俞見云，孔金丞，覃 鋼，楊 晉，宋林偉，叢樹仁，李艷輝

基于非平衡模式的碲鎘汞高工作溫度探測(cè)器

俞見云，孔金丞，覃 鋼，楊 晉，宋林偉，叢樹仁，李艷輝

（昆明物理研究所，云南 昆明 650223）

本文回顧了當(dāng)前國(guó)內(nèi)外高工作溫度碲鎘汞紅外探測(cè)器的技術(shù)路線和相應(yīng)的器件性能，在碲鎘汞器件暗電流的溫度特性分析的基礎(chǔ)上，討論了基于非平衡工作模式的碲鎘汞探測(cè)器的基本原理、器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和暗電流機(jī)制，探討了吸收層全耗盡碲鎘汞器件性能與器件結(jié)構(gòu)參數(shù)、材料晶體質(zhì)量的關(guān)系，明確了其技術(shù)要點(diǎn)和難點(diǎn)，展望了碲鎘汞高工作溫度器件技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

碲鎘汞；非平衡；俄歇抑制；全耗盡；高工作溫度

0 引言

持續(xù)提高光子型紅外探測(cè)器的工作溫度是紅外探測(cè)技術(shù)從第3代向第4代發(fā)展過程中的一個(gè)重要方向。碲鎘汞材料具有卓越的紅外光電性能，其在高性能光子型紅外探測(cè)器技術(shù)領(lǐng)域一直占據(jù)著主導(dǎo)地位[1-2]。目前，世界各研究機(jī)構(gòu)正致力于將碲鎘汞基紅外焦平面探測(cè)器的工作溫度提高到室溫，以滿足系統(tǒng)對(duì)紅外探測(cè)器的小尺寸、輕重量、低功耗、高可靠性及高環(huán)境適應(yīng)性等使用需求[3-5]。使紅外探測(cè)器工作在接近室溫的條件下仍然保持較高的探測(cè)性能，是高工作溫度（High Operation Temperature，HOT）紅外探測(cè)領(lǐng)域亟需解決的首要問題。

為了提高紅外探測(cè)器的工作溫度，德國(guó)AIM、法國(guó)Lynred、英國(guó)Selex、美國(guó)Raytheon、美國(guó)TIS（Teledyne Imaging Sensor）等公司先后采用Hg空位n-on-p、非本征摻雜型n-on-p、p-on-n以及非平衡P＋/ν(p)/N＋等技術(shù)途徑開展了HOT器件的研制工作。

