基于非平衡模式的碲鎘汞高工作溫度探測(cè)器

持續(xù)提高光子型紅外探測(cè)器的工作溫度是紅外探測(cè)技術(shù)從第3代向第4代發(fā)展過(guò)程中的一個(gè)重要方向。將碲鎘汞基紅外焦平面探測(cè)器的工作溫度提高到室溫，以滿足系統(tǒng)對(duì)紅外探測(cè)器的小尺寸、輕重量、低功耗、高可靠性及高環(huán)境適應(yīng)性等使用需求是當(dāng)前亟待解決的問(wèn)題。

為了提高紅外探測(cè)器的工作溫度，德國(guó)AIM、法國(guó)Lynred、英國(guó)Selex、美國(guó)Raytheon、美國(guó)TIS（Teledyne Imaging Sensor）等公司先后采用Hg空位n-on-p、非本征摻雜型n-on-p、p-on-n以及非平衡P＋/ν(π)/N＋等技術(shù)途徑開(kāi)展了高工作溫度（HOT）器件的研制工作。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，昆明物理研究所的科研團(tuán)隊(duì)在《紅外技術(shù)》期刊上發(fā)表了以“基于非平衡模式的碲鎘汞高工作溫度探測(cè)器”為主題的綜述文章。該文章通訊作者為孔金丞研究員級(jí)高級(jí)工程師，主要從事光電材料與器件的研究工作。

該文章回顧了當(dāng)前國(guó)內(nèi)外高工作溫度碲鎘汞紅外探測(cè)器的技術(shù)路線和相應(yīng)的器件性能，在碲鎘汞器件暗電流的溫度特性分析的基礎(chǔ)上，討論了基于非平衡工作模式的碲鎘汞探測(cè)器的基本原理、器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和暗電流機(jī)制，探討了吸收層全耗盡碲鎘汞器件性能與器件結(jié)構(gòu)參數(shù)、材料晶體質(zhì)量的關(guān)系，明確了其技術(shù)要點(diǎn)和難點(diǎn)，展望了碲鎘汞高工作溫度器件技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

非平衡模式器件結(jié)構(gòu)及原理

俄歇抑制型器件

非平衡工作模式器件結(jié)構(gòu)是在傳統(tǒng)p-on-n結(jié)構(gòu)的理論基礎(chǔ)上逐漸發(fā)展出來(lái)的。如圖1所示為傳統(tǒng)p-on-n結(jié)構(gòu)和非平衡工作模式器件結(jié)構(gòu)在不同工作模式的碲鎘汞器件摻雜濃度及能帶示意圖。

圖1 不同工作模式碲鎘汞器件能帶示意圖：（a）傳統(tǒng)非俄歇抑制型p-on-n；（b）俄歇抑制型；（c）深度俄歇抑制型；（d）全耗盡型

圖1（b）、（c）、（d）為非平衡模式P＋/ν(π)/N＋碲鎘汞器件的能帶結(jié)構(gòu)圖。在P＋/π/N＋結(jié)構(gòu)中，P＋-π結(jié)形成排斥結(jié)，π-N＋結(jié)作為抽取結(jié)；在P＋/ν/N＋結(jié)構(gòu)中，ν-N＋結(jié)形成排斥結(jié)，P＋-ν結(jié)形成抽取結(jié)。以P＋/ν/N＋為例，所謂的抽取結(jié)本質(zhì)上就是p-n結(jié)，由低摻雜的吸收區(qū)v與高摻雜的P＋區(qū)組成，P＋區(qū)采用寬帶隙材料，吸收層ν采用窄帶隙材料。

由于內(nèi)建電場(chǎng)的存在，吸收區(qū)的少子（空穴）擴(kuò)散到結(jié)區(qū)會(huì)被快速抽取至P＋區(qū)，因此非平衡模式P＋/ν(π)/N＋碲鎘汞器件可以有效實(shí)現(xiàn)俄歇抑制。在P＋/ν/N＋結(jié)構(gòu)中，探測(cè)器吸收區(qū)處于非平衡模式，吸收區(qū)的載流子濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于本征載流子濃度（n＝Nd?ni），從而達(dá)到俄歇抑制的效果。

