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(qū)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(fā)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(fā)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(wěn)定狀態(tài),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(fā)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(tǒng)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(tài)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(tài)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(fā)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(qū)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(lián)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(fā)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(tǒng)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(qū),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(qū)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(guī)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(wěn)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(fā)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(qū)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(tǒng)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(yōu)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(wěn)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(guī)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(fā)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(tǒng)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(xù)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(fā)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(fā)展趨勢,為滿足國防科技事業(yè)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(yōu)勢,大力發(fā)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。