德國(guó)AIM基于Hg空位n-on-p結(jié)構(gòu)器件通過優(yōu)化材料與器件工藝將工作溫度提升到了120K[6]。但由于Hg空位在禁帶中形成的深能級(jí)缺陷會(huì)降低材料的少子壽命，進(jìn)而限制Hg空位n-on-p結(jié)構(gòu)器件工作溫度的提升，因此該結(jié)構(gòu)器件從原理上不能繼續(xù)提高工作溫度。隨后，AIM公司報(bào)道了基于Au摻雜P型的n-on-p結(jié)構(gòu)碲鎘汞HOT器件，Au摻雜替代汞位可以有效減少作為深能級(jí)缺陷的汞空位濃度，提高探測(cè)器的性能[6]。AIM公司基于該技術(shù)開發(fā)的中波器件工作溫度提高到160K[6]。然而Au摻雜碲鎘汞材料中AuHg伴隨著VHg存在，且Au的擴(kuò)散速度非常快，同時(shí)可控的低濃度Au摻雜難以實(shí)現(xiàn)，限制了Au摻雜碲鎘汞器件工作溫度的進(jìn)一步提升。相較于n-on-p結(jié)構(gòu)器件，非本征摻雜p-on-n結(jié)構(gòu)器件具有吸收層少子壽命更長(zhǎng)、摻雜濃度更穩(wěn)定可控等優(yōu)勢(shì)，在相同的工作溫度下具有更低的暗電流。德國(guó)AIM公司和法國(guó)Lynred公司采用液相外延（liquid phase epitaxy，LPE）原位In摻雜并結(jié)合As離子注入技術(shù)開發(fā)了p-on-n型碲鎘汞器件，中波探測(cè)器工作溫度達(dá)到160K[7-8]。但由于p-on-n結(jié)構(gòu)器件缺乏對(duì)俄歇復(fù)合過程的有效抑制，其工作溫度上限受到限制。根據(jù)以上總結(jié)分析，目前所發(fā)展的n-on-p和p-n-on結(jié)構(gòu)都難以大幅度提高探測(cè)器的工作溫度并接近室溫。為了實(shí)現(xiàn)這一目的，需要對(duì)器件的結(jié)構(gòu)作進(jìn)一步的優(yōu)化和改進(jìn)，目前有很多研究機(jī)構(gòu)對(duì)此進(jìn)行了研究[9-11]。波蘭Vigo系統(tǒng)公司采用p＋BpnN＋勢(shì)壘阻擋型碲鎘汞器件通過抑制SRH（Shockley Read Hall）產(chǎn)生-復(fù)合電流來提高探測(cè)器的工作溫度[9]，但其Type-I型能帶配置使得價(jià)帶帶階的調(diào)控存在較大的困難[4]，目前未見到較為成熟的焦平面探測(cè)器產(chǎn)品報(bào)道。1985年，英國(guó)皇家信號(hào)和雷達(dá)機(jī)構(gòu)的Elliott和Ashley提出非平衡（Non-equilibrium）工作模式HOT紅外焦平面探測(cè)器結(jié)構(gòu)，他們指出該結(jié)構(gòu)能夠克服汞空位摻雜型n-on-p器件吸收區(qū)少子壽命短、非本征摻雜型n-on-p及p-on-n型器件高溫下載流子濃度過高等問題，有效抑制了碲鎘汞基紅外探測(cè)器難以克服的俄歇復(fù)合電流[10-11]，有望使探測(cè)器的工作溫度逐步提高并接近室溫。

考慮到非工作模式探測(cè)器結(jié)構(gòu)在實(shí)現(xiàn)高工作溫度方面具有理論上的優(yōu)勢(shì)，本文討論了基于非平衡工作模式的碲鎘汞HOT器件的基本原理、器件結(jié)構(gòu)和研究進(jìn)展，并展望了未來碲鎘汞高溫探測(cè)器的研究方向。

1 非平衡模式器件結(jié)構(gòu)及原理

1.1 俄歇抑制型器件

非平衡工作模式器件結(jié)構(gòu)是在傳統(tǒng)p-on-n結(jié)構(gòu)的理論基礎(chǔ)上逐漸發(fā)展出來的。如圖1所示為傳統(tǒng)p-on-n結(jié)構(gòu)和非平衡工作模式器件結(jié)構(gòu)在不同工作模式的碲鎘汞器件摻雜濃度及能帶示意圖[12]。

圖1(a)為傳統(tǒng)雙層平面異質(zhì)結(jié)p-on-n探測(cè)器結(jié)構(gòu)，其空間電荷區(qū)較短，準(zhǔn)中性區(qū)較長(zhǎng)，理想的Auger-1復(fù)合限的p-on-n探測(cè)器暗電流密度表示如下[12]：

式中：為單元電荷；為電子濃度；為吸收層厚度；i為本征載流子濃度；A為Auger-1壽命。N型材料Auger-1壽命與空穴、電子和本征載流子濃度及本征Auger-1壽命Ai相關(guān)，具體如下[1-2]：

