碲鎘汞高工作溫度紅外探測(cè)器的優(yōu)點(diǎn)及當(dāng)前碲鎘汞HOT器件的發(fā)展現(xiàn)狀

摘要：基于當(dāng)前紅外探測(cè)器技術(shù)的發(fā)展方向，從高工作溫度紅外探測(cè)器應(yīng)用需求的角度分析了碲鎘汞高工作溫度紅外探測(cè)器在組件重量、外形尺寸、功耗、環(huán)境適應(yīng)性及可靠性方面的優(yōu)勢(shì)?？偨Y(jié)了歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家在碲鎘汞高工作溫度紅外探測(cè)器研究方面的技術(shù)路線及研究現(xiàn)狀。從器件暗電流和噪聲機(jī)制的角度分析了碲鎘汞光電器件在不同工作溫度下的暗電流和噪聲變化情況及其對(duì)器件性能的影響；總結(jié)了包括基于工藝優(yōu)化的Hg空位p型n-on-p結(jié)構(gòu)碲鎘汞器件、基于In摻雜p-on-n結(jié)構(gòu)和Au摻雜n-on-p結(jié)構(gòu)的非本征摻雜碲鎘汞高工作溫度器件、基于nBn 勢(shì)壘阻擋結(jié)構(gòu)的碲鎘汞高工作溫度器件及基于吸收層熱激發(fā)載流子俄歇抑制的非平衡模式碲鎘汞高工作溫度器件在內(nèi)的不同技術(shù)路線碲鎘汞高工作溫度器件的基本原理，對(duì)比分析了不同技術(shù)路線碲鎘汞高工作溫度器件的性能及探測(cè)器制備的技術(shù)難點(diǎn)。在綜合分析不同技術(shù)路線高溫器件性能與技術(shù)實(shí)現(xiàn)難度的基礎(chǔ)上展望了碲鎘汞高工作溫度器件技術(shù)未來(lái)的發(fā)展方向，認(rèn)為基于低濃度摻雜吸收層的全耗盡結(jié)構(gòu)器件具備更好的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

0引言

目前，新一代紅外探測(cè)器的核心聚焦于更小尺寸(Size)、更小重量(Weight)、更低功耗(Power consumption)、更高性能(Performance)和更低成本(Price)，即“SWaP3”。對(duì)于高性能光子探測(cè)器而言，提高探測(cè)器組件的工作溫度是其中的關(guān)鍵之一。

1959年，英國(guó)人Lawson發(fā)明的碲鎘汞(Hg1?xCdxTe或MCT)材料是一種閃鋅礦結(jié)構(gòu)的直接帶隙三元化合物半導(dǎo)體，材料的吸收系數(shù)大，禁帶寬度連續(xù)可調(diào)，通過(guò)改變Cd組分x可實(shí)現(xiàn)1~3 μm、3~5 μm和8~14 μm三個(gè)大氣窗口的紅外探測(cè)。碲鎘汞紅外焦平面探測(cè)器因其優(yōu)異的光電性能在高性能紅外光子探測(cè)領(lǐng)域一直占據(jù)著主導(dǎo)地位。

窄帶隙的碲鎘汞材料，隨著工作溫度的升高本征熱激發(fā)載流子濃度指數(shù)增大，從而使得器件暗電流呈指數(shù)上升。碲鎘汞紅外探測(cè)器的暗電流水平及相關(guān)噪聲是決定其探測(cè)性能的關(guān)鍵要素，決定了紅外系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)的探測(cè)、跟蹤和識(shí)別能力。因此，高性能的碲鎘汞紅外焦平面探測(cè)器需要工作在77 K的液氮溫區(qū)以抑制器件的暗電流，其較大的制冷量需求使得制冷機(jī)的費(fèi)用占到了整個(gè)探測(cè)器組件的約1/3。同時(shí)，探測(cè)器組件的外形尺寸、質(zhì)量和功耗較大，探測(cè)器組件的系統(tǒng)適應(yīng)性降低。隨著工作溫度降低到液氮溫度，碲鎘汞與硅讀出電路之間熱膨脹系數(shù)較大的差異導(dǎo)致芯片發(fā)生較大的翹曲形變，使得焦平面像元穩(wěn)定性降低，陣列規(guī)格越大熱失配相關(guān)問(wèn)題也越嚴(yán)重，最終使得探測(cè)器組件的可靠性下降。

