浙江大學研制x-y尋址型PbSe光電導焦平面陣列紅外探測器

自20世紀80年代開始出現(xiàn)紅外焦平面陣列（Infrared Focal Plane Arrays，IRFPA）技術，紅外成像技術取得了長足的發(fā)展。目前研究得比較成熟的焦平面陣列（FPA）探測器主要是由InSb、HgCdTe（MCT）、QWIP和InAs/GaSbII類超晶格等材料制備的二維凝視型焦平面芯片。但是它們都需要在液氮制冷或更低溫度下才能獲得高的紅外探測性能，因此提高紅外探測器的工作溫度是人們關注的重要問題之一。IV-VI族半導體化合物（PbS、PbSe和PbTe等）是另一類物理性質獨特的中波紅外探測材料，具有直接帶隙、窄禁帶寬度等特點，PbSe光電導探測器室溫下就可以獲得良好的紅外探測能力，因此很適合制作室溫下工作的FPA紅外探測器。

近年來國內對于IV-VI族半導體的研究主要集中在異質結材料的光電特性上，但是目前國內還沒有PbSe光電導FPA探測器的相關報道。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近日，浙江大學物理學院的研究人員在《紅外與毫米波學報》期刊上發(fā)表了題為“PbSe光電導焦平面陣列探測器”的最新論文，通過光電導探測器的理論模擬獲得探測器的設計參數(shù)，研制了一種可在室溫工作的8×8像素的x-y尋址型PbSe光電導焦平面陣列紅外探測器，并測試和分析了器件室溫下的光電響應性能和中波紅外成像能力。像元尺寸為500μm×500μm，像元間距為500μm，500K溫度黑體輻射和3.0V偏壓下像元的黑體響應率的范圍是70~146mA/W，平均響應率和平均探測率分別達到了110mA/W和5.5×10?cmHz1/2W?1。像元的噪聲等效溫差（NETD）范圍是15~81mK，平均噪聲等效溫差為32mK。為后續(xù)研制高密度像元PbSe FPA探測器奠定了基礎。

PbSe FPA探測器的制備

PbSe FPA探測器的制備通過一系列微納加工工藝完成，下面簡述其工藝流程。（1）首先使用磁控濺射在PbSe薄膜材料上沉積200nm SiO2作為鈍化層；（2）光刻并顯影出8×8 FPA像元圖案；（3）使用ICP設備干法刻蝕暴露區(qū)域的SiO2鈍化層；（4）使用溴化氫和雙氧水混合溶液濕法腐蝕PbSe；（5）光刻并顯影出電極接觸區(qū)域圖案，干法刻蝕該區(qū)域的鈍化層；（6）光刻并顯影縱向電極圖案，使用電子束蒸發(fā)沉積200nm金（Au），在丙酮溶液中完成剝離；（7）制作絕緣隔離區(qū)域：先使用磁控濺射沉積300nm SiO2，然后經(jīng)過光刻、顯影和干法刻蝕，留下（x，y）電極交叉處的SiO2；（8）光刻并顯影橫向電極圖案，然后使用電子束蒸發(fā)沉積200nm金（Au），在丙酮溶液中完成剝離。

PbSe FPA探測器的性能表征

制備完成的PbSe FPA探測器使用單色光譜儀、黑體輻射源（HFY-200B）、脈沖激光等實驗裝置測試其光電響應性能，中波紅外成像效果通過一個紅外成像裝置來演示。光電流譜的測量由光柵單色儀（Omni-λ 300）、電流放大器（SR570）和一個鎖相放大器（SR830）組成的裝置完成。脈沖激光響應測試使用高速放大器（DHPCA-100）將響應信號輸出至數(shù)字示波器（TBS 1052B）顯示并存儲數(shù)據(jù)。圖1（a-b）分別是探測器黑體響應測試和中波紅外成像演示裝置示意圖。

圖1 探測器性能表征裝置示意圖（a）黑體響應，（b）中波紅外成像演示裝置

制備的x-y尋址電掃描型PbSeFPA在光學顯微鏡下的照片如圖2（a）所示，圖2（b）為局部放大圖。PbSe光電導FPA探測器的每個像元光敏面尺寸為500μm×500μm，像元間距為500μm。圖2（b）中可以清晰地看到（x，y）電極交叉處SiO2絕緣層的輪廓。

圖2 x-y尋址電掃描型PbSe光電導FPA探測器在光學顯微鏡下照片（a）FPA整體圖像，（b）FPA的局部放大圖案（橫、縱電極交叉處方形區(qū)域為絕緣層）

使用響應光譜測試裝置測量PbSe FPA探測器像元的光電流響應譜，在3.0V偏壓和2μA/V的放大器增益下，典型的光譜響應如圖3（a）所示，峰值響應波長在約3.5μm 處，長波截止波長約為4.3μm，與PbSe室溫下禁帶寬度（0.278eV）對應的截止波長相近。FPA像元的脈沖激光響應測試結果如圖3（b）所示，脈沖激光的波長和功率分別為3.5μm和16mW。

