高工作溫度p-on-n中波碲鎘汞紅外焦平面器件研究

當(dāng)前，在新軍事變革的推動(dòng)下，制備大面陣、多光譜、高性能的第三代焦平面紅外探測(cè)器成為了未來(lái)光電子器件發(fā)展的重要方向，對(duì)紅外探測(cè)器組件提出了輕量、低功耗、高分辨、低噪聲及高可靠性等更高的要求。碲鎘汞（Hg1?xCdxTe）材料具有帶隙可調(diào)，光吸收率高，響應(yīng)光譜覆蓋短波、中波、長(zhǎng)波及甚長(zhǎng)波波段的優(yōu)點(diǎn)，一直是紅外探測(cè)材料研究的重點(diǎn)。高工作溫度碲鎘汞紅外探測(cè)器具有降低系統(tǒng)功耗、減小系統(tǒng)尺寸和重量、增加系統(tǒng)壽命等優(yōu)點(diǎn)，可滿足精確制導(dǎo)、單兵及無(wú)人平臺(tái)光電系統(tǒng)、告警偵察等領(lǐng)域?qū)Ω呖煽啃浴⒏咝阅艿牡凸慕蛊矫嫣綔y(cè)器的需求。

1985年，Elliott等首次提出了高工作溫度紅外光子器件的概念；1999年，Donald等人提出了紅外焦平面探測(cè)器低成本、高性能的發(fā)展思路。目前，國(guó)外Sofradir、AIM、DAR、Selex、Teledyne等公司已于近15年內(nèi)先后報(bào)道了工作于150~250K溫度的中波以及120~160K溫度的長(zhǎng)波碲鎘汞紅外焦平面探測(cè)器組件；國(guó)內(nèi)武漢高德公司和華北光電技術(shù)研究所已于近兩年報(bào)道了工作于120~130K溫度的中波焦平面器件。至今，國(guó)內(nèi)還未有150K以上工作溫度的碲鎘汞焦平面器件相關(guān)報(bào)道。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，昆明物理研究所的研究人員在《紅外與激光工程》期刊上發(fā)表了題為“高工作溫度p-on-n中波碲鎘汞紅外焦平面器件研究”的最新論文，文中采用As摻雜工藝制備了p-on-n結(jié)構(gòu)碲鎘汞中波焦平面器件（陣列規(guī)模640×512、像元中心距15μm），測(cè)試了不同工作溫度下的性能和暗電流。研究結(jié)果表明，在80K工作溫度下，器件響應(yīng)表現(xiàn)出高響應(yīng)均勻性，有效像元率達(dá)99.98%；隨著工作溫度升高，器件盲元增多，當(dāng)工作溫度為150K和180K時(shí)，有效像元率降低至99.92%和99.32%。由于對(duì)器件擴(kuò)散電流更好的抑制，器件在160~200K溫度范圍內(nèi)的暗電流低于Rule-07。并且當(dāng)工作溫度在150~180K時(shí)（300K的背景下），器件具有較好的信噪比，極大程度地體現(xiàn)了高溫工作的可行性。

焦平面器件制備

p-on-n結(jié)構(gòu)中波碲鎘汞焦平面器件通過(guò)光刻、離子注入、鈍化、刻蝕、金屬沉積、倒裝互連等工藝制備而成，單元器件結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。其工藝流程簡(jiǎn)述如下：利用液相外延法（LPE）原位摻In制備的n型碲鎘汞吸收層，控制其載流子濃度在5×101?~1×101?cm?3范圍；在碲鎘汞材料表面通過(guò)光刻獲得640×512陣列、中心距為15μm的圖形；使用離子注入工藝將計(jì)量為8×101?~2×101?cm?2的As注入到材料中，注入能量為300~400keV，通過(guò)兩步退火法進(jìn)行As離子的擴(kuò)散激活以及電學(xué)參數(shù)的修復(fù)；再利用磁控濺射法在材料表面沉積CdTe和ZnS雙層鈍化層；然后通過(guò)光刻和濕法腐蝕工藝制備電極接觸孔，并沉積Cr/Au/Pt/Au金屬電極；最后將探測(cè)器芯片與讀出電路倒裝互連，獲得像元尺寸15μm×15μm的640×512陣列p-on-n中波碲鎘汞焦平面探測(cè)芯片組。