圖1 不同工作模式碲鎘汞器件能帶示意圖: (a) 傳統(tǒng)非俄歇抑制型p-on-n; (b) 俄歇抑制型; (c) 深度俄歇抑制型; (d) 全耗盡型

對(duì)于本征或高工作溫度條件，≌＝i，可以得到暗電流如下：

從式(3)可以看出，在本征工作區(qū)的碲鎘汞器件暗電流與材料的摻雜濃度無關(guān)，主要由本征載流子決定。本征載流子濃度n隨溫度升高呈指數(shù)增長(zhǎng)，當(dāng)p-on-n探測(cè)器工作溫度上升到本征溫度區(qū)時(shí)俄歇復(fù)合急劇增加導(dǎo)致暗電流劇增，限制了探測(cè)器性能。因此，在較高溫度下有效抑制（俄歇抑制）本征熱載流子濃度是提升探測(cè)器工作溫度的關(guān)鍵。

圖1(b)、(c)、(d)為非平衡模式P＋/(p)/N＋碲鎘汞器件的能帶結(jié)構(gòu)圖。在P＋/p/N＋結(jié)構(gòu)中，P＋-p結(jié)形成排斥結(jié)，p-N＋結(jié)作為抽取結(jié)；在P＋//N＋結(jié)構(gòu)中，-N＋結(jié)形成排斥結(jié)，P＋-結(jié)形成抽取結(jié)。以P＋//N＋為例，所謂的抽取結(jié)本質(zhì)上就是p-n結(jié)，由低摻雜的吸收區(qū)與高摻雜的P＋區(qū)組成，P＋區(qū)采用寬帶隙材料，吸收層采用窄帶隙材料。由于內(nèi)建電場(chǎng)的存在，吸收區(qū)的少子（空穴）擴(kuò)散到結(jié)區(qū)會(huì)被快速抽取至P＋區(qū)，因此非平衡模式P＋/ν(π)/N＋碲鎘汞器件可以有效實(shí)現(xiàn)俄歇抑制。

所謂的排斥結(jié)就是對(duì)多數(shù)載流子沒有阻礙作用，但能阻止少數(shù)載流子注入[13]。在排斥結(jié)中，N＋區(qū)采用寬帶隙，由于結(jié)的兩邊都是N型摻雜，當(dāng)器件工作在反偏狀態(tài)下，由于抽取結(jié)的存在，區(qū)的空穴被抽走，空穴濃度降低，需從N＋區(qū)補(bǔ)充。但由于N＋區(qū)沒有足夠的少子注入到吸收區(qū)，導(dǎo)致吸收區(qū)空穴濃度降低，在排斥結(jié)的區(qū)存在一個(gè)空間電荷中立區(qū)，滿足條件[13]：

－＋d＝0 (4)

式中：是電子濃度；是空穴濃度；d是施主濃度，在區(qū)降低到一個(gè)較小值時(shí)，吸收區(qū)電子濃度也降低到非本征水平d以維持電中性。圖2所示為275K溫度下組分＝0.28、d－a＝1014cm－3時(shí)-N＋排斥結(jié)器件的載流子分布[13]。

一維條件下電子濃度滿足連續(xù)性方程[13]：

式中：n為電子擴(kuò)散系數(shù)；為總的產(chǎn)生率；為總的復(fù)合率。電子速度n＝－n，類似的空穴速度p＝＋p。其中是電場(chǎng)強(qiáng)度，可以通過下式關(guān)聯(lián)到施加偏壓下的電流：

圖2 排斥結(jié)電子（實(shí)線）和空穴（虛線）濃度分布

對(duì)于空穴而言，連續(xù)性方程與上述類似。對(duì)于所有的復(fù)合過程中產(chǎn)生復(fù)合項(xiàng)G-R包含了一個(gè)因子（00-），其中前一項(xiàng)是平衡態(tài)下的電子與空穴濃度。在排斥結(jié)中較小，在數(shù)值分析中可以忽略的值，只剩下產(chǎn)生部分的貢獻(xiàn)。在實(shí)際的器件結(jié)構(gòu)中可以通過設(shè)計(jì)使得俄歇復(fù)合過程遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其他復(fù)合，這樣產(chǎn)生速率基本上是一個(gè)常數(shù)，可以假設(shè)擴(kuò)散部分在此區(qū)域可以忽略。空穴的連續(xù)性方程可以簡(jiǎn)化為：