因此，在保證碲鎘汞紅外探測(cè)器性能的前提下提高探測(cè)器組件的工作溫度，可以兼顧紅外系統(tǒng)小尺寸、低功耗、低成本、高靈敏度和高響應(yīng)速度等優(yōu)點(diǎn)，是目前新一代紅外焦平面探測(cè)器技術(shù)的重要發(fā)展方向之一。

1碲鎘汞HOT器件應(yīng)用分析

1985年，英國(guó)的T. Ashley等人首次提出了高工作溫度(High OperationTemperature， HOT)紅外探測(cè)器的概念。隨著高晶體質(zhì)量碲鎘汞外延薄膜制備技術(shù)、碲鎘汞材料與器件相關(guān)基礎(chǔ)理論及器件制備工藝研究的深入，碲鎘汞高溫器件技術(shù)的研究也得到了較好的發(fā)展。碲鎘汞HOT器件得到了包括法國(guó)Sofradir公司、德國(guó)AIM 公司、英國(guó)Selex公司、美國(guó)DRS公司、美國(guó)Teledyne公司在內(nèi)的歐美發(fā)達(dá)國(guó)家的重點(diǎn)研發(fā)。

法國(guó)Sofradir公司基于開發(fā)的碲鎘汞HOT探測(cè)器，對(duì)比了陣列規(guī)格640×512、像元間距15 μm的中波碲鎘汞探測(cè)器組件在不同工作溫度時(shí)探測(cè)器組件參數(shù)，如圖1所示。采用相同制冷機(jī)的情況下，將non-p結(jié)構(gòu)器件工作溫度從80 K提升到110 K，探測(cè)器組件功耗降低了20%，制冷時(shí)間縮短了20%，平均失效時(shí)間提高了30%；采用小型化制冷機(jī)的情況下，探測(cè)器組件尺寸減小了15%，質(zhì)量降低了20%。工作溫度達(dá)到150K的p-on-n結(jié)構(gòu)HOT器件，探測(cè)器組件尺寸和功耗分別減小了約40%。

圖1 中波探測(cè)器不同工作溫度下參數(shù)對(duì)比

圖2 所示為昆明物理研究所中波紅外碲鎘汞640×512(15 μm)焦平面組件在不同工作溫度下制冷機(jī)的穩(wěn)態(tài)功耗測(cè)試結(jié)果及制冷到相應(yīng)工作溫度所需的制冷時(shí)間對(duì)比。隨探測(cè)器組件工作溫度的提高，制冷機(jī)的功耗和降溫時(shí)間顯著下降。

圖2 不同工作溫度時(shí)制冷機(jī)的穩(wěn)態(tài)功耗和降溫時(shí)間

同時(shí)，由于Si讀出電路(ROIC)與碲鎘汞材料之間的熱膨脹系數(shù)的不同，導(dǎo)致低溫工作時(shí)存在較大的熱失配，從而影響探測(cè)器組件的探測(cè)率、相應(yīng)均勻性及噪聲等性能，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致芯片的互連銦柱脫開和芯片斷裂。在大面陣的碲鎘汞紅外焦平面探測(cè)器中，熱失配導(dǎo)致失效的現(xiàn)象會(huì)更加明顯。因此，提高探測(cè)器組件的工作溫度可以顯著降低由于熱失配帶來(lái)的影響，提高探測(cè)器組件的可靠性。

得益于探測(cè)器組件工作溫度的提升，由此帶來(lái)了探測(cè)器組件的可靠性提升、制造成本的下降，探測(cè)器組件外形尺寸和重量的降低使得探測(cè)器組件的環(huán)境適應(yīng)性得到有效提升。

2碲鎘汞HOT器件研究現(xiàn)狀

提高薄膜材料的晶體質(zhì)量，降低缺陷密度，優(yōu)化器件制備工藝，采用非本征摻雜技術(shù)等能夠有效提升碲鎘汞器件的工作溫度。法國(guó)Sofradir公司和德國(guó)AIM公司通過(guò)優(yōu)化基于Hg空位的n-on-p器件工藝，中波紅外器件在120 K 時(shí)仍具備優(yōu)異的光電性能。

非本征摻雜方面，德國(guó)AIM公司采用Au摻雜P型碲鎘汞開發(fā)了基于n-on-p結(jié)構(gòu)的碲鎘汞HOT器件，第一代中波碲鎘汞HOT器件工作溫度達(dá)140 K。將Au摻雜濃度從中系數(shù)1016cm?3降低到低系數(shù)1015 cm?3，并優(yōu)化器件鈍化工藝后工作溫度達(dá)到160 K。

