碲鎘汞APD焦平面技術(shù)研究

碲鎘汞APD探測器可通過偏壓調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)常規(guī)的被動熱成像和雪崩增益下的主動成像，這將為實(shí)現(xiàn)采用單個焦平面探測器的自對準(zhǔn)系統(tǒng)提供了可能。利用主/被動雙模光學(xué)系統(tǒng)可方便實(shí)現(xiàn)被動成像和主動成像過程中的光路切換，可有效解決光路校準(zhǔn)困難的問題。基于碲鎘汞APD探測器的新型主/被動雙模成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更簡潔，體積、重量、功耗以及成本將更簡化。

此外，碲鎘汞APD器件具有增益高、響應(yīng)速度快以及過剩噪聲低等特點(diǎn)，特別適用于快速成像、主/被動雙模成像以及3D成像等應(yīng)用，同時滿足全天時與全天候工作的需求，因此國際上主要從事紅外探測器研究和開發(fā)的機(jī)構(gòu)均對碲鎘汞APD器件開展了廣泛地研究，并已獲得了令人矚目的技術(shù)進(jìn)展。

近年來，國內(nèi)的研究團(tuán)隊(duì)也開展了碲鎘汞APD器件技術(shù)的研究，但從器件規(guī)模和性能等方面均與國外先進(jìn)水平存在較大的差距。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，昆明物理研究所和華中科技大學(xué)的研究人員組成的團(tuán)隊(duì)在《紅外與毫米波學(xué)報(bào)》期刊上發(fā)表了題為“碲鎘汞APD焦平面技術(shù)研究”的最新論文，基于液相外延（LPE）生長的中波碲鎘汞薄膜，采用B離子注入n-on-p平面結(jié)技術(shù)制備了像元中心距為30μm，陣列規(guī)模為256×256的APD焦平面探測器芯片，并在液氮溫度下對增益、暗電流以及過噪因子等器件性能指標(biāo)進(jìn)行了測試分析；此外，還對所研制的碲鎘汞APD焦平面探測器芯片進(jìn)行了初步地成像演示。

器件制備

實(shí)驗(yàn)采用LPE生長的碲鎘汞薄膜，材料Cd組分x～0.302，77K溫度下對應(yīng)的響應(yīng)截止波長為4.95μm。材料導(dǎo)電類型為P型，受主雜質(zhì)為汞空位，空穴濃度2.5～5.0×101?cm?3。

碲鎘汞薄膜生長過程中采用低濃度銦摻雜作為材料的本底摻雜，銦的濃度為0.5～2.0×101?cm?3。通過B離子注入以及注入后的退火處理，使得離子注入產(chǎn)生的汞間隙原子向材料內(nèi)部擴(kuò)散的過程中與汞空位不斷復(fù)合還原至輕摻雜的本底濃度，實(shí)現(xiàn)具有雪崩倍增功能的N?層。

然后，通過歐姆接觸孔刻蝕和接觸電極成型完成了碲鎘汞APD探測器芯片的制備。焦平面單像元碲鎘汞APD器件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 單像元碲鎘汞APD器件結(jié)構(gòu)示意圖

將所制備的面陣規(guī)模256×256，像元中心間距為30μm的碲鎘汞APD探測器芯片與專用的APD讀出電路通過銦柱倒裝互連實(shí)現(xiàn)了焦平面探測器芯片組。再對其進(jìn)行下填膠、固化、背減薄去除襯底以及背增透膜沉積等完成了碲鎘汞APD焦平面芯片的制備，芯片實(shí)物圖如圖2所示。

圖2 碲鎘汞APD焦平面芯片實(shí)物照片

器件性能測試

將256×256（30μm）碲鎘汞APD焦平面探測器芯片封裝入中測杜瓦，冷屏F#數(shù)為2，液氮制冷到約77K后分別對著20℃和35℃的面源黑體，調(diào)節(jié)積分時間和探測器偏置對焦平面器件的基本性能進(jìn)行了測試，并對其雪崩增益M和過噪因子F進(jìn)行了分析。此外，在0°視場（0FOV）條件下對液氮溫度碲鎘汞APD焦平面器件的暗電流進(jìn)行了測試分析。最后，在不同條件下對APD焦平面器件進(jìn)行了初步地成像演示。

碲鎘汞APD焦平面雪崩增益

圖3則為-8.6V反偏下焦平面器件雪崩增益直方圖。器件增益分布呈現(xiàn)正態(tài)分布，雪崩增益均值為166.8，標(biāo)準(zhǔn)偏差5.56，增益非均勻性為3.33%，表現(xiàn)出較高的增益值和較好的均勻性。

