基于昆明物理研究所的Au摻雜碲鎘汞長波探測器探究

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，昆明物理研究所的科研團隊在《紅外與激光工程》期刊上發(fā)表了以“Au摻雜碲鎘汞長波探測器技術(shù)研究”為主題的文章。該文章通訊作者為孔金丞正高級工程師，主要從事紅外材料與器件的研究工作。該文章第一作者為宋林偉高級工程師，主要從事紅外材料與器件的研究工作。

該文章基于昆明物理研究所Au摻雜碲鎘汞材料穩(wěn)定性控制、器件暗電流控制等技術(shù)，報道了昆明物理研究所非本征Au摻雜長波碲鎘汞器件研制進展。

Au摻雜碲鎘汞長波材料的參數(shù)控制

由于Au摻雜原子在碲鎘汞材料中為快擴散雜質(zhì)，在熱處理及工藝過程中，很容易往缺陷區(qū)及界面擴散富集，因而在Au摻雜器件工藝中，首先需控制Au摻雜材料穩(wěn)定性。由于富Te液相外延生長的碲鎘汞薄膜中會有大量汞空位（VHg）存在，摻雜Au原子在此條件下很容易占據(jù)汞格點實現(xiàn)受主摻雜，可實現(xiàn)較高的摻雜濃度材料的生長，昆明物理研究所采用富Te水平液相外延技術(shù)實現(xiàn)了摻雜濃度可控的Au摻雜長波材料的生長。

Au摻雜碲鎘汞材料外延生長后，材料中有較多的汞空位存在，因而此時的原生材料呈現(xiàn)高濃度P型，汞空位起主導(dǎo)作用，需將Au摻雜原生材料進行汞飽和熱處理，以填充材料中的汞空位，使材料中Au摻雜原子占主導(dǎo)，呈現(xiàn)P型導(dǎo)電。然而Au摻雜原子為快擴散雜質(zhì)，熱處理過程中趨向于向界面和缺陷處擴散富集，材料內(nèi)部Au摻雜原子濃度降低，Au摻雜原子的快擴散特點導(dǎo)致熱處理后材料電學(xué)參數(shù)不可控，嚴重影響外延材料成品率以及后續(xù)工藝的穩(wěn)定性。

對于Au原子快擴散特性導(dǎo)致的Au摻雜碲鎘汞材料穩(wěn)定性控制問題，研究發(fā)現(xiàn)，熱處理時引入一定的汞空位有助于提高Au摻雜原子穩(wěn)定性，從而提高Au材料碲鎘汞材料電學(xué)參數(shù)控制。制備P型材料時Au摻雜濃度可穩(wěn)定控制在1.0×101?~4.0×101?cm?3，熱處理后碲鎘汞外延材料載流子濃度基本可控制在1.0×101?~4.0×101?cm?3之間，實現(xiàn)了穩(wěn)定性較好的Au摻雜碲鎘汞長波材料的制備。

Au摻雜n-on-p型碲鎘汞長波探測器的暗電流

器件暗電流是反映探測器本質(zhì)的特征參數(shù)，暗電流的大小決定了器件性能。碲鎘汞器件各種暗電流中，擴散電流和產(chǎn)生-復(fù)合電流由材料電學(xué)性能及復(fù)合機制決定，隧道電流與材料缺陷性能有關(guān)。擴散電流是PN結(jié)空間電荷區(qū)兩端載流子在電場作用下發(fā)生擴散和漂移而形成的電流，是熱平衡下由空間電荷區(qū)兩端少子擴散長度內(nèi)的載流子所形成的電流。

載流子濃度相同的情況下，碲鎘汞器件的擴散電流與少子壽命成反比，因此提高材料的少子壽命可以降低器件擴散電流。采用非本征Au摻雜原子代替本身就為深能級復(fù)合中心的本征汞空位，有助于降低碲鎘汞材料中深能級缺陷，提升P型碲鎘汞材料少子壽命，降低器件暗電流，從而達到提升n-on-p型器件性能的目的。

昆明物理研究所采用Au摻雜技術(shù)制備的載流子濃度為1.5×101?cm?3的Au摻雜長波碲鎘汞（10.5μm@80K）材料，少子壽命達到0.25μs，與目前報道的采用相同技術(shù)路線材料少子壽命最高水平相當(dāng)。

圖1為采用非本征Au摻雜技術(shù)與本征汞空位型長波256×256（30μm）碲鎘汞焦平面器件暗電流對比。80K下截止波長為10.6μm本征汞空位長波256×256碲鎘汞器件暗電流為1980pA，而相同溫度下截止波長為10.5μm非本征Au摻雜器件暗電流僅為171pA，采用Au摻雜技術(shù)可有效降低n-on-p型長波焦平面器件暗電流，長波器件的暗電流密度從2.2×10??A·cm?2降低至1.9×10??A·cm?2，R?A從31.3Ω.cm2提升到了363Ω·cm2。