吸收層全耗盡型器件

俄歇抑制型器件結(jié)構(gòu)使得吸收層載流子濃度降低到非本征摻雜濃度從而抑制器件暗電流。當(dāng)吸收層摻雜濃度進(jìn)一步降低到背景濃度（～1013cm-3）時(shí)，在較小的偏壓下吸收層完全耗盡，從而使得擴(kuò)散電流被消除，此時(shí)器件暗電流受限于SRH產(chǎn)生-復(fù)合電流。若碲鎘汞中SRH壽命足夠長(zhǎng)，光電二極管暗電流足夠小，器件在近室溫工作時(shí)仍能達(dá)到背景限性能（BLIP）。

圖1（d）為吸收層全耗盡型器件結(jié)構(gòu)。器件具有如下關(guān)鍵特征： （1）吸收層被寬帶隙重?fù)诫s的P＋層（Cap）和N＋層（Buffer）夾在中間以抑制暗電流的產(chǎn)生； （2）吸收層的n型摻雜濃度足夠低，在適度的偏壓下能夠全耗盡；

（3）寬帶隙P＋層用來(lái)抑制器件的隧穿電流及表面漏電流，降低表面態(tài)相關(guān)的低頻噪聲。

圖2 不同濃度下實(shí)現(xiàn)碲鎘汞中波5μm吸收層全耗盡所需偏壓（注：中間插圖為特定摻雜濃度下實(shí)現(xiàn)全耗盡需要的偏壓）

非平衡模式器件技術(shù)研究進(jìn)展

非平衡模式碲鎘汞探測(cè)器在實(shí)現(xiàn)高工作溫度方面具有較大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，自提出以來(lái)吸引了眾多國(guó)外研究機(jī)構(gòu)對(duì)其性能進(jìn)行計(jì)算和仿真模擬，理論計(jì)算有助于通過(guò)能帶工程進(jìn)行器件結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，為該類(lèi)型器件的制備奠定了基礎(chǔ)。

國(guó)外研究進(jìn)展

2007年，美國(guó)TIS的W. E. Tennant基于吸收層摻雜濃度1～3×1015cm-3的p-on-n結(jié)構(gòu)器件暗電流測(cè)試結(jié)果，提出了擴(kuò)散限碲鎘汞器件性能預(yù)測(cè)模型Rule 07，Rule 07自提出以來(lái)就成為衡量紅外探測(cè)器性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)，在碲鎘汞紅外探測(cè)器及ⅢⅤ族（XBn-InAsSb及二類(lèi)超晶格）紅外探測(cè)器性能預(yù)測(cè)和衡量方面得到廣泛運(yùn)用。隨后，TIS進(jìn)一步研究指出，俄歇抑制碲鎘汞紅外探測(cè)器暗電流水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于Rule 07，如圖3所示。

圖3 截止波長(zhǎng)10μm的俄歇抑制p-on-n探測(cè)器暗電流密度隨溫度變化曲線

由于目前的p-on-on技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)對(duì)俄歇復(fù)合過(guò)程的有效抑制，限制了碲鎘汞HOT器件的性能提升，吸收層全耗盡型探測(cè)器因此被提出。2019年，美國(guó)TIS的Donald Lee等人基于全耗盡型P＋/v/N＋器件暗電流機(jī)制對(duì)器件極限性能進(jìn)行了理論分析計(jì)算，提出了新的性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，即Law 19。從圖4可以看出，隨著波長(zhǎng)延長(zhǎng)及溫度升高，滿足Law19條件的器件暗電流比滿足Rule 07條件的器件表現(xiàn)出越來(lái)越明顯的性能優(yōu)勢(shì)。

圖4 不同組分下Law 19與Rule 07計(jì)算得到暗電流密度隨溫度變化曲線

全耗盡型探測(cè)器為了達(dá)到背景輻射電流限，吸收層的產(chǎn)生-復(fù)合電流需要足夠低，即Jdep＝JRad。計(jì)算結(jié)果表明，在300K下短波、中波和長(zhǎng)波達(dá)到背景限所需SRH壽命分別為15ms、150μs和28μs。這對(duì)材料晶體質(zhì)量提出了嚴(yán)苛的要求，需要全面改進(jìn)材料生長(zhǎng)工藝，降低缺陷密度，提高晶體質(zhì)量。

