高溫碲鎘汞中波紅外探測(cè)器的國(guó)內(nèi)外進(jìn)展

周連軍，韓福忠，白丕績(jī)，舒 暢，孫 皓， 王曉娟，李京輝，鄒鵬程，郭建華，王瓊芳

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高溫碲鎘汞中波紅外探測(cè)器的國(guó)內(nèi)外進(jìn)展

周連軍，韓福忠，白丕績(jī)，舒 暢，孫 皓， 王曉娟，李京輝，鄒鵬程，郭建華，王瓊芳

（昆明物理研究所，云南 昆明 650223）

介紹了歐美發(fā)達(dá)國(guó)家在高工作溫度碲鎘汞中波紅外探測(cè)器上的工藝技術(shù)路線及典型產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)。對(duì)昆明物理研究所研制的基于標(biāo)準(zhǔn)n-on-p（Hg空位摻雜）工藝的中波640×512（15mm）探測(cè)器進(jìn)行了高工作溫度性能測(cè)試，測(cè)試結(jié)果顯示器件性能基本達(dá)到國(guó)外產(chǎn)品的同期研制水平。

碲鎘汞；高工作溫度；紅外探測(cè)器；標(biāo)準(zhǔn)n-on-p工藝

0 引言

降低成本、減小尺寸、提高性能是當(dāng)前碲鎘汞紅外探測(cè)器研究的推動(dòng)因素。近十年來隨著紅外領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展，歐美發(fā)達(dá)國(guó)家提出了一個(gè)新的概念SWaP（size, weight and power），用于指代尺寸、重量和功耗。而后又逐漸演變?yōu)镾WaP-C（SWaP and cost）及SWaP3（SWaP and performance, price）[1-2]。

針對(duì)高性能探測(cè)器，在系統(tǒng)應(yīng)用中引入SWaP概念可以在保持探測(cè)器現(xiàn)有性能或更好性能的前提下，減小系統(tǒng)的尺寸、重量、功耗、價(jià)格并提高可靠性；拓展其應(yīng)用領(lǐng)域（例如應(yīng)用于手持、瞄具、微型無人機(jī)等）。實(shí)現(xiàn)SWaP的途徑有：一是提高工作溫度（HOT）；二是減小像元中心距（small pixel pitch），并將兩者有機(jī)地結(jié)合起來。

HOT探測(cè)器的關(guān)鍵技術(shù)途徑是降低暗電流。暗電流與光電二極管的物理特性、摻雜、壽命（俄歇復(fù)合、SRH（Shockley-Read-Hall）復(fù)合等）直接相關(guān)，并取決于器件結(jié)構(gòu)：標(biāo)準(zhǔn)n-on-p（汞空位摻雜）、n-on-p（非本征摻雜）、p-on-n（非本征摻雜）、同質(zhì)結(jié)、異質(zhì)結(jié)等。HOT（high operating temperature）工作帶來的主要問題是缺陷增多從而產(chǎn)生更大的低頻噪聲。因此研制HOT探測(cè)器需要有非常高質(zhì)量的材料，同時(shí)還需要掌握成熟的器件工藝技術(shù)（表面鈍化、退火、刻蝕、倒裝互連等工藝）[3]。

1 歐美碲鎘汞中波HOT探測(cè)器的發(fā)展

HOT探測(cè)器是歐美不同廠商不同技術(shù)路線共同的目標(biāo)，在紅外領(lǐng)域扮演著越來越重要的角色，HOT探測(cè)器的優(yōu)勢(shì)如圖1所示。法國(guó)Sofradir公司和美國(guó)Teledyne公司采用的是p-on-n技術(shù)路線，其中Sofradir采用基于LPE技術(shù)的As注入平面結(jié)工藝，Teledyne采用基于LPE或MBE技術(shù)的As摻雜雙層異質(zhì)臺(tái)面結(jié)工藝。德國(guó)AIM公司、英國(guó)Selex公司和美國(guó)DRS公司采用的是n-on-p技術(shù)路線，其中AIM采用基于非本征Au摻雜LPE技術(shù)的平面結(jié)工藝，Selex采用基于非本征摻雜MOVPE技術(shù)的異質(zhì)臺(tái)面結(jié)工藝，DRS采用基于非本征摻雜HDVIP（high density vertically integrated photodiode）工藝。