AIM公司與Sofradir公司都開發(fā)了基于LPE原位In摻雜結(jié)合As離子注入技術(shù)的p-on-n結(jié)構(gòu)碲鎘汞器件，其中波探測(cè)器工作溫度達(dá)到160 K。美國(guó)雷神公司采用垂直液相外延技術(shù)開發(fā)了原位p-on-n技術(shù)。圖3為AIM公司20 μm中心距、640×512規(guī)格陣列中波紅外p-on-n探測(cè)器組件成像效果，在較高的工作溫度下探測(cè)器組件仍然具有較好的成像分辨率。

圖3 AIM公司p-on-n中波探測(cè)器成像效果

通過(guò)能帶調(diào)控設(shè)計(jì)新結(jié)構(gòu)來(lái)抑制暗電流可有效提升探測(cè)器的工作溫度，主要包含以下兩條技術(shù)路線：(1)基于非平衡模式的碲鎘汞器件，采用P+/π(v)/N+結(jié)構(gòu)(見圖4)；(2)基于nBn勢(shì)壘阻擋結(jié)構(gòu)的碲鎘汞器件(見圖5)。

圖4 P+/π(v)/N+器件結(jié)構(gòu)

圖5 碲鎘汞nBn器件能帶結(jié)構(gòu)

1985年，英國(guó)人Elliot提出的P+/π(v)/N+結(jié)構(gòu)器件，得到了包括英國(guó)Selex公司、美國(guó)陸軍實(shí)驗(yàn)室(ArmyResearch Laboratory)、DRS公司、EPIR公司、伊利諾伊大學(xué)芝加哥分校(University of Illinois at Chicago)、密歇根大學(xué)(Universityof Michigan)、TIS公司、波蘭華沙軍事技術(shù)大學(xué)(MilitaryUniversity of Technology)等眾多科研機(jī)構(gòu)或公司的研究。2006年，英國(guó)Selex公司報(bào)道了陣列規(guī)格為320×256、像元間距30 μm、工作溫度200 K 的P+/π/N+中波碲鎘汞探測(cè)器。

2010年，美國(guó)DRS公司報(bào)道了基于HDVIP結(jié)構(gòu)的非平衡模式中波紅外碲鎘汞高溫器件，包括P+/π/N+和P+/v/N+兩種結(jié)構(gòu)(見圖6)。優(yōu)化工藝后的中波器件在170K(λC=4.8 μm)工作溫度下NETD仍然小于25 mK。

圖6 美國(guó)DRS公司非平衡模式器件結(jié)構(gòu)

美國(guó)ARL采用As離子注入結(jié)合擴(kuò)散激活退火實(shí)現(xiàn)了P+/π/N+結(jié)構(gòu)器件的制備(見圖7)。

圖7 As離子注入分布及擴(kuò)散后分布

美國(guó)Teledyne公司采用吸收層摻雜濃度為2~5×1013 cm?3的P+/v/N+結(jié)構(gòu)(見圖8)，低摻雜濃度使得吸收層在較低的偏壓下實(shí)現(xiàn)全耗盡，從而有效抑制Aguer-1過(guò)程，器件暗電流水平達(dá)到背景輻射限。其中波紅外探測(cè)器工作溫度達(dá)到250 K，長(zhǎng)波紅外探測(cè)器工作溫度達(dá)到160 K。

2011年，密歇根大學(xué)的A. M. Itsuno首次報(bào)道了nBn勢(shì)壘型碲鎘汞器件。之后，基于勢(shì)壘阻擋型的碲鎘汞器件得到了歐美等眾多公司和科研機(jī)構(gòu)的研究，并在中波、長(zhǎng)波HOT器件的研制中取得了一定的成果。由于碲鎘汞異質(zhì)結(jié)Type-I型能帶配置導(dǎo)致nBn器件需要較高的工作偏壓，因此能帶調(diào)控是目前研究的重點(diǎn)。波蘭華沙軍事技術(shù)大學(xué)基于MOCVD技術(shù)開發(fā)了As摻雜勢(shì)壘型器件，包括pBn和pBp型器件，并推出了基于熱電致冷的單元器件樣品(見圖9)。

圖8 Teledyne公司P+/v/N+碲鎘汞器件結(jié)構(gòu)

圖9 華沙軍事技術(shù)大學(xué)勢(shì)壘型碲鎘汞單元器件樣品

澳大利亞的西澳大學(xué)與華沙軍事技術(shù)大學(xué)合作開發(fā)了基于HgTe/CdTe三類超晶格勢(shì)壘的nBn型器件。由于能帶調(diào)控及材料制備方面存在的技術(shù)難題，目前尚無(wú)成熟的nBn 勢(shì)壘型碲鎘汞焦平面器件報(bào)道。