式中：是一個(gè)常數(shù)，約等于排斥區(qū)SRH復(fù)合過程，帶入＝/(n＋p)，同樣忽略擴(kuò)散過程，－＝d，可以得到在載流子濃度在排斥結(jié)中的分布如下：

在P＋/ν/N＋結(jié)構(gòu)中，探測(cè)器吸收區(qū)處于非平衡模式，吸收區(qū)的載流子濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于本征載流子濃度（＝d?i），從而達(dá)到俄歇抑制的效果。

1.2 吸收層全耗盡型器件

俄歇抑制型器件結(jié)構(gòu)使得吸收層載流子濃度降低到非本征摻雜濃度從而抑制器件暗電流。當(dāng)吸收層摻雜濃度進(jìn)一步降低到背景濃度（～1013cm－3）時(shí)，在較小的偏壓下吸收層完全耗盡，從而使得擴(kuò)散電流被消除，此時(shí)器件暗電流受限于SRH產(chǎn)生-復(fù)合電流。若碲鎘汞中SRH壽命足夠長(zhǎng)，光電二極管暗電流足夠小，器件在近室溫工作時(shí)仍能達(dá)到背景限性能（background radiation-limited performance, BLIP）[3,14-15]。

圖1(d)為吸收層全耗盡型器件結(jié)構(gòu)。器件具有如下關(guān)鍵特征[16]：

1）吸收層被寬帶隙重?fù)诫s的P＋層（Cap）和N＋層（Buffer）夾在中間以抑制暗電流的產(chǎn)生；

2）吸收層的n型摻雜濃度足夠低，在適度的偏壓下能夠全耗盡；

3）寬帶隙P＋層用來抑制器件的隧穿電流及表面漏電流，降低表面態(tài)相關(guān)的低頻噪聲。

在一定的偏壓下實(shí)現(xiàn)全耗盡需要足夠低的摻雜濃度，耗盡寬度與偏壓及摻雜濃度關(guān)系如下[2]：

圖3為實(shí)現(xiàn)5mm厚度中波器件吸收層全耗盡需要的摻雜濃度及偏壓關(guān)系[3]。當(dāng)摻雜濃度在1015cm－3水平時(shí)，要實(shí)現(xiàn)5mm厚的吸收層全耗盡需偏壓加至10～30V；若摻雜濃度達(dá)到低系數(shù)的1013cm－3水平時(shí)，只需要0.4V的偏壓既能實(shí)現(xiàn)5mm吸收層的全耗盡。

圖3 不同濃度下實(shí)現(xiàn)碲鎘汞中波5mm吸收層全耗盡所需偏壓

Inset: absorber depletion thickness versus reverse bias and selected doping concentration

注：中間插圖為特定摻雜濃度下實(shí)現(xiàn)全耗盡需要的偏壓

2 非平衡模式器件技術(shù)研究進(jìn)展

2.1 國(guó)外研究進(jìn)展

基于以上分析可知，非平衡模式碲鎘汞探測(cè)器在實(shí)現(xiàn)高工作溫度方面具有較大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，自提出以來吸引了眾多國(guó)外研究機(jī)構(gòu)對(duì)其性能進(jìn)行計(jì)算和仿真模擬，理論計(jì)算有助于通過能帶工程進(jìn)行器件結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，為該類型器件的制備奠定了基礎(chǔ)。