圖1 a）本征汞空位n-on-p型器件與；b）非本征Au摻雜器件暗電流分布圖對比

圖2為昆明物理研究所制備的Au摻雜長波器件暗電流隨工作溫度變化圖。上下兩條趨勢線分別為n-on-p器件和p-on-n器件暗電流控制理論值，對比發(fā)現(xiàn)非本征Au摻雜器件暗電流水平明顯低于本征汞空位n-on-p型器件，并且隨著工作溫度的升高，Au摻雜長波器件暗電流越接近Rule07 p-on-n型器件理論值，在110K時Au摻雜長波器件暗電流控制與Rule07 p-on-n器件控制水平接近。

圖2 Au摻雜長波碲鎘汞器件暗電流隨溫度變化

圖3為昆明物理研究所Au摻雜長波器件暗電流控制水平與國際先進水平對比圖，Au摻雜長波器件R?A值較常規(guī)汞空位n-on-p型器件提升了至少一個數(shù)量級，與p-on-n型器件R?A值控制水平接近，昆明物理研究所Au摻雜長波器件暗電流控制接近國際先進水平，為高性能長波焦平面器件的研制奠定基礎(chǔ)。

圖3 Au摻雜長波器件暗電流控制水平

Au摻雜碲鎘汞長波探測器

昆明物理研究所基于Au摻雜技術(shù)對碲鎘汞器件暗電流控制方面的優(yōu)勢，先后研制出了Au摻雜碲鎘汞256×256（30μm）、640×512（25μm）、640×512（15μm）等規(guī)格型號的長波器件（如圖4至圖7所示），性能與國外報道的器件水平相當(dāng)，實現(xiàn)了非本征Au摻雜長波碲鎘汞器件系列化發(fā)展，達到了批量化的生產(chǎn)水平。幾種器件典型性能指標如表1所示。

圖4 長波256×256（30μm pitch）探測器：a）組件實物圖；b）響應(yīng)信號圖；c）NETD直方圖

圖5 長波640×512（25μm pitch）探測器：a）組件實物圖；b）響應(yīng)信號圖；c）NETD直方圖

圖6 長波640×512（15μm pitch）探測器：a）組件實物圖；b）響應(yīng)信號圖；c）NETD直方圖

圖7 長波1024×768（10μm pitch）探測器：a）組件實物圖；b）響應(yīng)信號圖；c）NETD直方圖

Au摻雜碲鎘汞探測器的長期穩(wěn)定性

在前期的研究中，法國Sofradir公司認為，由于Au原子為快擴散雜質(zhì)原子，可能會對器件長期穩(wěn)定性有一定的影響。針對該問題昆明物理所開展了Au摻雜碲鎘汞器件高低溫存儲、高低溫循環(huán)（+70℃~-40℃）及長期貯存等穩(wěn)定性的研究，Au摻雜器件經(jīng)高低溫存儲、高低溫循環(huán)后器件性能無明顯變化。如圖8所示為Au摻雜碲鎘汞長波256×256器件NETD和盲元隨存儲時間變化圖，該支組2015年封裝后，在室溫下至今貯存時間超過7年，在貯存期間約6個月間隔進行性能測試，試驗數(shù)據(jù)表明Au摻雜器件經(jīng)歷7年長期貯存過程中器件性能無明顯變化。

圖8 Au摻雜長波256×256器件NETD和盲元隨存儲時間變化圖

總結(jié)

昆明物理研究所多年來持續(xù)開展了Au摻雜碲鎘汞材料、器件結(jié)構(gòu)設(shè)計、可重復(fù)的工藝開發(fā)等研究，突破了Au摻雜碲鎘汞材料電學(xué)可控摻雜、器件暗電流控制等關(guān)鍵技術(shù)，將n-on-p型碲鎘汞長波器件品質(zhì)因子（R?A）從31.3Ω·cm2提升到了363Ω·cm2（λcutoff=10.5μm@80K），器件暗電流較本征汞空位n-on-p型器件降低了一個數(shù)量級以上。研制的非本征Au摻雜長波探測器經(jīng)歷了超過7年的時間貯存，性能無明顯變化，顯示了良好的長期穩(wěn)定性?；贏u摻雜碲鎘汞探測器技術(shù)，昆明物理研究所實現(xiàn)了256×256（30μm）、640×512（25μm）、640×512（15μm）、1024×768（10μm）等規(guī)格的長波探測器研制和批量能力，實現(xiàn)了非本征Au摻雜長波碲鎘汞器件系列化發(fā)展。非本征Au摻雜n-on-p型技術(shù)可作為高靈敏度、高分辨率等高性能長波及高工作溫度碲鎘汞器件研制的一種有效的技術(shù)途徑。

編輯：黃飛

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