國(guó)內(nèi)中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所、中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十一研究所及昆明物理研究所都開展了低功耗、小型化碲鎘汞高工作溫度紅外探測(cè)器組件的研制，目前還處于技術(shù)研發(fā)階段，尚無(wú)成熟的產(chǎn)品報(bào)道。

3碲鎘汞HOT器件原理與技術(shù)路線

3.1暗電流及噪聲分析

碲鎘汞器件性能受到器件暗電流水平的限制，其中器件的暗電流主要包括：擴(kuò)散電流、SRH產(chǎn)生-復(fù)合電流、直接隧穿電流、陷阱輔助隧穿電流及表面漏電流等。暗電流的有效抑制是提升探測(cè)器組件工作溫度的基礎(chǔ)。

隨著工作溫度的升高，由于高的熱激發(fā)載流子，本征載流子在近室溫碲鎘汞材料中起主導(dǎo)作用，尤其是長(zhǎng)波紅外波段。碲鎘汞材料的本征載流子濃度與溫度之間滿足如下關(guān)系：

圖10和11分別為組分x=0.3和x=0.22、n型摻雜濃度1×1015 cm?3時(shí)本征載流子濃度、電子濃度和空穴濃度與溫度之間的關(guān)系。

圖10 x=0.3時(shí)本征載流子濃度與溫度的關(guān)系

圖11 x=0.22時(shí)本征載流子濃度與溫度的關(guān)系

俄歇復(fù)合速率與電子和空穴濃度成正比，高的俄歇復(fù)合速率導(dǎo)致高的暗電流和噪聲。隨著工作溫度的升高，俄歇復(fù)合過(guò)程占據(jù)主導(dǎo)地位，探測(cè)器暗電流隨本征載流子濃度的增大而快速增大。圖12所示為截止波長(zhǎng)為10 μm(78 K)的長(zhǎng)波碲鎘汞器件暗電流密度隨工作溫度的變化關(guān)系。

圖12 探測(cè)器暗電流密度與工作溫度的關(guān)系

碲鎘汞器件的優(yōu)質(zhì)因子R0A與器件的暗電流之間的關(guān)系如下：

器件的探測(cè)率D*滿足如下的關(guān)系：

碲鎘汞探測(cè)器工作溫度升高，暗電流增大導(dǎo)致器件的R0A快速減小，

，探測(cè)率D*可化簡(jiǎn)為：

因此，高工作溫度下抑制器件的暗電流是實(shí)現(xiàn)探測(cè)器高性能的基礎(chǔ)。

碲鎘汞器件的噪聲水平?jīng)Q定了探測(cè)器組件的探測(cè)靈敏度，即器件的噪聲等效溫差(NETD)。碲鎘汞光伏器件噪聲主要有熱噪聲(Johnson或Nyquist噪聲)、散粒噪聲(Shot噪聲)、1/f噪聲及隨機(jī)電報(bào)噪聲(RTS)等。

熱噪聲是由器件中電荷載流子的隨機(jī)熱運(yùn)動(dòng)引起，噪聲電流與溫度關(guān)系為：

式中：Td為探測(cè)器工作溫度；Rd為結(jié)電阻；Δf為電子學(xué)帶寬，一般取Δf=1/2Tint，Tint為積分時(shí)間。

散粒噪聲源于載流子輸運(yùn)過(guò)程中的離散性，噪聲均方電流與器件的電流直接相關(guān)：

在碲鎘汞器件中，1/f噪聲是限制器件性能的重要因素之一，尤其對(duì)于長(zhǎng)波紅外探測(cè)器。1/f噪聲與器件的表面態(tài)直接相關(guān)。除表面態(tài)之外，外延層中的貫穿位錯(cuò)也是1/f噪聲的重要來(lái)源。Tobin研究指出，1/f噪聲電流與探測(cè)器暗電流密度之間存在經(jīng)驗(yàn)的線性關(guān)系，具體為：

式中：f為頻率；α、β為擬合參數(shù)，根據(jù)擬合數(shù)據(jù)α=1×10-3、β=1。在低頻區(qū)域，1/f噪聲是光電器件的主要噪聲形式。根據(jù)公式(7)可知，碲鎘汞器件工作溫度升高導(dǎo)致器件暗電流增大，使得1/f噪聲也隨工作溫度的升高而增大。