圖1 高工作溫度碲鎘汞探測(cè)器

1.1 法國(guó)Sofradir公司

2008年Sofradir公司發(fā)布了像元中心距15mm，基于標(biāo)準(zhǔn)n-on-p工藝的兩款中波SWaP產(chǎn)品[4]，如表1所示。

中波探測(cè)器截止波長(zhǎng)與工作溫度的關(guān)系如圖2所示。當(dāng)工作溫度為160K，而且光譜響應(yīng)范圍滿足3.7～4.8mm時(shí)，探測(cè)器截止波長(zhǎng)在80K時(shí)必須保證達(dá)到5.3mm。

研究表明當(dāng)工作溫度超過100～110K時(shí)，基于標(biāo)準(zhǔn)n-on-p工藝的中波探測(cè)器NETD性能開始下降。為持續(xù)提升工作溫度，由Sofradir與CEA/Leti共同組成的DEFIR聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室開展了相關(guān)的技術(shù)攻關(guān)工作，主要如下述兩方面：

圖2 中波碲鎘汞材料截止波長(zhǎng)與工作溫度的關(guān)系

1）針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)n-on-p工藝的技術(shù)改進(jìn)

通過顯著降低缺陷來減少1/噪聲進(jìn)而大幅度增加工作溫度。減少缺陷來源主要是兩點(diǎn)：非常高質(zhì)量的材料（碲鋅鎘襯底及外延碲鎘汞薄膜材料）；各光伏器件工藝步驟的精確優(yōu)化。

2009年Sofradir公司發(fā)布的工藝優(yōu)化后HOT Scorpio中波探測(cè)器產(chǎn)品[5]，配接RM2旋轉(zhuǎn)式斯特林制冷機(jī)，測(cè)試數(shù)據(jù)如圖3所示。當(dāng)工作溫度為130K時(shí)，截止波長(zhǎng)（c）為5.07mm（80K時(shí)，c為5.3mm），NETD約為20mK（50%勢(shì)阱填充），盲元率小于0.4%；隨著工作溫度增加，暗電流將增大，NETD顯著下降；當(dāng)探測(cè)器工作溫度為150K（c＝4.2mm）時(shí)，NETD＜25mK。

表1 標(biāo)準(zhǔn)n-on-p工藝中波探測(cè)器性能

圖3 工藝優(yōu)化后HOT Scorpio中波探測(cè)器

2）應(yīng)用As離子注入p-on-n工藝技術(shù)

與n-on-p工藝相比，p-on-n技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于暗電流小。這就使高工作溫度成為可能，而且n型串聯(lián)電阻較低。通過之前的材料及器件工藝技術(shù)優(yōu)化及控制非本征In和As摻雜水平，使得暗電流降低1個(gè)數(shù)量級(jí)以上[6]，如圖4所示。

圖4 中波探測(cè)器暗電流比較

2011年Sofradir公司發(fā)布的p-on-n HOT Scorpio中波探測(cè)器產(chǎn)品，配接K562S或RM1斯特林制冷機(jī)，典型工作溫度為150K，測(cè)試數(shù)據(jù)如圖5[1]所示。當(dāng)工作溫度由88K升高至150K時(shí)，探測(cè)器性能基本保持不變；當(dāng)工作溫度繼續(xù)升高至160K時(shí)，NETD下降小于20%。當(dāng)工作溫度由88K升高至130K時(shí)，NETD保持穩(wěn)定在11.8mK以下；直到工作溫度為150K時(shí)，NETD為13.2mK；而且功耗相較于88K下降60%。

1.2 美國(guó)Teledyne公司

2008年2月Teledyne公司為加強(qiáng)紅外領(lǐng)域的生產(chǎn)能力及產(chǎn)品的覆蓋范圍，并購了Judson Techno- logies成立了Teledyne Judson Technologies[7]。Judson公司制備的HOT中波320×240（30mm）探測(cè)器采用在碲鋅鎘襯底上LPE生長(zhǎng)p＋-on-n異質(zhì)結(jié)技術(shù)（器件結(jié)構(gòu)剖面圖如圖6所示）；配接2～4級(jí)熱電制冷器（TEC），對(duì)應(yīng)工作溫度分別為－40℃（233K）、－65℃（208K）、－80℃（193K）；性能測(cè)試結(jié)果如圖7、圖8所示[8]。

