn)闄M向。

其中平面/臺(tái)面PIN型最早實(shí)用化并且目前應(yīng)用最為廣泛,CEA-LETI、BAE、AIM以及上海技術(shù)物理研究所均使用該方案。一般采用N+-N--P型結(jié)構(gòu),即在傳統(tǒng)n-on-p器件的PN結(jié)中間增加淺摻雜的I區(qū),增加反偏壓時(shí)的耗盡區(qū)寬度,降低局域電場(chǎng),抑制暗電流?？梢赃x擇液相外延或者分子束外延生長(zhǎng)材料；器件制備工藝簡(jiǎn)單,采用離子注入成結(jié)加以退火調(diào)整,可控性好；器件的等效溫差NETD 和調(diào)制傳遞函數(shù)MTF 也可做得很好[6]。平面/臺(tái)面PIN型碲鎘汞APD示意圖見圖1。

圖1 平面及臺(tái)面PIN型碲鎘汞APD結(jié)構(gòu)示意圖

環(huán)孔型是DRS公司選用的研究路線,采用高密度垂直光電二極管結(jié)構(gòu)(High-Density Vertically Interconnected Photodiode,HDVIP)[7],其結(jié)構(gòu)本質(zhì)依然是PIN型,結(jié)構(gòu)示意圖見圖2。光信號(hào)由正面入射,器件可以達(dá)到較高的性能水平,但制備技術(shù)比較復(fù)雜,難度高,尤其是需要完整去除碲鋅鎘襯底同時(shí)不對(duì)碲鎘汞薄膜造成損傷,因此限制了該技術(shù)方案的應(yīng)用。

圖2 環(huán)孔型碲鎘汞APD結(jié)構(gòu)示意圖

制備吸收-倍增分離型(Separate Absorption and Multiplication Region,SAM)碲鎘汞APD中的吸收區(qū)與倍增區(qū)分離,見示意圖3,通常使用MBE、MOCVD等技術(shù)直接生長(zhǎng)多層異質(zhì)結(jié)的碲鎘汞材料。該方案需要對(duì)多層結(jié)構(gòu)的各層厚度、摻雜濃度及組分進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化,材料生長(zhǎng)也是一個(gè)難題,對(duì)原位摻雜水平提出了較高要求。選用SAM型碲鎘汞APD的代表是美國(guó)Raytheon公司,選擇使用MBE法生長(zhǎng)碲鋅鎘基碲鎘汞[8]。

圖3 SAM型碲鎘汞APD結(jié)構(gòu)示意圖

3 國(guó)外機(jī)構(gòu)研究進(jìn)展

3.1 Leonardo公司SAPHIRA系列APD研究進(jìn)展

Leonardo公司自2002年對(duì)HgCdTe線性模式雪崩光電二極管(LmAPD)進(jìn)行開發(fā),使用金屬有機(jī)氣相外延(MOVPE)技術(shù)生長(zhǎng)具有復(fù)雜的帶隙結(jié)構(gòu)和摻雜分布的HgCdTe材料[9]。使用MOVPE技術(shù)可以通過(guò)調(diào)整帶隙結(jié)構(gòu)來(lái)抑制結(jié)相關(guān)暗電流源從而大幅度降低暗電流,并阻止來(lái)自表面的附加泄漏電流。

SAPHIRA是第一個(gè)用于在低通量條件下進(jìn)行近紅外/短波紅外傳感的HgCdTe APD紅外傳感器系列,陣列規(guī)格為320×256/24 μm。器件為臺(tái)面結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)示意圖見圖4。可用波長(zhǎng)范圍為0.8～2.5 μm,在20 V的偏置電壓下達(dá)到600的增益,在60 K條件下測(cè)得剩噪聲因子F=1[10]。使用SAPHIRA系列APD可以探測(cè)到單個(gè)紅外光子,但在一次讀取中無(wú)法區(qū)分吸收的兩個(gè)或更多光子[11]。

圖4 Leonardo公司MOVPE 生長(zhǎng)器件結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 DRS公司HDVIP結(jié)構(gòu)APD研究進(jìn)展

美國(guó)DRS公司的HgCdTe雪崩光電二極管(APD)探測(cè)器的設(shè)計(jì)基于高密度垂直集成光電二極管(HDVIP)結(jié)構(gòu)[7]。HDVIP器件為圓柱形n-on-p結(jié)構(gòu),如圖5所示。