2007年，美國(guó)TIS的W. E. Tennant基于吸收層摻雜濃度1～3×1015cm－3的p-on-n結(jié)構(gòu)器件暗電流測(cè)試結(jié)果，提出了擴(kuò)散限碲鎘汞器件性能預(yù)測(cè)模型“Rule 07”[17-18]，Rule 07自提出以來就成為衡量紅外探測(cè)器性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)，在碲鎘汞紅外探測(cè)器及ⅢⅤ族（XBn-InAsSb及二類超晶格）紅外探測(cè)器性能預(yù)測(cè)和衡量方面得到廣泛運(yùn)用。隨后，TIS進(jìn)一步研究指出，俄歇抑制碲鎘汞紅外探測(cè)器暗電流水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于Rule 07，如圖4所示[12]。

圖4 截止波長(zhǎng)10mm的俄歇抑制p-on-n探測(cè)器暗電流密度隨溫度變化曲線

由于目前的p-on-on技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)對(duì)俄歇復(fù)合過程的有效抑制，限制了碲鎘汞HOT器件的性能提升，吸收層全耗盡型探測(cè)器因此被提出。2019年，美國(guó)TIS的Donald Lee等人基于全耗盡型P＋/v/N＋器件暗電流機(jī)制對(duì)器件極限性能進(jìn)行了理論分析計(jì)算，提出了新的性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，即“Law 19”[16]。在新的理論下，器件吸收區(qū)全耗盡并實(shí)現(xiàn)了俄歇消除且SRH壽命足夠高，器件能夠工作在背景限。圖5為短波（SWIR：c＝3mm），中波（MWIR：c＝5mm）和長(zhǎng)波（LWIR：c＝10mm）探測(cè)器暗電流隨溫度變化的Rule 07與Law 19曲線[3]。從圖中可以看出，隨著波長(zhǎng)延長(zhǎng)及溫度升高，滿足Law19條件的器件暗電流比滿足Rule 07條件的器件表現(xiàn)出越來越明顯的性能優(yōu)勢(shì)。

圖5 不同組分下Law 19與Rule 07計(jì)算得到暗電流密度隨溫度變化曲線

全耗盡型探測(cè)器為了達(dá)到背景輻射電流限，吸收層的產(chǎn)生-復(fù)合電流需要足夠低，即dep＝Rad。計(jì)算結(jié)果表明，在300K下短波、中波和長(zhǎng)波達(dá)到背景限所需SRH壽命分別為15ms、150ms和28ms[3]。這對(duì)材料晶體質(zhì)量提出了嚴(yán)苛的要求，需要全面改進(jìn)材料生長(zhǎng)工藝，降低缺陷密度，提高晶體質(zhì)量。圖6所示為工作溫度50K、100K、200K、300K背景限下全耗盡型探測(cè)器與其他研究機(jī)構(gòu)報(bào)道探測(cè)器的暗電流密度比較[3]。從圖中可以看出背景限下工作的全耗盡型器件暗電流密度均低于其他材料體系，且隨著溫度升高截止波長(zhǎng)增大（c較大），基于全耗盡型非平衡模式碲鎘汞器件暗電流的優(yōu)勢(shì)變得更大。

圖6 全耗盡型器件暗電流與其他體系探測(cè)器暗電流對(duì)比

波蘭軍事技術(shù)大學(xué)Krzysztof JO′ Z′Wikowski等人2019年也對(duì)其所設(shè)計(jì)的長(zhǎng)波P＋/π(v)/N＋結(jié)構(gòu)器件進(jìn)行了數(shù)值模擬，通過在吸收層上下邊界加入勢(shì)壘層優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)，模擬結(jié)果表明長(zhǎng)波器件量子效率能達(dá)70%，300K下歸一化探測(cè)率達(dá)109cmHz1/2W－1（c＝10.6mm）[19]。2020年意大利都靈理工大學(xué)的Marco Vallone等人報(bào)道了俄歇抑制型非平衡模式器件性能模擬，由于較低的摻雜難以實(shí)現(xiàn)，器件性能仿真時(shí)采用的摻雜濃度在1014～1015cm－3之間，結(jié)果表明碲鎘汞探測(cè)器要實(shí)現(xiàn)高溫工作對(duì)剩余施主濃度要求嚴(yán)格，吸收層厚度對(duì)暗電流的減小效果較微弱[20]。2021年Antoni Rogalski對(duì)高工作溫度紅外探測(cè)器極限性能進(jìn)行了研究，認(rèn)為碲鎘汞器件極限性能目前還未實(shí)現(xiàn)，基于全耗盡結(jié)構(gòu)的碲鎘汞探測(cè)器摻雜濃度需5×1013cm?3在TIS得以實(shí)現(xiàn)，背景限下工作的碲鎘汞探測(cè)器當(dāng)波長(zhǎng)超過3mm時(shí)高溫下的潛在探測(cè)率比Rule 07預(yù)測(cè)的值高一個(gè)數(shù)量級(jí)[3]。