在低頻區(qū)域，除了1/f噪聲外，隨機(jī)電報(bào)噪聲也是限制器件性能的一個(gè)重要因素。研究認(rèn)為隨機(jī)電報(bào)噪聲主要是由于半導(dǎo)體材料中的缺陷引起的。碲鎘汞器件中的位錯(cuò)、Hg空位缺陷等是隨機(jī)電報(bào)噪聲的重要來(lái)源。缺陷在禁帶中形成深能級(jí)陷阱，陷阱隨機(jī)俘獲釋放載流子從而調(diào)制器件的電流，形成隨機(jī)電報(bào)噪聲。其特征為電流或電流在兩個(gè)(或多個(gè))分離的位置隨機(jī)跳來(lái)跳去，脈沖頻率大都小于100 Hz。圖13所示為工作溫度為140K的中波碲鎘汞p-on-n器件噪聲功率譜密度測(cè)試結(jié)果，可以看到在低頻區(qū)域1/f噪聲和隨機(jī)電報(bào)噪聲占據(jù)主導(dǎo)地位。

隨探測(cè)器組件探測(cè)波長(zhǎng)或工作溫度的提升，隨機(jī)電報(bào)噪聲的幅度和頻度都隨之增加。圖14所示為不同溫度下隨機(jī)電報(bào)噪聲像元數(shù)對(duì)比。

圖13 140 K時(shí)中波紅外p-on-n器件噪聲功率譜密度

圖14 中波器件隨機(jī)電報(bào)噪聲像元數(shù)與工作溫度的關(guān)系

對(duì)于高工作溫度碲鎘汞紅外探測(cè)器，熱噪聲隨工作溫度的升高而快速增大；高工作溫度下暗電流快速增大使得暗電流相關(guān)噪聲和1/f噪聲快速增大；同時(shí)，高濃度的本征熱激發(fā)載流子使得位錯(cuò)缺陷等對(duì)載流子的俘獲和發(fā)射概率增大，隨機(jī)電報(bào)噪聲也隨之增大。因此，暗電流及噪聲的有效抑制是碲鎘汞高工作溫度紅外探測(cè)器研制的基礎(chǔ)。其中，高工作溫度下高濃度本征熱載流子的有效抑制(俄歇抑制)是暗電流抑制從而提升探測(cè)器工作溫度的關(guān)鍵。

3.2非本征摻雜碲鎘汞HOT器件

液氮溫區(qū)工作的碲鎘汞器件本征載流子濃度得到了有效抑制，器件性能受到SRH產(chǎn)生-復(fù)合電流的限制。對(duì)于基于本征Hg空位p型的碲鎘汞n-on-p結(jié)構(gòu)器件而言，Hg空位本身為一種結(jié)構(gòu)缺陷，除了呈現(xiàn)p型受主特性的淺能級(jí)外，還呈現(xiàn)出深能級(jí)特性。Hg空位的深能級(jí)為SRH過(guò)程提供了通道，使得SRH電流增大；同時(shí)，深能級(jí)陷阱也為陷阱輔助隧穿電流提供了通道，使得陷阱輔助隧穿電流增大(見圖15)。因此，基于本征Hg空位的n-on-p結(jié)構(gòu)器件很難用于低暗電流高工作溫度碲鎘汞探測(cè)器組件的研制。

采用非本征摻雜技術(shù)能夠有效降低Hg空位缺陷所帶來(lái)的深能級(jí)缺陷密度，從而使得SRH電流和陷阱輔助隧穿電流密度降低。器件暗電流密度的降低使得器件可以工作在更高的溫度。

圖15 (a)SRH產(chǎn)生-復(fù)合電流；(b)陷阱輔助隧穿電流

目前，基于非本征摻雜的碲鎘汞器件主要包括基于LPE技術(shù)的Au摻雜n-on-p結(jié)構(gòu)器件和In摻雜pon-n結(jié)構(gòu)器件。隨工作溫度的升高，器件性能由SRH產(chǎn)生-復(fù)合電流限制轉(zhuǎn)到擴(kuò)散電流限制，少子壽命由俄歇復(fù)合壽命主導(dǎo)。

對(duì)于p-on-n器件，N型碲鎘汞材料中俄歇復(fù)合壽命由Auger-1過(guò)程主導(dǎo)：

式中：TA1i為本征俄歇壽命。

式中 ：ε為介電常數(shù)；μ = (me=mh)；F1F2估算值為0.25。圖16和圖17分別為組分0.3和0.22時(shí)不同N型摻雜濃度情況下碲鎘汞材料的俄歇壽命隨溫度的變化關(guān)系。