圖5 HDVIP APD側(cè)視圖

該結(jié)構(gòu)成功的關(guān)鍵在于:器件表面使用CdTe進(jìn)行互擴(kuò)散鈍化,以獲得低1/f噪聲；由于PN結(jié)方向與液相外延碲鎘汞材料生長(zhǎng)方向垂直導(dǎo)致缺陷密度較低；紅外光子側(cè)面入射使APD具有高量子效率、高填充因子、低串?dāng)_和良好的調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)。除此之外HDVIP的柱面幾何結(jié)構(gòu)具有載流子選擇性,非常適合電子注入及倍增,再加上HgCdTe材料獨(dú)特的能帶結(jié)構(gòu),使APD在77 K時(shí)具有與增益無(wú)關(guān)的單載流子(k=0)過(guò)剩噪聲因子。

器件使用6～9 μm厚度的P型碲鎘汞薄膜,具有汞空位和第 IB 族雜質(zhì)摻雜,并用銦進(jìn)行反摻雜。通孔使用離子刻蝕,刻蝕導(dǎo)致汞填隙原子進(jìn)入碲鎘汞材料內(nèi)部使得通孔周圍形成N型區(qū),制得N+-N--P結(jié)構(gòu)。隨后對(duì)通孔進(jìn)行金屬沉積形成N區(qū)與讀出電路間的電學(xué)互連,并使用抗反射(AR)涂層使量子效率最大化[12]。

Beck等人在MWIR E-APD反偏壓為13 V時(shí)測(cè)量到超過(guò)1000的增益,并測(cè)得與增益無(wú)關(guān)過(guò)剩噪聲因子為1.3,截止波長(zhǎng)為4.3 μm。制備的40 μm間距的128×128焦平面陣列在80 K條件下反偏壓為 11 V時(shí)測(cè)得的增益高達(dá) 946,噪聲等效光子(NEPh)輸入低至 0.4 光子。后續(xù)研究中通過(guò)減小PN結(jié)直徑降低了APD的過(guò)剩噪聲系數(shù),并且將增益提高到1900以上,并且測(cè)得量子效率超過(guò)90 %[13]。

3.3 Raytheon公司SAM型APD研究進(jìn)展

Raytheon公司采用吸收倍增分離(SAM)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)碲鎘汞APD,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見圖6,使用分子束外延(MBE)技術(shù)在生長(zhǎng)碲鋅鎘基碲鎘汞,宏觀缺陷密度低于500 cm2。APD陣列測(cè)試結(jié)果表明,在300 K條件下,獲得遠(yuǎn)高于100的增益,以及0.15 nW的 NEP值和約為1的過(guò)剩噪聲值,并且表現(xiàn)出線性模式光子計(jì)數(shù)[8]。Raytheon公司開發(fā)的用于掃描和凝視三維激光雷達(dá)系統(tǒng)的近紅外傳感器芯片組件(SCA),將高性能APD集成其中,表現(xiàn)出優(yōu)異的空間和距離分辨率,實(shí)現(xiàn)了近距離和遠(yuǎn)距離的詳細(xì)3D圖像[14]。

圖6 Raytheon公司P-SAM型APD結(jié)構(gòu)示意圖

3.4 CEA-LETI 平面PIN型APD研究進(jìn)展

CEA-LETI和Sofradir合作生產(chǎn)的平面PIN型碲鎘汞APD,結(jié)構(gòu)示意見圖7,其中發(fā)生雪崩倍增的N-區(qū)厚度約為1～3 μm,截止波長(zhǎng)為2.5～5.6 μm,測(cè)試得到的最大增益為13000,增益達(dá)到100時(shí)的反偏壓為7～10 V。高增益的有效性取決于APD的暗電流噪聲、觀測(cè)時(shí)間以及探測(cè)電子器件的噪聲。過(guò)剩噪聲因子F約為1.1～1.4,量子效率(QE)達(dá)到60 %～80 %[15]。