圖1 碲鎘汞p-on-n器件結(jié)構(gòu)截面示意圖

焦平面器件高溫性能

將p-on-n中波碲鎘汞焦平面器件封裝于變溫杜瓦中，測(cè)試其在80~200K溫度下的性能。如圖2所示，器件的NETD由11.5mK變化至25.5mK，其中，當(dāng)溫度達(dá)到150K后，NETD急劇增大。這是由于隨著工作溫度的升高，暗電流增大，1/f噪聲逐漸增加，并且器件中材料的位錯(cuò)、汞空位等缺陷引起的噪聲，以及材料的厚度和缺陷不均勻性引起的響應(yīng)不均勻性顯著增加，導(dǎo)致盲元增多。圖3給出了80、120、150、180K溫度下器件的盲元分布圖，有效像元率分別為99.98%、99.97%、99.92%、99.32%，盲元的增多也意味著有效像元率下降（如圖4所示）。當(dāng)工作溫度為150K時(shí)，器件盲元開(kāi)始增多，有效像元率逐漸降低，然而器件在180K溫度下的有效像元率仍然可以達(dá)到99.32%。器件性能隨溫度變化極易產(chǎn)生波動(dòng)也說(shuō)明器件現(xiàn)有的品質(zhì)因子有待進(jìn)一步提高，關(guān)鍵工藝有待進(jìn)一步優(yōu)化，從而保證p-on-n碲鎘汞焦平面探測(cè)芯片性能隨溫度變化保持相對(duì)穩(wěn)定。

圖2 p-on-n中波碲鎘汞焦平面器件在80~200K溫度范圍的NETD

圖3 p-on-n中波碲鎘汞焦平面器件在80~180K溫度范圍的盲元分布圖

圖4 p-on-n中波碲鎘汞焦平面器件在80~200K溫度范圍的有效像元率

此外，對(duì)中波器件的暗電流進(jìn)行了評(píng)估，如圖5（a）所示，器件在150~200K工作溫度之間暗電流的變化（圖中紅線為昆明物理研究所器件暗電流）接近Rule-07的水平，150K下（截止波長(zhǎng)4.51μm）器件暗電流為0.75pA。

圖5 150~200K工作溫度下器件暗電流（a）和不同黑體輻射背景溫度下光電流與器件暗電流對(duì)比關(guān)系圖（b）

圖5（b）所示為不同黑體背景溫度下光電流（F/2，波長(zhǎng)3.71~4.51μm，量子效率65%）與器件暗電流對(duì)比關(guān)系。可以看出，工作溫度在150K、低溫背景250K時(shí)，器件仍具有較好的信噪比。此外，從圖6中可以看出，當(dāng)工作溫度在150~180K之間（30K的背景下），器件都具有較好的信噪比。

圖6 器件在150~200K工作溫度下的暗電流和300K黑體下的光電流

結(jié)論

As注入摻雜p-on-n碲鎘汞技術(shù)是實(shí)現(xiàn)高工作溫度紅外焦平面器件的重要技術(shù)路線。文中通過(guò)研究p-on-n中波碲鎘汞器件在不同工作溫度下的性能指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)隨著溫度升高，NETD逐漸增加，有效像元率逐漸減小。在80~180K工作溫度范圍內(nèi)，器件有效像元率均可達(dá)到99.32%及以上。當(dāng)工作溫度在150~180K時(shí)（300K的背景下），器件都具有較好的信噪比，極大程度地體現(xiàn)了高溫工作的可行性。

doi: 10.3788/IRLA20220150