圖16 x=0.3時(shí)碲鎘汞俄歇壽命與溫度的關(guān)系

圖17 x=0.22時(shí)碲鎘汞俄歇壽命與溫度的關(guān)系

可以看到，相同溫度下?lián)诫s濃度越低，材料的俄歇壽命越高。隨著工作溫度的升高，中波碲鎘汞在約130 K 以上時(shí)俄歇壽命快速減?。婚L(zhǎng)波碲鎘汞在約90 K以上時(shí)快速減小。

對(duì)于Au摻雜P型碲鎘汞材料而言，材料的俄歇壽命由Auger-7過(guò)程占據(jù)主導(dǎo)地位，俄歇壽命與摻雜濃度和溫度之間的關(guān)系如圖18所示(材料組分x=0.3)。

圖18 x=0.3時(shí)碲鎘汞俄歇壽命與溫度的關(guān)系

目前Au摻雜濃度只能控制到5×1015 cm?3的水平，較高的摻雜濃度使得材料的俄歇壽命較短。常規(guī)Au摻雜n-on-p器件不能很好實(shí)現(xiàn)對(duì)本征載流子濃度俄歇復(fù)合過(guò)程的有效抑制。對(duì)于Au摻雜碲鎘汞non-p結(jié)構(gòu)器件而言，最好完全消除材料中的Hg空位，但實(shí)際上AuHg是伴隨VHg而存在的，且擴(kuò)散速率非常快。Au摻雜n-on-p結(jié)構(gòu)器件存在的這些技術(shù)問(wèn)題限制了其工作溫度的提高。

In摻雜p-on-n器件采用As離子注入或原位摻雜成結(jié)技術(shù)實(shí)現(xiàn)p-n結(jié)的制備，相對(duì)于Au摻雜器件而言，更容易獲得可控的吸收層低濃度摻雜。但常規(guī)的碲鎘汞p-on-n結(jié)構(gòu)器件在高工作溫度下同樣不能對(duì)吸收層的俄歇過(guò)程形成有效的抑制，高工作溫度下器件的暗電流噪聲和1/f噪聲逐漸占據(jù)主導(dǎo)，成為制約器件NETD的主要因素，限制了器件工作溫度的進(jìn)一步提升。

3.3勢(shì)壘型結(jié)構(gòu)碲鎘汞HOT器件

碲鎘汞p-n結(jié)型光伏器件通過(guò)空間電荷區(qū)將電子空穴對(duì)分離，而nBn勢(shì)壘阻擋型碲鎘汞器件通過(guò)寬帶隙勢(shì)壘層的引入實(shí)現(xiàn)電子空穴對(duì)的分離。勢(shì)壘層對(duì)多數(shù)載流子(電子)起到阻擋作用，但是允許少數(shù)載流子(空穴)的移動(dòng)，從而將光生電子和空穴從空間上分開。勢(shì)壘層足夠的厚度使得器件可以忽略隧穿電流，勢(shì)壘的高度足以忽略熱電子的激發(fā)。

圖19 nBn結(jié)構(gòu)器件反向偏壓下載流子輸運(yùn)示意圖

碲鎘汞p-n結(jié)器件在77 K低溫工作時(shí)性能主要受到SRH產(chǎn)生-復(fù)合電流的限制。SRH電流與禁帶寬度之間有如下關(guān)系：

可以看到SRH電流隨禁帶寬度的增加而指數(shù)減小。勢(shì)壘型器件工作時(shí)外加偏壓時(shí)分壓主要分布在勢(shì)壘層，吸收層幾乎沒有空間電荷區(qū)的形成。寬帶隙勢(shì)壘層使得SRH產(chǎn)生-復(fù)合電流得到有效抑制。同時(shí)，寬帶隙勢(shì)壘層對(duì)器件表面漏電流有抑制作用。因此，勢(shì)壘型器件從本質(zhì)上降低了SRH電流和表面漏電流對(duì)器件性能的影響。理想的nBn器件性能為擴(kuò)散電流限性能，更低的暗電流密度使得nBn勢(shì)壘型器件同p-n結(jié)器件相比在相同工作溫度時(shí)具備更高的性能，相同性能下具有更高的工作溫度。

理論上nBn勢(shì)壘型碲鎘汞器件對(duì)SRH產(chǎn)生-復(fù)合電流和隧穿電流具有較好的抑制效果，器件的暗電流水平由擴(kuò)散電流決定，通過(guò)引入類似非平衡模式碲鎘汞器件的排斥結(jié)構(gòu)來(lái)抑制吸收層的俄歇復(fù)合過(guò)程，降低擴(kuò)散電流可以進(jìn)一步提升器件性能。