圖5 p-on-n HOT Scorpio中波探測(cè)器NETD隨工作溫度變化曲線

圖6 p＋-on-n異質(zhì)結(jié)構(gòu)焦平面剖面圖

圖7 測(cè)試結(jié)構(gòu)在零下65℃和零下40℃無抗反射膜層時(shí)的光譜響應(yīng)

1.3 德國(guó)AIM公司

德國(guó)AIM公司的中波碲鎘汞探測(cè)器技術(shù)（包含HOT）發(fā)展歷程如表2所示。

表2 AIM公司中波碲鎘汞探測(cè)器技術(shù)（包含HOT）發(fā)展歷程

圖8 零下70℃工作溫度下實(shí)驗(yàn)室演示成像及NETD直方圖

采用3種不同工藝技術(shù)（優(yōu)化的標(biāo)準(zhǔn)工藝、1代HOT及2代HOT）中波探測(cè)器（規(guī)格：640×512；像元中心距：15mm；F/3.5；50%勢(shì)阱填充；300K；c＝5.2mm±0.1mm，80K）NETD隨工作溫度變化的曲線如圖9[9]所示。

AIM公司不同技術(shù)階段典型中波碲鎘汞產(chǎn)品（如表3所示）以及中波HOT 640×512、1280×1024探測(cè)器成像演示（如圖10所示）[10-14]。

圖9 三種不同技術(shù)中波探測(cè)器NETD隨工作溫度變化的曲線

表3 AIM公司典型中波產(chǎn)品

圖10 成像演示 (a)中波640×512，140K；(b)中波1280×1024，120K

1.4 英國(guó)Selex公司

Selex的器件結(jié)構(gòu)是基于MOVPE技術(shù)的多層異質(zhì)臺(tái)面結(jié)構(gòu)，如圖11[15]所示。早期發(fā)布的中波Eagle探測(cè)器（規(guī)格：640×512；像元中心距：24mm；NETD：10～14mK；盲元低至0.1%；截止波長(zhǎng)4.3mm，工作溫度可達(dá)180K），材料生長(zhǎng)是基于GaAs/Si襯底（較厚的硅基襯底外薄層砷化鎵），主要是折衷解決互連時(shí)讀出電路與器件芯片的熱失配；而后材料生長(zhǎng)基于GaAs襯底，器件芯片制備完成后完全去除襯底，消除熱失配對(duì)器件性能的影響[16]。

多層異質(zhì)臺(tái)面結(jié)構(gòu)包括：緊挨著襯底緩沖層的寬帶重?fù)诫sp型公共層（導(dǎo)電層），輕摻雜p型吸收層，n型覆蓋層。臺(tái)面刻蝕至公共層，防止電串及光串；p型為As摻雜，n型為I摻雜；吸收層的尺寸、摻雜濃度及缺陷等因素決定了暗電流的大小。

2010年Selex對(duì)標(biāo)準(zhǔn)工藝生產(chǎn)的中波Hawk探測(cè)器（規(guī)格：640×512；像元中心距：16mm；低溫濾光片3.7～4.95mm；F/4；配接Thales公司RM2制冷機(jī)；NETD＝16mK，80K；盲元率小于0.1%；c＝5.5mm，80K）進(jìn)行了HOT測(cè)試，結(jié)果如圖12～13所示。當(dāng)工作溫度為150K時(shí)，降溫時(shí)間及穩(wěn)態(tài)功耗相比80K分別下降40%和55%，185K時(shí)NETD約是150～160K的2倍[17]。

圖11 多層異質(zhì)臺(tái)面結(jié)構(gòu)

