碲鎘汞P-on-N紅外探測(cè)器的器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

碲鎘汞紅外探測(cè)器典型工作溫度為液氮溫度77K，紅外探測(cè)器對(duì)低溫工作的需求極大地限制了它們的體積、質(zhì)量、功耗、成本的控制，從而限制了紅外探測(cè)器的應(yīng)用。隨著紅外探測(cè)器技術(shù)的快速發(fā)展，使紅外探測(cè)器通過(guò)提高工作溫度，降低探測(cè)器的體積、質(zhì)量、功耗、成本，實(shí)現(xiàn)探測(cè)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(cè)器技術(shù)不斷涌現(xiàn)，高工作溫度成為紅外探測(cè)器的重要發(fā)展方向。作為最近來(lái)發(fā)展起來(lái)的新型探測(cè)器，高工作溫度碲鎘汞紅外探測(cè)器成為軍事偵察、無(wú)人機(jī)、無(wú)人平臺(tái)的重要探測(cè)器件。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，華北光電技術(shù)研究所宋淑芳、黃來(lái)玉和田震在《激光與紅外》期刊上發(fā)表了以“高工作溫度碲鎘汞紅外探測(cè)器研究進(jìn)展”為主題的綜述文章。

這項(xiàng)研究闡述了高工作溫度碲鎘汞紅外探測(cè)器的基本原理，重點(diǎn)介紹了碲鎘汞P-on-N紅外探測(cè)器的器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并且對(duì)美國(guó)Raytheon、法國(guó)Sofradir、德國(guó)AIM、美國(guó)Teledyne、美國(guó)DRS等公司的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述性介紹。

典型高工作溫度紅外探測(cè)器的研發(fā)過(guò)程

碲鎘汞紅外探測(cè)器是將混成芯片封裝在微型杜瓦內(nèi)部，采用制冷機(jī)提供所需冷量，將混成芯片降溫至設(shè)定的工作溫度時(shí)，工作溫度保持穩(wěn)定狀態(tài)，由外部電路供電，驅(qū)動(dòng)探測(cè)器組件工作。由于制冷機(jī)的體積、質(zhì)量和功耗占據(jù)整個(gè)紅外探測(cè)器主要部分，因此降低紅外探測(cè)器的體積、質(zhì)量、功耗實(shí)際上是主要降低制冷機(jī)的體積、質(zhì)量和功耗，通過(guò)提高紅外探測(cè)器工作溫度，降低對(duì)制冷機(jī)冷量的要求，從而達(dá)到降低制冷機(jī)的體積、質(zhì)量和功耗，從而實(shí)現(xiàn)探測(cè)器的小型化、低功耗、高性能。

紅外探測(cè)器在探測(cè)過(guò)程中，器件的光電流大于暗電流，才能實(shí)現(xiàn)目標(biāo)探測(cè)，而器件的暗電流是與探測(cè)材料、器件結(jié)構(gòu)、工作溫度等因素密切相關(guān)，一般來(lái)說(shuō)，提高工作溫度，暗電流將按指數(shù)形式增加，因此在探測(cè)材料不變的情況下，需要改變器件結(jié)構(gòu)來(lái)降低暗電流，實(shí)現(xiàn)工作溫度的提高。碲鎘汞P-on-N紅外探測(cè)器的器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)就是針對(duì)傳統(tǒng)N-on-P碲鎘汞紅外探測(cè)器在暗電流控制方面的不足提出的，器件結(jié)構(gòu)采用同質(zhì)結(jié)和異質(zhì)結(jié)兩種形式。

Raytheon公司的高工作溫度碲鎘汞紅外探測(cè)器器件結(jié)構(gòu)示意圖

在國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展中，這項(xiàng)研究介紹了美國(guó)Raytheon公司、法國(guó)Sofradir、德國(guó)AIM、美國(guó)Teledyne、美國(guó)DRS等公司在高工作溫度碲鎘汞探測(cè)器的研發(fā)進(jìn)展。

Sofradir高工作溫度中波紅外探測(cè)器的研發(fā)過(guò)程

AIM公司的高工作溫度碲鎘汞紅外探測(cè)器研發(fā)過(guò)程

Teledyne公司的高工作溫度碲鎘汞紅外探測(cè)器器件結(jié)構(gòu)

目前高工作溫度長(zhǎng)波碲鎘汞探測(cè)器組件仍處于產(chǎn)品研發(fā)階段，歐美國(guó)家主要機(jī)構(gòu)基本上采用P-on-N器件結(jié)構(gòu)技術(shù)研制高工作溫度長(zhǎng)波碲鎘汞探測(cè)器組件，其中法國(guó)Sofradir和德國(guó)AIM公司采用As離子注入同質(zhì)結(jié)的技術(shù)，該技術(shù)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(cè)器的制備，但是As離子激活難度大，激活率不高，影響長(zhǎng)波器件性能的提升。而美國(guó)Teledyne公司研究機(jī)構(gòu)則采用MBE方法制備的雙層平面異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)（DLPH），這種技術(shù)路線僅得到了理論的計(jì)算結(jié)果，沒(méi)有后續(xù)的產(chǎn)品報(bào)道。

在國(guó)家的支持下，“十三五”期間我國(guó)開展高工作溫度碲鎘汞焦平面技術(shù)，以及P-on-N甚長(zhǎng)波碲鎘汞焦平面技術(shù)研究，采用As摻雜臺(tái)面異質(zhì)結(jié)和As注入平面同質(zhì)結(jié)兩種技術(shù)路徑制備P-on-N型碲鎘汞探測(cè)器，具有一定基礎(chǔ)。

與國(guó)外的高工作溫度探測(cè)器研制水平相比，目前我國(guó)的高工作溫度紅外探測(cè)器處于研發(fā)的起步階段。P-on-N平面同質(zhì)結(jié)、P-on-N臺(tái)面異質(zhì)結(jié)的碲鎘汞探測(cè)器制備技術(shù)在中波-甚長(zhǎng)波的研究突破了一些關(guān)鍵技術(shù)，但是高溫器件的研究還處于起步階段，技術(shù)基礎(chǔ)薄弱。高溫工作是紅外探測(cè)器的發(fā)展趨勢(shì)，為滿足國(guó)防科技事業(yè)對(duì)高工作溫度碲鎘汞紅外探測(cè)器日益增長(zhǎng)的需求，開展高工作溫度碲鎘汞紅外探測(cè)器的研究勢(shì)在必行。利用P-on-N臺(tái)面異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，大力發(fā)展P-on-N臺(tái)面異質(zhì)結(jié)碲鎘汞紅外高溫器件，實(shí)現(xiàn)紅外探測(cè)器高性能、小尺寸、低功耗、低重量（SWAPs）的應(yīng)用要求，為國(guó)防建設(shè)奠定基礎(chǔ)。

審核編輯 ：李倩