碲鎘汞nBn 勢(shì)壘器件研制面臨的主要問(wèn)題在于碲鎘汞異質(zhì)結(jié)構(gòu)Type-I型能帶配置(見圖20)，使得器件存在較大的價(jià)帶帶階ΔEV。價(jià)帶帶階對(duì)光生少子(空穴)的輸運(yùn)起到阻擋作用，器件需要外加較大的反向偏壓以提升少子的收集效率。

圖20 碲鎘汞異質(zhì)結(jié)能帶配置示意圖

較大的反向偏壓下吸收層靠近勢(shì)壘層的區(qū)域能帶發(fā)生較大彎曲，形成一定寬度的空間電荷區(qū)，從而使得器件的SRH 電流和隧穿電流等暗電流增大，降低了器件性能。因此，nBn勢(shì)壘型碲鎘汞器件的研究重點(diǎn)在于價(jià)帶帶階的調(diào)節(jié)。目前，主要采用了以下方法：

(1) 摻雜調(diào)控，主要通過(guò)在勢(shì)壘層中引入梯度As摻雜調(diào)平價(jià)帶。

(2) CdTe/HgTe三類超晶格勢(shì)壘層，通過(guò)調(diào)節(jié)超晶格層的厚度調(diào)節(jié)電子微帶和空穴微帶的位置來(lái)消除價(jià)帶帶階。

上述方法中，對(duì)于MBE生長(zhǎng)而言都具備較大的技術(shù)難度。這也是目前制約nBn勢(shì)壘型碲鎘汞器件發(fā)展的重要因素。

3.4非平衡模式碲鎘汞HOT器件

隨探測(cè)器工作溫度的升高，碲鎘汞器件中SRH產(chǎn)生-復(fù)合電流主導(dǎo)的器件暗電流會(huì)逐漸過(guò)渡到以擴(kuò)散電流為主導(dǎo)。采用N型碲鎘汞吸收層的p-on-n器件中擴(kuò)散電流有如下關(guān)系：

式中：τdiff為吸收層少子壽命；ND為吸收層摻雜濃度；d為吸收層厚度；ni為本征濃度。少子壽命τdiff在高溫下主要受俄歇壽命限制，因此：

式中：τAi為本征俄歇壽命。對(duì)于本征或高工作溫度器件，p=n=ni>Nd，擴(kuò)散電流化簡(jiǎn)為：

圖21 P+/v/N+、P+/π/N+器件結(jié)構(gòu)、能帶及載流子分布示意圖

由公式(13)可知，在高溫本征區(qū)域，擴(kuò)散電流密度與摻雜濃度無(wú)關(guān)，而由本征載流子濃度決定。因此，本征載流子濃度的有效抑制是實(shí)現(xiàn)器件高工作溫度的基礎(chǔ)。P型吸收層器件分析與上述分析過(guò)程類似。

非平衡模式碲鎘汞器件采用P+/π(v)/N+結(jié)構(gòu)。在P+/π/N+結(jié)構(gòu)中，P+-π形成排斥結(jié)，π-N+作為抽取結(jié)；在P+/v/N+結(jié)構(gòu)中，v-N+形成排斥結(jié)，P+-v作為抽取結(jié)。圖21分別為P+/v/N+和P+/π/N+器件結(jié)構(gòu)、能帶及載流子分布示意圖。

非平衡模式碲鎘汞器件利用少數(shù)載流子的排斥與抽取現(xiàn)象使得吸收層電子和空穴濃度耗盡，在高工作溫度下低于本征載流子濃度。隨器件反向偏壓的增大，吸收層多數(shù)載流子濃度最終達(dá)到非本征摻雜水平，從而使得俄歇復(fù)合過(guò)程得到有效抑制，降低器件的暗電流。理論上3~5 μm波段探測(cè)器能夠提升到近室溫，而8~12 μm波段探測(cè)器能夠采用熱電致冷。

對(duì)于P+/v/N+結(jié)構(gòu)器件，P+層的寬帶隙可以有效降低隧穿電流，重?fù)诫s可以使得耗盡區(qū)寬度擴(kuò)展到整個(gè)吸收層，寬帶隙重?fù)诫s的N+層使得吸收層中空穴少子得不到補(bǔ)充而耗盡。P+/π/N+結(jié)構(gòu)器件的分析也類似。

根據(jù)上述分析，非平衡模式碲鎘汞器件的吸收層摻雜濃度越低，相同偏壓下吸收層耗盡寬度越寬，俄歇抑制效應(yīng)越明顯，最終器件的擴(kuò)散電流密度也越小。器件的耗盡區(qū)寬度表示如下：