Fig.11 Heterostructure mesa diode

圖12 室溫環(huán)境下Hawk探測(cè)器性能

圖13 不同工作溫度下Hawk熱像

1.5 美國(guó)DRS公司

HDVIP技術(shù)是基于早期環(huán)孔器件的原理發(fā)展起來的，最大特點(diǎn)是不需要使用銦柱互連技術(shù)來制備器件。原理圖如圖14所示，器件的吸收層為p型材料，n＋區(qū)利用了刻蝕開孔時(shí)在四壁形成的反型層，和n-on-p平面結(jié)一樣，低溫?zé)崽幚硪脖挥糜谛纬蒼＋-n－-p結(jié)。該結(jié)構(gòu)具有的優(yōu)點(diǎn)包括：器件采用了雙面CdTe鈍化技術(shù)（在碲鎘汞材料的上下表面分別沉積CdTe膜層），然后通過熱處理工藝使碲鎘汞上下表面與CdTe鈍化層形成組分互擴(kuò)散層，使得1/噪聲大幅降低；其pn結(jié)垂直于外延材料表面，外延中形成的穿越位錯(cuò)與pn結(jié)的界面接近平行，穿越pn結(jié)的位錯(cuò)密度大幅降低，減小了器件暗電流；器件為側(cè)向入射式器件，填充因子較大，有利于量子效率的提高[18]。

DRS采用富Te液相外延技術(shù)，p型非本征摻雜為Cu、Au或者As，摻雜濃度為小于5×1016cm－3，低背景n型為In摻雜，In的濃度在1.5～5×1014cm－3[19]。

圖14 DRS HDVIP結(jié)構(gòu)

DRS公司的HDVIP HOT器件采用n＋-p結(jié)構(gòu)，在250K工作溫度下截止波長(zhǎng)為5mm的中波器件，暗電流密度低至2.5mA/cm2，少子壽命超過300ms[20]。HDVIP器件常規(guī)工藝中暗電流機(jī)制主要包括SRH、俄歇1、俄歇7（如圖15所示）。為減少各種機(jī)制的影響，相對(duì)應(yīng)的工藝改進(jìn)方法如下：通過對(duì)干法刻蝕、退火等工藝的優(yōu)化最小化汞空位；盡可能消除n－區(qū)；盡可能降低p型非本征摻雜濃度。

DRS公司已經(jīng)生產(chǎn)了大量的像元尺寸為12mm的HOT中波探測(cè)器（規(guī)格640×480或1280×720；c＝5～5.6mm，77K；讀出電路電荷處理能力7.7Me－；工作溫度120～160K），2012年又發(fā)布了像元尺寸為5mm的中波1280×720探測(cè)器（工作溫度120K，噪聲缺陷率小于0.05%）（如圖16所示）[21-22]。

圖15 HDVIP中波器件253K暗電流模型

圖16 DRS HOT MW 640×480（12mm）探測(cè)器和1280×720（12mm、5mm）晶片

2 昆明物理研究所碲鎘汞中波探測(cè)器的發(fā)展

昆明物理研究所從2006年開始進(jìn)行碲鎘汞中波焦平面探測(cè)器研制，經(jīng)過4年的技術(shù)攻關(guān)，到2010年實(shí)現(xiàn)碲鎘汞中波320×256紅外焦平面探測(cè)器組件批量生產(chǎn)，2013年已達(dá)年產(chǎn)數(shù)百套組件的水平[23]。通過持續(xù)推進(jìn)碲鎘汞材料非本征摻雜的研究及器件工藝中表面鈍化、干法刻蝕等工藝的改進(jìn)；陸續(xù)發(fā)布了640×512（15mm、20mm、25mm）及1280×1024（15mm）等規(guī)格的碲鎘汞中波焦平面探測(cè)器組件（模擬/數(shù)字化）產(chǎn)品[24-28]。

結(jié)果顯示當(dāng)工作溫度由80K變化至110K時(shí)，NETD由17.4mK變化至19.7mK，保持在20mK以下，有效像元率由99.87%下降至99.33%，國(guó)產(chǎn)中波探測(cè)器性能基本達(dá)到同期國(guó)際水平；當(dāng)工作溫度繼續(xù)升高至120K時(shí)，響應(yīng)信號(hào)隨著暗電流的增大下降約20%，而且1/噪聲顯著增加，NETD為34.4mK，比80K時(shí)增大約一倍。此外我們對(duì)盲元的組成進(jìn)行細(xì)分，發(fā)現(xiàn)隨著工作溫度的升高，基于響應(yīng)率及噪聲的盲元明顯增加，在工藝一致性上與國(guó)際先進(jìn)水平相比還存在提升的空間。

