昆明物理研究所在長波p-on-n碲鎘汞紅外焦平面器件方面的研究進展

碲鎘汞材料為窄禁帶半導(dǎo)體，隨著工作溫度的升高，材料本征載流子濃度會增加，探測器截止波長會變短，暗電流增加等，會導(dǎo)致器件性能降低。碲鎘汞紅外探測器通常在77K溫度附近工作并獲得很好的探測性能，但低溫工作會增加探測器的制備成本、功耗、體積和重量等。為了解決這些問題，在保證探測器正常工作性能的前提下，提升探測器的工作溫度是碲鎘汞紅外探測器的重要研究方向。p-on-n結(jié)構(gòu)的碲鎘汞紅外焦平面器件具有低暗電流、長少子壽命等特點，有利于在高工作溫度條件下獲得較好的器件性能。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，昆明物理研究所和中國人民解放軍63963部隊的研究人員在《紅外與毫米波學(xué)報》期刊上發(fā)表了題為“長波p-on-n碲鎘汞紅外焦平面器件高溫工作性能”的論文，在不同工作溫度下對p-on-n長波焦平面探測器的性能進行測試分析，在110K時p-on-n長波碲鎘汞紅外焦平面探測器噪聲等效溫差（Noise Equivalent Temperature Difference，NETD）為25.3mK，有效像元率為99.48%，在高溫條件下具備較優(yōu)的工作性能。

器件制備

針對p-on-n長波碲鎘汞紅外焦平面探測器展開研究，器件采用原位摻In的LPE 技術(shù)在CdZnTe襯底上生長N型碲鎘汞薄膜，通過As離子注入及退火激活實現(xiàn)P摻雜，進而制備得到像元間距25μm，640×512陣列的p-on-n長波焦平面探測器，探測器結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，77K工作溫度下截止波長為10.2μm。

圖1 p-on-n探測器結(jié)構(gòu)示意圖

性能測試

為了研究分析不同工作溫度下焦平面探測器性能變化，在兩個不同的目標(biāo)黑體輻射（T1=293K，T2=308K）下，對探測器性能進行測試，并通過計算得到電壓響應(yīng)信號、噪聲信號、NETD等性能參數(shù)，由測試結(jié)果分析工作溫度變化對探測器性能的影響及其原因。

響應(yīng)電壓及噪聲信號

通過對長波焦平面探測器的性能測試，計算得到了不同工作溫度下探測器的響應(yīng)電壓（Vs）及噪聲信號（Vn），測試結(jié)果如圖2所示，為在70～110K不同工作溫度下響應(yīng)電壓及噪聲信號隨工作溫度（T）的變化。由圖2可知，隨著工作溫度的升高，長波焦平面探測器的響應(yīng)電壓逐漸降低；另外噪聲信號則隨工作溫度的升高而增大。

圖2 響應(yīng)電壓及噪聲信號隨工作溫度的變化

圖3所給出的是量子效率為1時響應(yīng)電壓與工作溫度的關(guān)系。由圖3所示，在理想情況下探測器響應(yīng)電壓隨工作溫度的升高而降低，而實驗結(jié)果也與之相對應(yīng)，工作溫度的升高會導(dǎo)致探測器截止波長變短，從而引起探測器接收到的目標(biāo)輻射減少，進而導(dǎo)致探測器響應(yīng)電壓降低。

圖3 響應(yīng)電壓隨工作溫度的變化關(guān)系

NETD和有效像元率

實驗中通過測試并計算得到了不同工作溫度下長波焦平面探測器的NETD，并繪出了NETD隨工作溫度變化的趨勢圖，如圖4所示。由圖4知，隨著探測器工作溫度的提高，暗電流及1/f噪聲的增加，NETD也隨之變大，尤其在80K以后，NETD隨工作溫度的升高增加更明顯，NETD與工作溫度的變化關(guān)系與理論公式相符。從NETD來看，所制備的p-on-n長波碲鎘汞焦平面探測器在高溫工作條件下具有較高的溫度靈敏度，進一步驗證了該結(jié)構(gòu)應(yīng)用于高溫器件的可能性與優(yōu)勢。

圖4 NETD和有效像元率隨工作溫度的變化

暗電流及量子效率

為了研究高溫工作條件下器件暗電流的變化，根據(jù)Rule07經(jīng)驗公式繪制了長波焦平面探測器（截止波長為10.2μm）暗電流隨工作溫度變化的趨勢圖，并將實驗測試所得器件暗電流與之相比較，結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，根據(jù)Rule07經(jīng)驗公式所得的長波探測器暗電流隨工作溫度的提高而增大，尤其在工作溫度高于100K時暗電流急劇增大，暗電流已經(jīng)增大到納安量級以上。

圖5 焦平面探測器暗電流隨工作溫度的變化

另外在不同工作溫度下測試計算得到探測器的量子效率隨工作溫度變化的結(jié)果，如圖6所示，由測試結(jié)果可知，探測器的量子效率隨工作溫度的升高而相應(yīng)降低，從70K到110K的工作溫度變化中，量子效率下降了18.39%。量子效率的降低會導(dǎo)致探測器響應(yīng)信號、探測率等減小，解決量子效率變低也是高溫器件發(fā)展的關(guān)鍵問題之一。

圖6 焦平面探測器量子效率隨工作溫度的變化

峰值探測率及信號響應(yīng)圖

實驗中對碲鎘汞光伏探測器的峰值探測率D*p進行了測試分析，在不同工作溫度下的D*p測試結(jié)果如圖7所示。由圖7可知，隨著探測器工作溫度的升高，探測器的D*p逐漸降低，從70K到110K的工作溫度變化中，D*p由2.25E+14cm·Hz1/2/W降低到1.39E+14cm·Hz1/2/W，降低了38.2%。

圖7 焦平面探測器D*p隨工作溫度的變化

測試了在不同工作溫度下長波p-on-n焦平面探測器的電壓響應(yīng)信號，信號響應(yīng)分布圖如圖8所示，圖中右下角的兩個扎堆盲元簇為材料缺陷，另外器件對角線位置存在工藝過程中器件表面受到的部分污染。從測試結(jié)果可以直觀看出，77K下焦平面探測器盲元少，響應(yīng)均勻，當(dāng)工作溫度提升到110K時，器件盲元有所增加，且響應(yīng)信號減小，這與量子效率、探測率的下降有關(guān)。

圖8 不同工作溫度下p-on-n LWIR焦平面信號響應(yīng)圖（左77K，右110K）

結(jié)論

低溫工作條件下，碲鎘汞紅外探測器能夠獲得極佳的探測性能，但在一定程度上會提高探測器成本，增加器件功耗等，而工作溫度提高引起的暗電流增加會導(dǎo)致器件性能的相對降低。制備了As注入的長波p-on-n碲鎘汞紅外焦平面探測器，并通過測試分析在不同工作溫度下探測器的相關(guān)參數(shù)性能。通過研究分析，在110K工作溫度下，p-on-n結(jié)構(gòu)的長波碲鎘汞焦平面探測器的NETD、D*p、有效像元率以及暗電流等參數(shù)依舊可以維持在較好的水平，能夠滿足應(yīng)用需求。p-on-n結(jié)構(gòu)的長波探測器可以實現(xiàn)在高溫條件下穩(wěn)定工作，繼續(xù)提升器件工作溫度需要進一步的工藝研究和技術(shù)提升，對提高探測器工作溫度、降低器件成本及功耗、探測器的空間應(yīng)用等具有重要意義。

審核編輯 ：李倩