隨后，2019年波蘭軍事技術(shù)大學(xué)Krzysztof JO′ Z′Wikowski等人也對(duì)其所設(shè)計(jì)的長(zhǎng)波P＋/π(v)/N＋結(jié)構(gòu)器件進(jìn)行了數(shù)值模擬。2020年意大利都靈理工大學(xué)的Marco Vallone等人報(bào)道了俄歇抑制型非平衡模式器件性能模擬。2021年Antoni Rogalski 對(duì)高工作溫度紅外探測(cè)器極限性能進(jìn)行了研究。

對(duì)以上相關(guān)計(jì)算和仿真模擬進(jìn)行總結(jié)分析，為了進(jìn)一步提升高性能碲鎘汞探測(cè)器的工作溫度，采用非平衡模式是未來(lái)的重要發(fā)展方向。然而要真正實(shí)現(xiàn)非平衡模式探測(cè)器的研制，除了通過(guò)能帶工程進(jìn)行器件結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)外，目前在工程實(shí)現(xiàn)方面還存在很多難點(diǎn)，其中最主要的是高質(zhì)量材料的制備和吸收層低濃度摻雜的實(shí)現(xiàn)。

在材料制備方面，非平衡模式碲鎘汞器件為多層異質(zhì)結(jié)，液相外延制備具有較大的困難，國(guó)際上多采用分子束外延（MBE）或金屬有機(jī)氣相沉積（MOCVD）技術(shù)，目前也取得了進(jìn)展。

此外，非平衡模式碲鎘汞器件關(guān)鍵之一是對(duì)吸收層摻雜濃度的控制，目前有很多國(guó)外研究對(duì)實(shí)現(xiàn)吸收層低濃度摻雜的研究以及相應(yīng)探測(cè)器的性能進(jìn)行了報(bào)道。英國(guó)Selex公司、美國(guó)DRS公司、美國(guó)TIS公司、美國(guó)ARL與EPIR、波蘭華沙軍事技術(shù)大學(xué)均對(duì)對(duì)非平衡模式碲鎘汞器件技術(shù)進(jìn)行了大量的理論與實(shí)驗(yàn)研究。

其中美國(guó)TIS公司在實(shí)現(xiàn)吸收層低濃度摻雜方面取得了良好的進(jìn)展，從而提高了探測(cè)器的性能。總之，吸收層的低濃度摻雜是實(shí)現(xiàn)非平衡模式的關(guān)鍵點(diǎn)和難點(diǎn)，然而目前的進(jìn)展較為緩慢，需要該領(lǐng)域的研究者開(kāi)發(fā)更有效的技術(shù)實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的突破。

國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展

國(guó)內(nèi)高工作溫度碲鎘汞探測(cè)器技術(shù)發(fā)展較為緩慢，目前正處于起步階段。2017年昆明物理研究所（KIP）報(bào)道了基于Hg空位n-on-p技術(shù)的110K中波碲鎘汞探測(cè)器的研制工。2020年華北光電技術(shù)研究所報(bào)道了基于非本征摻雜p-on-n技術(shù)的120K中波器件作。2020年武漢高德紅外股份有限公司報(bào)道了基于n-on-p技術(shù)路線的120K中波探測(cè)器研制。

圖5 國(guó)內(nèi)主要研究機(jī)構(gòu)報(bào)道高溫碲鎘汞器件性能

總結(jié)及展望

從碲鎘汞HOT器件技術(shù)發(fā)展歷程及其技術(shù)路線特點(diǎn)可以看出，最早得到發(fā)展的碲鎘汞HOT器件基于Hg空位的n-on-p技術(shù)，通過(guò)優(yōu)化材料晶體質(zhì)量提高探測(cè)器工作溫度，但受限于其自身Hg空位帶來(lái)的深能級(jí)缺陷限制其工作溫度的進(jìn)一步提高。