圖17 室溫環(huán)境下中波探測(cè)器性能

3 結(jié)論

HOT探測(cè)器逐漸成為制冷探測(cè)器的發(fā)展趨勢(shì)之一。文章歸納總結(jié)了紅外領(lǐng)域的國(guó)外主流廠商在碲鎘汞中波HOT探測(cè)器上的工藝技術(shù)路線以及典型產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)，最后介紹了昆明物理研究所的中波探測(cè)器研制進(jìn)展。昆明物理研究所基于標(biāo)準(zhǔn)n-on-p工藝研制了中波探測(cè)器并進(jìn)行了HOT測(cè)試，測(cè)試結(jié)果顯示當(dāng)探測(cè)器工作溫度升高至110K時(shí)，性能指標(biāo)基本達(dá)到國(guó)外同類探測(cè)器產(chǎn)品水平。當(dāng)溫度升高至110K以上時(shí)，我所研制的中波探測(cè)器的性能與國(guó)外同類探測(cè)器相比存在一定的技術(shù)差距，需要進(jìn)行更多的技術(shù)攻關(guān)才能提高探測(cè)器工作溫度并保持性能基本穩(wěn)定。

致謝

筆者由衷地感謝紅外探測(cè)器中心制冷部唐天敏及電子與系統(tǒng)部各位同仁在探測(cè)器組件測(cè)試過程中付出的辛勤努力和卓有成效的工作。

[1] Alain M, Laurent R, Yann R, et al. Improved IR detectors to swap heavy systems for SWaP [C]//, 2012, 8353: 835334.

[2] Lutz H, Breiter R, Figgemeier H, et al. Improved high operating temperature MCT MWIR modules[C]//, 2014, 9070: 90701D.

[3] Gérard D, Philippe T, Michel V, et al. MCT IR detectors in France [C]//, 2011, 8012: 801235.

[4] David B L, Philippe T, Frédéric P, et al. New IR detectors with small pixel pitch and high operating Temperature[C]//, 2010, 7854: 78540M.

[5] Michel V, Laurent R, Fabien C, et al. HOT infrared detectors using MCT technology [C]//, 2011, 8012: 80122W.

[6] Reibel Y, Rouvie A, Nedelcu A, et al. Large format, small pixel pitch and hot detectors at SOFRADIR[C]//, 2013, 8896: 88960B.

[7] James W B, Richard B, David G, et al. Teledyne imaging sensors: infrared imaging technologies for astronomy & civil space[C]//, 2008, 7021: 70210H.

[8] Henry Y, Gary A, Jongwoo K, et al. FPA development: from InGaAs, InSb, to HgCdTe [C]//, 2008, 6940: 69403C.

[9] Lutz H, Breiter R, Figgemeier H, et al. Improved high operating temperature MCT MWIR modules[C]//, 2014, 9070: 90701D.

[10] Lutz H, Breiter R, Eich D, et al. High operating temperature IR-modules with small pitch for SWaP reduction and high performance applications [C]//, 2011, 8185: 818504.

[11] Rühlich I, Mai M, Withopf A, et al. AIM cryocooler developments for HOT detectors [C]//, 2014, 9070: 90702P.

[12] Breiter R, Ihle T, Wendler J, et al. Next generation cooled long range thermal sights with minimum size, weight and power[C]//, 2013, 8704: 87040P.

[13] Breiter R, Eich D, Figgemeier H, et al. Optimized MCT IR-modules for high-performance imaging applications[C]//, 2014, 9070: 90702V.

[14] Lutz H, Breiter R, Rutzinger S, et al. High-performance IR detector modules for army applications [C]//, 2013, 8704: 87040A.

[15] Knowles P, Hipwood L, Shorrocks N, et al. Status of IR detectors for high operating temperature produced by MOVPE growth of MCT on GaAs substrates [C]//, 2012, 8541: 854108.

[16] Jones C L, Hipwood L G, Shaw C J, et al. High performance MW and LW IRFPAs made from HgCdTe grown by MOVPE[C]//, 2006, 6206: 620610.

[17] Knowles P, Hipwood L, Pillans L, et al. MCT FPAs at high operating temperatures [C]//, 2011, 8185: 818505.