對(duì)以上相關(guān)計(jì)算和仿真模擬進(jìn)行總結(jié)分析，為了進(jìn)一步提升高性能碲鎘汞探測(cè)器的工作溫度，采用非平衡模式是未來的重要發(fā)展方向。然而要真正實(shí)現(xiàn)非平衡模式探測(cè)器的研制，除了通過能帶工程進(jìn)行器件結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)外，目前在工程實(shí)現(xiàn)方面還存在很多難點(diǎn)，其中最主要的是高質(zhì)量材料的制備和吸收層低濃度摻雜的實(shí)現(xiàn)。在材料制備方面，非平衡模式碲鎘汞器件為多層異質(zhì)結(jié)，液相外延制備具有較大的困難，國(guó)際上多采用分子束外延（molecular beam epitaxy, MBE）或金屬有機(jī)氣相沉積（metalorganic chemicalvapor deposition, MOCVD）技術(shù)，目前也取得了進(jìn)展[21-25]。

此外，非平衡模式碲鎘汞器件關(guān)鍵之一是對(duì)吸收層摻雜濃度的控制，目前有很多國(guó)外研究對(duì)實(shí)現(xiàn)吸收層低濃度摻雜的研究以及相應(yīng)探測(cè)器的性能進(jìn)行了報(bào)道。2006年，英國(guó)Selex公司報(bào)道了基于MOCVD技術(shù)的中波P＋/π/N＋碲鎘汞紅外探測(cè)器的研制，吸收區(qū)π層采用原位As摻雜技術(shù)，摻雜濃度設(shè)計(jì)值2.5×1015/cm－3，器件在210K溫度下工作時(shí)的NETD達(dá)到51mK（4.2mm@210K），當(dāng)工作溫度進(jìn)一步升高時(shí)，1/f噪聲限制了其性能[21]。2014年，Selex報(bào)道了其第三代HOT中波器件，他們采用MOVPE生長(zhǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了3×1015/cm－3的P型摻雜及2×1014/cm－3的N型摻雜，采用0.97W功耗就能保證探測(cè)器組件在217K工作溫度下穩(wěn)定工作，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定成像（凝視時(shí)間26ms）[22]。通過工藝技術(shù)的攻關(guān)，Selex公司同時(shí)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了非平衡模式中波探測(cè)器產(chǎn)品的制備，工作溫度為160K，規(guī)格為640×512，像元中心距為16mm，具體性能指標(biāo)如表1所示。