圖3-8.6V反偏下碲鎘汞APD焦平面增益直方圖

圖4為碲鎘汞APD焦平面器件增益及其非均勻性隨偏壓的變化關(guān)系。器件增益隨偏壓指數(shù)增大，呈現(xiàn)出較理想的雪崩倍增現(xiàn)象。相應(yīng)的增益非均勻性隨偏壓也出現(xiàn)了增加的趨勢。

圖477K下碲鎘汞APD焦平面增益及其非均勻性隨偏壓的變化關(guān)系

碲鎘汞APD焦平面暗電流

在0°視場（0FOV）條件下對封裝入中測杜瓦的碲鎘汞APD焦平面器件在液氮溫度下進(jìn)行了暗電流測試。圖5為碲鎘汞APD焦平面器件平均暗電流隨偏壓的變化關(guān)系，器件暗電流隨偏壓呈指數(shù)增大。

圖5 77K下碲鎘汞APD焦平面暗電流隨偏壓的變化關(guān)系

圖6為碲鎘汞APD焦平面器件增益歸一化暗電流隨偏壓的變化關(guān)系。器件增益歸一化暗電流（GNDC）在9.0×10?1?~1.6×10?13A范圍內(nèi)，與法國CEA/LETI的J. Rothman報(bào)道結(jié)果相當(dāng)，表現(xiàn)出了較好的器件性能。

圖6 77K下碲鎘汞APD焦平面增益歸一化暗電流隨偏壓的變化關(guān)系

碲鎘汞APD焦平面過噪因子

APD器件由于載流子在倍增區(qū)碰撞電離的隨機(jī)性，使得增益隨時間發(fā)生漲落，導(dǎo)致信號被雪崩放大的同時，器件信噪比也將出現(xiàn)一定程度惡化。過噪因子F定義為器件輸入信/噪比和輸出信/噪比的比值，是APD器件過剩噪聲的量度。

圖7為碲鎘汞APD焦平面器件不同偏壓下的過噪因子。F介于1.0~1.5之間，較好地表現(xiàn)出了碲鎘汞APD器件因單載流子倍增機(jī)制而具有近無過剩噪聲的優(yōu)異性能。

圖7 77K下碲鎘汞APD焦平面過噪因子隨偏壓變化關(guān)系

碲鎘汞APD焦平面成像演示

對封裝在液氮中測杜瓦的碲鎘汞APD焦平面器件前置中波鏡頭后進(jìn)行了初步成像演示。在小偏壓下調(diào)節(jié)積分時間至約半阱，經(jīng)過非均勻性校正和盲元替換，器件成像照片如圖8所示。人臉處的手掌印清晰可見，顯示出與常規(guī)中波紅外探測器相當(dāng)?shù)某上裥Ч?/p>

圖8碲鎘汞APD焦平面在-50mV反偏下成像演示

通過調(diào)節(jié)器件的偏壓可方便改變器件的增益。在相同的短積分時間20μs下，雪崩增益分別為1和19的器件成像照片如圖9所示。在相同積分時間下，信號的雪崩增益放大過程顯著提升了器件的成像效果。

圖9 20μs積分時間下不增益狀態(tài)碲鎘汞APD焦平面成像演示（a）M=1，Tint=20μs,（b）M=19，Tint=20μs

結(jié)論

本文采用LPE生長的中波碲鎘汞材料，通過B離子注入n-on-p平面結(jié)工藝制備了碲鎘汞APD探測器芯片，并與專用的APD讀出電路倒裝互連實(shí)現(xiàn)了碲鎘汞APD焦平面芯片的制備。將APD芯片封裝入中測杜瓦，在液氮溫度下對其增益、暗電流以及過噪因子等性能參數(shù)進(jìn)行了測試分析，結(jié)果表明，所制備的碲鎘汞APD焦平面芯片在-8.5V反偏下平均增益達(dá)到166.8，增益非均勻性為3.33%；在0~-8.5V反向偏置下，APD器件增益歸一化暗電流為9.0×10?1?~1.6×10?13A，過噪因子F介于1.0~1.5之間。此外，對碲鎘汞APD焦平面進(jìn)行了成像演示，在低偏壓下成像效果與常規(guī)器件類似，均具有較佳的成像效果；在相同短積分時間下，信號的雪崩增益放大過程顯著提升了器件的成像效果。

審核編輯：劉清