當前，在新軍事變革的推動下，制備大面陣、多光譜、高性能的第三代焦平面紅外探測器成為了未來光電子器件發展的重要方向，對紅外探測器組件提出了輕量、低功耗、高分辨、低噪聲及高可靠性等更高的要求。碲鎘汞（Hg1?xCdxTe）材料具有帶隙可調，光吸收率高，響應光譜覆蓋短波、中波、長波及甚長波波段的優點，一直是紅外探測材料研究的重點。高工作溫度碲鎘汞紅外探測器具有降低系統功耗、減小系統尺寸和重量、增加系統壽命等優點，可滿足精確制導、單兵及無人平臺光電系統、告警偵察等領域對高可靠性、高性能的低功耗焦平面探測器的需求。

1985年，Elliott等首次提出了高工作溫度紅外光子器件的概念；1999年，Donald等人提出了紅外焦平面探測器低成本、高性能的發展思路。目前，國外Sofradir、AIM、DAR、Selex、Teledyne等公司已于近15年內先后報道了工作于150~250K溫度的中波以及120~160K溫度的長波碲鎘汞紅外焦平面探測器組件；國內武漢高德公司和華北光電技術研究所已于近兩年報道了工作于120~130K溫度的中波焦平面器件。至今，國內還未有150K以上工作溫度的碲鎘汞焦平面器件相關報道。

據麥姆斯咨詢報道，近日，昆明物理研究所的研究人員在《紅外與激光工程》期刊上發表了題為“高工作溫度p-on-n中波碲鎘汞紅外焦平面器件研究”的最新論文，文中采用As摻雜工藝制備了p-on-n結構碲鎘汞中波焦平面器件（陣列規模640×512、像元中心距15μm），測試了不同工作溫度下的性能和暗電流。研究結果表明，在80K工作溫度下，器件響應表現出高響應均勻性，有效像元率達99.98%；隨著工作溫度升高，器件盲元增多，當工作溫度為150K和180K時，有效像元率降低至99.92%和99.32%。由于對器件擴散電流更好的抑制，器件在160~200K溫度范圍內的暗電流低于Rule-07。并且當工作溫度在150~180K時（300K的背景下），器件具有較好的信噪比，極大程度地體現了高溫工作的可行性。

焦平面器件制備

p-on-n結構中波碲鎘汞焦平面器件通過光刻、離子注入、鈍化、刻蝕、金屬沉積、倒裝互連等工藝制備而成，單元器件結構示意圖如圖1所示。其工藝流程簡述如下：利用液相外延法（LPE）原位摻In制備的n型碲鎘汞吸收層，控制其載流子濃度在5×101?~1×101?cm?3范圍；在碲鎘汞材料表面通過光刻獲得640×512陣列、中心距為15μm的圖形；使用離子注入工藝將計量為8×101?~2×101?cm?2的As注入到材料中，注入能量為300~400keV，通過兩步退火法進行As離子的擴散激活以及電學參數的修復；再利用磁控濺射法在材料表面沉積CdTe和ZnS雙層鈍化層；然后通過光刻和濕法腐蝕工藝制備電極接觸孔，并沉積Cr/Au/Pt/Au金屬電極；最后將探測器芯片與讀出電路倒裝互連，獲得像元尺寸15μm×15μm的640×512陣列p-on-n中波碲鎘汞焦平面探測芯片組。

圖1 碲鎘汞p-on-n器件結構截面示意圖

焦平面器件高溫性能

將p-on-n中波碲鎘汞焦平面器件封裝于變溫杜瓦中，測試其在80~200K溫度下的性能。如圖2所示，器件的NETD由11.5mK變化至25.5mK，其中，當溫度達到150K后，NETD急劇增大。這是由于隨著工作溫度的升高，暗電流增大，1/f噪聲逐漸增加，并且器件中材料的位錯、汞空位等缺陷引起的噪聲，以及材料的厚度和缺陷不均勻性引起的響應不均勻性顯著增加，導致盲元增多。圖3給出了80、120、150、180K溫度下器件的盲元分布圖，有效像元率分別為99.98%、99.97%、99.92%、99.32%，盲元的增多也意味著有效像元率下降（如圖4所示）。當工作溫度為150K時，器件盲元開始增多，有效像元率逐漸降低，然而器件在180K溫度下的有效像元率仍然可以達到99.32%。器件性能隨溫度變化極易產生波動也說明器件現有的品質因子有待進一步提高，關鍵工藝有待進一步優化，從而保證p-on-n碲鎘汞焦平面探測芯片性能隨溫度變化保持相對穩定。

圖2 p-on-n中波碲鎘汞焦平面器件在80~200K溫度范圍的NETD

圖3 p-on-n中波碲鎘汞焦平面器件在80~180K溫度范圍的盲元分布圖

圖4 p-on-n中波碲鎘汞焦平面器件在80~200K溫度范圍的有效像元率

此外，對中波器件的暗電流進行了評估，如圖5（a）所示，器件在150~200K工作溫度之間暗電流的變化（圖中紅線為昆明物理研究所器件暗電流）接近Rule-07的水平，150K下（截止波長4.51μm）器件暗電流為0.75pA。

圖5 150~200K工作溫度下器件暗電流（a）和不同黑體輻射背景溫度下光電流與器件暗電流對比關系圖（b）

圖5（b）所示為不同黑體背景溫度下光電流（F/2，波長3.71~4.51μm，量子效率65%）與器件暗電流對比關系。可以看出，工作溫度在150K、低溫背景250K時，器件仍具有較好的信噪比。此外，從圖6中可以看出，當工作溫度在150~180K之間（30K的背景下），器件都具有較好的信噪比。

圖6 器件在150~200K工作溫度下的暗電流和300K黑體下的光電流

結論

As注入摻雜p-on-n碲鎘汞技術是實現高工作溫度紅外焦平面器件的重要技術路線。文中通過研究p-on-n中波碲鎘汞器件在不同工作溫度下的性能指標，發現隨著溫度升高，NETD逐漸增加，有效像元率逐漸減小。在80~180K工作溫度范圍內，器件有效像元率均可達到99.32%及以上。當工作溫度在150~180K時（300K的背景下），器件都具有較好的信噪比，極大程度地體現了高溫工作的可行性。

doi: 10.3788/IRLA20220150