圖7 CEA-LETI碲鎘汞APD結(jié)構(gòu)示意圖

CEA Leti已經(jīng)開發(fā)了一種用于被動(dòng)或主動(dòng)2D和3D成像的高幀速率雙模紅外陣列探測(cè)器[16]。采用具有線性增益的HgCdTeAPD陣列,規(guī)格為320×256/30 μm,在3D工作模式下獲得了很高的靈敏度,能夠記錄每個(gè)像素的飛行時(shí)間(TOF)和一個(gè)激光脈沖的強(qiáng)度。

3.5 BAE公司平面PIN型APD研究進(jìn)展

BAE公司的M.B.Reine 等人報(bào)告了一種背入射式平面型PIN結(jié)構(gòu)碲鎘汞 e-APD[17],器件結(jié)構(gòu)如圖8所示,使用水平液相外延在4 cm×6 cm大小的碲鋅鎘襯底上生長(zhǎng)P型中波碲鎘汞薄膜,生長(zhǎng)過(guò)程中引入濃度為4.5×1014cm-3的In摻雜以建立N區(qū)的施主濃度。光敏元尺寸較大達(dá)到250 μm×250 μm,陣列規(guī)格為4×4,。在160 K下的截止波長(zhǎng)為4.29 μm,反偏壓為11.7 V時(shí)達(dá)到最大增益為648,在80 K時(shí)測(cè)量到的增益歸一化暗電流密度在-10.0 V時(shí)達(dá)到約為0.3 μA/cm2。

圖8 BAE公司平面型碲鎘汞e-APD截面圖

3.6 AIM公司平面PIN型APD研究進(jìn)展

德國(guó)AIM公司的A.SIECK等人制備了平面型PIN結(jié)構(gòu)碲鎘汞APD,器件采用背入射式,使用液相外延在碲鋅鎘襯底上生長(zhǎng)碲鎘汞,摻雜Hg空位或IB族受主使材料表現(xiàn)為p型,表面用寬禁帶II-VI族合金鈍化。通過(guò)離子注入形成N+區(qū),汞間隙原子擴(kuò)散得到N-區(qū)。150 K時(shí)截止波長(zhǎng)為2.55 μm,在工作溫度為140 K時(shí),-14 V偏壓下測(cè)得增益值為20[18]。

4 國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展

4.1 上海技術(shù)物理研究所相關(guān)研究

4.1.1 暗電流機(jī)理研究

上海技物所使用Sentaurus TCAD軟件對(duì)碲鎘汞APD暗電流機(jī)理及不同反偏壓下的組成差異進(jìn)行研究。通過(guò)對(duì)平面[19-20]以及臺(tái)面[19]PIN結(jié)構(gòu)碲鎘汞APD的模擬,發(fā)現(xiàn)反偏壓較小時(shí),暗電流主要由非本征Shockley-Read-Hall電流(SRH)和陷阱輔助隧穿電流(TAT)組成。反偏壓增加導(dǎo)致處于較高費(fèi)米能級(jí)的載流子穿越耗盡區(qū)可能性增加,使得帶間隧穿電流(BBT)增大。因此在較高反偏壓下,BBT電流和雪崩放大電流(AVA)成為暗電流的主要組成部分。提高探測(cè)器性能和降低暗電流的實(shí)質(zhì)是抑制高反向偏壓下的BBT和AVA電流[20]。

研究表明APD結(jié)構(gòu)會(huì)一定程度上影響器件性能,平面PIN型碲鎘汞APD倍增區(qū)結(jié)尖角明顯提高暗電流水平,改善結(jié)間電場(chǎng)分布的均勻性對(duì)降低BBT電流是有效的,而倍增區(qū)的厚度會(huì)明顯影響臺(tái)面APD的暗電流[19]。增加耗盡寬度越大可以降低N-區(qū)濃度,從而降低暗電流,但同時(shí)會(huì)嚴(yán)重影響增益,降低器件性能。因此器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目標(biāo)是降低缺陷密度,優(yōu)化結(jié)電場(chǎng),最終抑制大反向偏壓下的暗電流,提高器件性能。