圖3 探測器的光電響應表征（a）像元的典型響應光譜，（b）像元的脈沖激光響應，（c）像元的黑體響應率隨偏壓變化，（d）像元的噪聲電流譜

像元的響應率、探測率和噪聲等效溫差（NETD）等光電特性表征使用了黑體輻射源。測試像元黑體響應率時，固定黑體溫度為227℃（500K），黑體輻射源的出射光闌孔徑大小為1cm（直徑），探測器與黑體出射光闌距離10cm。前置放大器的增益為2μA/V，使用功率計測得探測器所在位置的功率密度為12μW/cm2。改變像元的外加偏壓，得到黑體響應率的變化如圖3（c）所示，黑體響應率隨外加偏壓顯示出良好的線性關系。在3.0V 偏壓和500K溫度黑體輻射下，測得所有像元的響應率的范圍是70~146mA/W。使用噪聲頻譜儀測量探測器像元的噪聲頻譜，如圖3（d）所示。像元的噪聲水平表現(xiàn)相近，噪聲電流密度低于1×10?12A/Hz1/2，計算出PbSe FPA像元的探測率為(3.5~7.3)×10?cmHz1/2W?1，平均探測率為5.5×10?cmHz1/2W?1。

圖4（a）展示了FPA中像元響應率的分布。可以看到，響應率整體分布相對均勻，只有第1行和第8列響應率相對較低，但是探測器不存在響應率過低或噪聲信號特別大的像元，因此有效像元率為100%。統(tǒng)計所有像元的響應率可以得到PbSe FPA像元的平均黑體響應率為Ri=110mA/W。使用如圖1（a）所示的測試裝置，設置黑體輻射源的溫度分別為300℃和310℃，分別測得每個像元的輸出響應信號，以響應電流信號的均方根作為噪聲電流，計算得到所有像元的NETD的結果及分布見圖4（b）。可以看到，像元的NETD范圍是15~81mK，計算出平均NETD為32mK。其中PbSe FPA的第1行及第8列NETD偏大，與圖4（a）所示的響應率分布表現(xiàn)是一致的。

圖4 （a）FPA中像元響應率分布，（b）FPA中NETD分布

使用如圖1（b）所示的紅外成像系統(tǒng)，目標物體（電烙鐵）輻射出的紅外光經(jīng)由兩塊凹面鏡反射后被PbSe FPA探測器吸收，電烙鐵和探測器都放置在反射鏡的焦點處。探測器每次可以讀取64（=8×8）個信號值，也就是一幅64像素的熱成像圖，如圖5（a）所示。分別設置電烙鐵的溫度為350℃、400℃和450℃，每次采集4幀局部熱成像圖進行拼接，最終紅外成像效果如圖5（b）所示。PbSe FPA探測器對三個溫度的電烙鐵都實現(xiàn)了紅外熱成像，并且隨著溫度升高，圖像對比度也更高。

圖5 PbSe FPA探測器紅外成像（a）局部熱成像，（b）完整熱成像圖與實物對比

PbSe光電導焦平面陣列探測器具有易于加工、制造成本低等優(yōu)點，其電極引線為多路復用，并且探測器在室溫下就具有較高的探測率，中波紅外成像演示也獲得了良好的表現(xiàn)，拓寬了PbSe探測器的應用場景。但是由于電極引線屬于外掛式，F(xiàn)PA的像元密度受到限制，因此制造大規(guī)模像元數(shù)量的FPA探測器比較困難。綜合來看，PbSe FPA探測器在非制冷中波紅外探測領域具有較大優(yōu)勢。

結論

理論分析了PbSe光電導紅外探測器器件參數(shù)對光電響應的影響，應用PbSe薄膜材料制備了8×8像素的x-y尋址型PbSe光電導FPA探測器，像元尺寸為500μm×500μm，像元間距為500μm。使用單色光譜儀測試得到了像元的典型響應光譜，室溫下長波截止波長約為4.3μm，峰值響應波長為3.5μm。通過黑體輻射源表征了探測器像元的光電響應性能，響應率范圍是70~146mA/W，平均響應率和平均探測率分別達到110mA/W和5.5×10?cmHz1/2W?1；像元的NETD范圍是15~81mK，平均NETD達到32mK。除個別行列像元外，F(xiàn)PA的響應率和NETD分布比較均勻。在室溫下，初步演示了探測器對350~450℃熱輻射目標的紅外熱成像。小規(guī)模PbSe FPA探測器的成功制備，為后續(xù)制造更大規(guī)模和更高密度的PbSe FPA探測器打下了基礎。

審核編輯 ：李倩