[18] 楊建榮. 碲鎘汞材料物理與技術(shù)[M]. 北京: 國(guó)防工業(yè)出版社, 2012. YANG JianRong.[M]. Beijing: National Defense Industry Press, 2012.

[19] Paul D L, Franklin M. R, Hung-Dah S, et al. HDVIP? for low- background-flux and high-operating-temperature applications[C]//, 2004, 5563: doi: 10.1117/12.566370.

[20] Schaake H F, Kinch M A, Chandra D, et al. High operating temperature MWIR detectors [C]//, 2010, 7608: 76081O.

[21] Robinson J, Kinch M, Marquis M, et al. Case for small pixels: system perspective and FPA challenge[C]//, 2014, 9100: 91000I.

[22] Armstrong J M, Skokan M R, Kinch M A, et al. HDVIP five-micron pitch HgCdTe focal plane arrays [C]//, 2014, 9070: 907033.

[23] 韓福忠, 周連軍, 袁綬章, 等. HgCdTe紅外焦平面探測(cè)器從研發(fā)到生產(chǎn)[J]. 紅外技術(shù), 2014, 36(4): 271-274. HAN Fuzhong, ZHOU Lianjun, YUAN Shouzhang, et al. HgCdTe IRFPA detectors from research to production[J]., 2014, 36(4): 271-274.

[24] 龔曉丹, 韓福忠. N2對(duì)碲鎘汞干法刻蝕誘導(dǎo)損傷的影響[J]. 紅外技術(shù), 2015, 37(4): 315-322. GONG Xiaodan, HAN Fuzhong. The effect of N2for dry etching induced damage of HgCdTe[J]., 2015, 37(4): 315-322.

[25] 韓福忠, 耿松, 史琪, 等. 碲鎘汞紅外焦平面器件表面復(fù)合膜層鈍化技術(shù)[J]. 紅外技術(shù), 2015, 37(10): 864-867. HAN Fuzhong, GENG Song, SHI Qi, et al. Passivation technology of composite film on the HgCdTe IRFPA[J]., 2015, 37(10): 864-867.

[26] 李雄軍, 韓福忠, 李東升, 等. 中波碲鎘汞光電二極管pn結(jié)特性研究[J]. 紅外技術(shù), 2015, 37(11): 911-915. LI Xiongjun, HAN Fuzhong, LI Dongsheng, et al. A study of pn junction characteristics for MW HgCdTe photodiodes[J]., 2015, 37(11): 911-915.

[27] 白丕績(jī), 姚立斌. 第三代紅外焦平面探測(cè)器讀出電路[J]. 紅外技術(shù), 2015, 37(2): 89-96.BAI Piji, YAO Libin. Read out integrated circuit for third-generation infrared focal plane detector[J]., 2015, 37(2): 89-96.

[28] 姚立斌, 陳楠, 張濟(jì)清, 等. 數(shù)字化紅外焦平面技術(shù)[J]. 紅外技術(shù), 2016, 38(5): 357-366. YAO Libin, CHEN Nan, ZHANG Jiqing, et al. Digital IRFPA technology [J]., 2016, 38(5): 357-366.

Review of HOT MW Infrared Detector Using MCT Technology

ZHOU Lianjun，HAN Fuzhong，BAI Piji，SHU Chang，SUN Hao，WANG Xiaojuan，LI Jinghui，ZOU Pengcheng，GUO Jianhua，WANG Qiongfang

（Kunming Institute of Physics, Kunming 650223, China）

Several kinds of technology roadmap process and technical specifications of typical product for HOT (high operating temperature) HgCdTe MW infrared detector from Euramerican developed countries are reviewed in this paper. A 640×512(15mm) MW detector that was manufactured by Kunming Institute of Physics based on the standard n-on-p(Hg vacancy doped) process production output was selected for detailed HOT testing. The results prove that the performance of our detector basically reaches the level of foreign products developed in the same period.

HgCdTe(MCT)，HOT，infrared detector，standard n-on-p process

TN215

A

1001-8891(2017)02-0116-09

2016-06-02；

2016-08-05.

周連軍（1977-），男，研究員，主要研究方向?yàn)轫阪k汞紅外探測(cè)器技術(shù)。E-mail：lianjunzhou1977@163.com。