4.1.2 器件模擬

以暗電流的相關(guān)研究為基礎(chǔ),上海技物所后續(xù)設(shè)計(jì)并模擬了不同結(jié)構(gòu)的碲鎘汞APD器件。李慶等人針對(duì)平面PIN結(jié)構(gòu)提出了保護(hù)環(huán)(Guard Ring)設(shè)計(jì)[21],研究表明保護(hù)環(huán)設(shè)計(jì)可以削弱平面PIN結(jié)構(gòu)碲鎘汞APD的表面局部電場(chǎng)引起的暗電流并能將增益噪聲比提高了近兩個(gè)數(shù)量級(jí)。為提高碲鎘汞APD工作溫度,何家樂等人[22]提出了一種新的勢(shì)壘阻擋長(zhǎng)波pBp-APD結(jié)構(gòu)。通過(guò)耦合勢(shì)壘層結(jié)構(gòu)能夠有效降低吸收區(qū)載流子濃度,具有保持良好的電子阻擋效應(yīng),因此可以降低吸收層中的載流子濃度并降低暗電流,允許大幅度提高工作溫度。模擬結(jié)果驗(yàn)證了改進(jìn)結(jié)構(gòu)的可行性,為新結(jié)構(gòu)碲鎘汞APD提供了新思路。

4.1.3 器件制備

顧仁杰與沈川[23]制備128×128規(guī)格的臺(tái)面PIN結(jié)構(gòu)的中波碲鎘汞APD陣列,碲鎘汞材料使用MBE法制備,器件增益在10 V反偏壓下可達(dá)到335。李浩等人[24]選擇使用離子束刻蝕制備N-區(qū),再結(jié)合離子注入制備PIN結(jié)構(gòu)。

上海技物所最新成果是128×128/50 μm的中波 HgCdTe APD陣列[25],使用液相外延技術(shù)生長(zhǎng)。器件為背入射式平面PIN結(jié)構(gòu),如圖9所示。通過(guò)優(yōu)化工藝將N-區(qū)厚度控制在3 μm左右。APD在10 V反向偏壓下的增益為728,當(dāng)增益為700時(shí),F值小于1.8。當(dāng)反偏壓低于9 V時(shí),GNDC小于100 nA/cm2,但在高偏置電壓下,暗電流開始明顯快于增益,導(dǎo)致器件性能受到限制。

圖9 上海技物所PIN型碲鎘汞APD結(jié)構(gòu)示意圖

總結(jié)來(lái)說(shuō),上海技物所制備的HgCdTe APD FPA可以達(dá)到高增益、低過(guò)剩噪聲等技術(shù)指標(biāo),但在低通量應(yīng)用中仍有待提高。

4.2 昆明物理研究所相關(guān)研究

昆明物理研究所對(duì)APD的研究起步較晚,于2018年制備了中波碲鎘汞APD并對(duì)其增益效應(yīng)展開研究[26]。使用的中波碲鎘汞材料通過(guò)液相外延制得,結(jié)構(gòu)為平面型N+-N--P結(jié)構(gòu),通過(guò)離子注入、退火工藝實(shí)現(xiàn),N-區(qū)厚度約為1～3 μm,單元器件的光敏面積為30 μm×30 μm,結(jié)構(gòu)示意圖見圖10。

圖10 HgCdTeAPD 器件結(jié)構(gòu)示意圖

通過(guò)調(diào)整成結(jié)、退火參數(shù),制得飽和耗盡區(qū)寬度分別為2.5 μm和1.2 μm的器件。前者的雪崩增益在-8 V反偏下為100,后者在-12.5 V 高反偏下可以得到大于2000的增益。因?yàn)檩^寬的耗盡區(qū)可以有效抑制隧穿電流,允許器件工作在高反偏壓下進(jìn)而獲得較高的雪崩增益。

5 碲鎘汞APD應(yīng)用情況

5.1 天文應(yīng)用

用于空間成像的探測(cè)器對(duì)性能要求很高,低通量探測(cè)必須有高量子效率和低暗電流。碲鎘汞APD是近中紅外波段最靈敏的探測(cè)器之一,可以應(yīng)用于機(jī)載和星載激光雷達(dá),用于表面高度、大氣氣體濃度、光譜強(qiáng)度等方面。它們已成功應(yīng)用于哈勃太空望遠(yuǎn)鏡,并將用于詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡(JWST)[27]。