式中：

。圖22 所示為組分x=0.3、P+層濃度5×1017 cm?3、不同吸收層摻雜濃度時(shí)耗盡區(qū)寬度與外加偏壓之間的計(jì)算關(guān)系。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，吸收層的摻雜濃度越低，形成相同吸收層耗盡寬度所需的偏壓也越小。

圖22 不同摻雜濃度時(shí)吸收層耗盡寬度與反向偏壓的關(guān)系

優(yōu)化材料制備工藝獲得接近背景的低濃度摻雜，非平衡模式碲鎘汞器件在較小的偏壓下就能實(shí)現(xiàn)吸收層的全耗盡。降低碲鎘汞材料位錯(cuò)密度，優(yōu)化器件制備工藝降低器件成型過(guò)程中應(yīng)力缺陷的引入，使得與深能級(jí)相關(guān)的SRH產(chǎn)生-復(fù)合電流足夠低的情況下，非平衡模式碲鎘汞器件性能可以達(dá)到背景輻射限。同樣，對(duì)于P+/π/N+結(jié)構(gòu)碲鎘汞器件，如果π 吸收層的摻雜濃度能夠達(dá)到1×1014 cm?3以內(nèi)，器件性能可以達(dá)到背景輻射限性能。

在非平衡模式器件中抽取結(jié)與排斥結(jié)之間的距離足夠接近，可以使得吸收層載流子濃度遠(yuǎn)低于熱平衡值，吸收層足夠薄的P+/π(v)/N+器件可以獲得較好的俄歇抑制效果；然而吸收層太薄使得光子吸收不充分，從而導(dǎo)致器件的量子效率下降。采用低濃度摻雜吸收層可以在較小的偏壓下實(shí)現(xiàn)較寬的吸收層耗盡區(qū)，從而可以在保證較好的俄歇抑制效果的同時(shí)，保證器件的量子效率。同時(shí)，由于非平衡模式器件寬帶隙帽層的引入及對(duì)熱激發(fā)載流子濃度的抑制，器件對(duì)1/f 噪聲和隨機(jī)電報(bào)噪聲具有更好的抑制效果。

對(duì)于非平衡模式的碲鎘汞器件制備而言，其技術(shù)難度在于低位錯(cuò)密度高晶體質(zhì)量多層異質(zhì)結(jié)構(gòu)薄膜材料的制備、吸收層接近材料背景濃度的低摻雜濃度控制及低缺陷低應(yīng)力器件成型工藝幾個(gè)方面。

3.5碲鎘汞HOT器件發(fā)展方向

根據(jù)前文不同技術(shù)路線的碲鎘汞HOT器件的分析可知，基于Au摻雜的n-on-p結(jié)構(gòu)器件或In摻雜pon-n結(jié)構(gòu)器件等常規(guī)非本征摻雜器件在高工作溫度下缺乏對(duì)俄歇復(fù)合過(guò)程的有效抑制，從而限制了其工作溫度的進(jìn)一步提升?；趎Bn勢(shì)壘阻擋結(jié)構(gòu)的碲鎘器件由于Type-I 型能帶配置使得價(jià)帶帶階的調(diào)控仍然存在較大的困難，基于MBE原位As摻雜或超晶格勢(shì)壘層技術(shù)的成熟度相對(duì)較低?；诜瞧胶饽Ｊ降捻阪k汞器件不僅具備優(yōu)異的性能，而且技術(shù)成熟度相對(duì)較高；通過(guò)合理的組分、摻雜調(diào)控可以獲得吸收層內(nèi)熱載流子的深度耗盡，從而有效抑制俄歇復(fù)合過(guò)程。其中P+/v/N+器件相對(duì)于P+/π/N+器件而言，更容易獲得吸收層低濃度摻雜，且工藝難度相對(duì)較低，更具發(fā)展?jié)摿Α?/p>

4結(jié)論

文中從新一代紅外探測(cè)器的發(fā)展方向出發(fā)，總結(jié)了碲鎘汞高工作溫度(HOT)紅外探測(cè)器的優(yōu)點(diǎn)及當(dāng)前碲鎘汞HOT器件的發(fā)展現(xiàn)狀。在此基礎(chǔ)上，總結(jié)分析了目前碲鎘汞HOT器件的幾條主要技術(shù)路線的基本原理、存在的技術(shù)難點(diǎn)及未來(lái)的發(fā)展方向，對(duì)碲鎘汞HOT器件相關(guān)技術(shù)的研發(fā)具有一定的指導(dǎo)意義。

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