Au摻雜n-on-p與Hg空位n-on-p技術(shù)相比在一定程度上提高了少子壽命使得紅外探測(cè)器可以在更高的溫度下工作，但工作溫度進(jìn)一步提升受制于不能對(duì)高溫下本征載流子濃度進(jìn)行有效抑制。碲鎘汞HOT器件路線之三是非本征摻雜p-on-n技術(shù)，此技術(shù)路線在世界主流紅外探測(cè)器機(jī)構(gòu)得到大力發(fā)展且取得了較好的成績(jī)，國(guó)內(nèi)昆明物理研究所和華北光電技術(shù)研究所目前基于這一路線正在研發(fā)階段，可以預(yù)見(jiàn)這一技術(shù)是未來(lái)幾年國(guó)內(nèi)重點(diǎn)發(fā)展的一個(gè)方向，但此技術(shù)在高溫下仍缺乏對(duì)本征載流子濃度的有效抑制，限制其工作溫度進(jìn)一步提升。

第四條技術(shù)路線是nBn勢(shì)壘型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，理論上高溫下能實(shí)現(xiàn)對(duì)多數(shù)載流子的有效阻斷，從而可以較大地提升探測(cè)器工作溫度，但由于該結(jié)構(gòu)在碲鎘汞體系下工程實(shí)現(xiàn)具有較大的困難，目前還難以進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用。第五條技術(shù)路線就是基于非平衡模式P＋/π(v)/N＋器件，該結(jié)構(gòu)通過(guò)多層異質(zhì)結(jié)和不同摻雜濃度的有效結(jié)合形成抽取結(jié)及排斥結(jié)，在高溫下能夠有效實(shí)現(xiàn)載流子濃度的抑制，隨著與之相關(guān)的工藝水平進(jìn)一步提高，該技術(shù)路線近年來(lái)得到迅速發(fā)展。

非平衡工作模式P＋/π(v)/N＋器件理論已經(jīng)提出30多年，相關(guān)基礎(chǔ)理論較為成熟。早期主要受限于高質(zhì)量多層異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料生長(zhǎng)工藝、材料背景雜質(zhì)控制、低損傷器件制備工藝等技術(shù)難點(diǎn)，限制了HOT器件技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。近十多年來(lái)，隨著材料與器件制備工藝的成熟，通過(guò)能帶工程設(shè)計(jì)材料生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)有效抑制隧穿電流，通過(guò)極低濃度的摻雜進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)吸收區(qū)的全耗盡，非平衡模式P＋/π(v)/N＋結(jié)構(gòu)探測(cè)器有望實(shí)現(xiàn)近室溫紅外探測(cè)。

在非平衡模式碲鎘汞器件研制方面，美國(guó)TIS公司通過(guò)吸收層低濃度摻雜及材料晶體質(zhì)量控制，實(shí)現(xiàn)了2～5×1013cm-3范圍摻雜濃度可控及長(zhǎng)SRH壽命，報(bào)道了近室溫的全耗盡型焦平面探測(cè)器。根據(jù)以上分析，未來(lái)實(shí)現(xiàn)碲鎘汞高溫探測(cè)器的近室溫探測(cè)最有潛力的技術(shù)路線是吸收層全耗盡型器件。但目前只有TIS公司報(bào)道實(shí)現(xiàn)1013cm-3濃度摻雜，只有DRS及TIS報(bào)道了SRH壽命達(dá)ms量級(jí)的材料制備。要實(shí)現(xiàn)高性能近室溫碲鎘汞探測(cè)器的制備還有很多技術(shù)需要突破，可以預(yù)見(jiàn)未來(lái)基于全耗盡型碲鎘汞HOT焦平面器件研制工作主要包括：（1）基于能帶工程的器件結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)；（2）實(shí)現(xiàn)可控的吸收層低濃度（1013cm-3）穩(wěn)定摻雜技術(shù)；（3）高晶體質(zhì)量低缺陷密度的異質(zhì)結(jié)材料制備技術(shù)。

審核編輯：劉清