SAPHIRA探測(cè)器已經(jīng)成功應(yīng)用于多個(gè)天文探測(cè)項(xiàng)目[10]。歐洲GRAVITY項(xiàng)目中將SAPHIRA APD陣列應(yīng)用于望遠(yuǎn)鏡,其雪崩增益超過(guò)50,并且可以減少大量的噪聲,因此可以對(duì)更廣闊的星空進(jìn)行詳細(xì)觀測(cè)。2018年5月,GRAVITY項(xiàng)目首次使用SAPHIRA探測(cè)器觀測(cè)到引力紅移,顯示該儀器將徹底改變天體的動(dòng)態(tài)測(cè)量,對(duì)后續(xù)天文觀測(cè)具有重要意義。新一代512×512/24 μm規(guī)格的SAPHIRA APD陣列將安裝在歐洲超大望遠(yuǎn)鏡(ELT),用于極端自適應(yīng)光學(xué)的波前傳感。將應(yīng)用于低光子通量天文成像的探測(cè)器陣列規(guī)格將達(dá)到1 k×1 k/15 μm。而由ESA資助的2 k×2 k/15 μm規(guī)格的LmAPD陣列已開始研制,未來(lái)將用于深空成像[28]。

5.2 國(guó)防和安全應(yīng)用

線性模式APD陣列對(duì)于利用激光雷達(dá)進(jìn)行遠(yuǎn)程成像或在遠(yuǎn)程被動(dòng)成像中抑制湍流至關(guān)重要,它們是3D成像的基礎(chǔ),3D成像被認(rèn)為是自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別的關(guān)鍵。Raytheon公司開發(fā)的的碲鎘汞APD陣列和傳感器芯片組件(SCA)用于掃描和凝視激光雷達(dá)系統(tǒng),并已經(jīng)在Raytheon導(dǎo)彈系統(tǒng)和海軍空戰(zhàn)中進(jìn)行了集成和演示顯示了良好的空間和距離分辨率[3]。

在安全領(lǐng)域,碲鎘汞APD可以應(yīng)用于遠(yuǎn)程化學(xué)檢測(cè)。新一代化學(xué)檢測(cè)儀器目標(biāo)是檢測(cè)和識(shí)別各種物理狀態(tài)下的化學(xué)戰(zhàn)劑(CWA)、非傳統(tǒng)戰(zhàn)劑和有毒工業(yè)化學(xué)品(TIC),這些技術(shù)依賴于特定的化學(xué)反應(yīng),如拉曼散射(振動(dòng)響應(yīng))和紅外光譜(紅外吸收)。Leonardo公司線性模式APD傳感器具有高靈敏度、快速的響應(yīng)速度和合適的波長(zhǎng)范圍,可在遠(yuǎn)程化學(xué)檢測(cè)中實(shí)現(xiàn)數(shù)量級(jí)的提高[29]。對(duì)于痕量氣體探測(cè),Raytheon公司開發(fā)的4×4像素HgCdTe APD陣列可以用于激光雷達(dá)測(cè)量,這些探測(cè)器成功地應(yīng)用于美國(guó)NASA的1.57 μm CO2激光雷達(dá)、1.65 μm CH4激光雷達(dá)[27]。

6 總結(jié)

自新世紀(jì)以來(lái),國(guó)外公司對(duì)碲鎘汞APD進(jìn)行了深入研究并取得了一系列研究成果,各公司根據(jù)自身技術(shù)水平選擇了不同的技術(shù)路線,并且根據(jù)結(jié)構(gòu)需要選擇不同的制備技術(shù)生長(zhǎng)碲鎘汞材料,已經(jīng)成功制備高性能器件并應(yīng)用于航天、安全等領(lǐng)域。

相比較而言,國(guó)內(nèi)對(duì)碲鎘汞APD研究起步較晚,目前上海技物所的研究水平處于領(lǐng)先位置,已經(jīng)制備成功增益可達(dá)728的128×128/50 μm的碲鎘汞 APD陣列,昆明物理所也對(duì)該領(lǐng)域開展研究并成功制備器件。雖然近年來(lái)國(guó)內(nèi)相關(guān)研究出現(xiàn)了可喜的進(jìn)步,但仍與國(guó)際先進(jìn)水平存在一定差距,尤其是并未見到實(shí)際應(yīng)用有關(guān)的進(jìn)展情況。由于碲鎘汞APD在軍用及民用領(lǐng)域均有廣闊應(yīng)用前景,所以我國(guó)應(yīng)持續(xù)推進(jìn)相關(guān)研究進(jìn)步,追趕國(guó)外廠家,以早日達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。