2010年，美國(guó)DRS公司報(bào)道了基于HDVIP結(jié)構(gòu)的非平衡模式中波紅外碲鎘汞高溫器件，包括P＋/P－/N＋和P＋/N－/N＋兩種結(jié)構(gòu)，制備了640×480規(guī)格、像元間距12mm中波紅外探測(cè)器（4.8mm@160K），具體性能指標(biāo)如表1所示。P＋/N－/N＋結(jié)構(gòu)中波器件N－區(qū)采用In摻雜，P＋采用Cu摻雜實(shí)現(xiàn)，工作溫度能達(dá)160～170K，NETD小于25mK；P＋/P－/N＋結(jié)構(gòu)中波器件P－區(qū)采用As離子摻雜，摻雜濃度在1.5×1015/cm－3左右，該器件在190K、F#/3條件下NETD小于30mK，在240K、F#/1條件下NETD小于25mK[23]。2008年ARL與EPIR報(bào)道了室溫P＋/π/N＋俄歇抑制型長(zhǎng)波器件，該器件采用一種新穎的As離子注入結(jié)合擴(kuò)散激活退火技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)π區(qū)的低濃度摻雜，工作溫度在130K以上時(shí)能實(shí)現(xiàn)俄歇抑制，300K時(shí)暗電流減少50%[24]。ARL長(zhǎng)波紅外P＋/π/N＋結(jié)構(gòu)器件π區(qū)實(shí)現(xiàn)了濃度為中系數(shù)1015cm－3的可控?fù)诫s，300K溫度下-曲線在反向偏壓約為0.5V時(shí)觀察到明顯的微分負(fù)阻現(xiàn)象，表明俄歇過程得到了有效的抑制[24]。波蘭華沙軍事技術(shù)大學(xué)2011年報(bào)道了采用MOCVD技術(shù)生長(zhǎng)的P＋/π/N＋結(jié)構(gòu)探測(cè)器，其采用TDMAAs替代AsH3進(jìn)行P型摻雜，摻雜濃度5×1015/cm－3～5×1017cm－3，有效提高了少子壽命，使得器件在230K工作溫度下0提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)[25]。

美國(guó)TIS公司對(duì)非平衡模式碲鎘汞器件技術(shù)進(jìn)行了大量的理論與實(shí)驗(yàn)研究，在實(shí)現(xiàn)吸收層低濃度摻雜方面取得了良好的進(jìn)展，從而提高了探測(cè)器的性能，2016年報(bào)導(dǎo)的俄歇抑制碲鎘汞紅外探測(cè)器的暗電流水平已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于Rule 07[12,26]。隨后，美國(guó)TIS公司在2019年實(shí)現(xiàn)了吸收層摻雜濃度低至2～5×1013cm－3的P＋/ν/N＋結(jié)構(gòu)器件的制備，低摻雜濃度吸收層使得該器件在較低的偏壓下實(shí)現(xiàn)吸收層的全耗盡，從而有效抑制了Aguer-1復(fù)合過程，使得中波探測(cè)器在超過200K溫度下工作時(shí)的暗電流水平仍然能夠保持在背景輻射限[16]?？傊諏拥牡蜐舛葥诫s是實(shí)現(xiàn)非平衡模式的關(guān)鍵點(diǎn)和難點(diǎn)，然而目前的進(jìn)展較為緩慢，需要該領(lǐng)域的研究者開發(fā)更有效的技術(shù)實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的突破。

表1 國(guó)外主流公司碲鎘汞HOT探測(cè)器產(chǎn)品[27-30]

2.2 國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展

國(guó)內(nèi)高工作溫度碲鎘汞探測(cè)器技術(shù)發(fā)展較為緩慢，目前正處于起步階段。2017年昆明物理研究所（Kunming Institute of Physics，KIP）報(bào)道了基于Hg空位n-on-p技術(shù)的110K中波碲鎘汞探測(cè)器的研制工作，在110K下NETD為19.3mK，有效像元率達(dá)99.33%[31]；2020年華北光電技術(shù)研究所（North China Research Institution of Electro-Optics）報(bào)道了基于非本征摻雜p-on-n技術(shù)的120K中波器件，在120K工作溫度下NETD為22.6mK，有效像元率為99.19%[32]；2020年武漢高德紅外股份有限公司（Wuhan Guide Infrared Co., LTD）報(bào)道了基于n-on-p技術(shù)路線的120K中波探測(cè)器研制，其組件的平均NETD在110K以下基本保持不變，120K下略有增加（14.5mK），有效像元率大于99.65%[33]。圖7為國(guó)內(nèi)主要研究機(jī)構(gòu)報(bào)道的器件性能圖，目前未見工作溫度高于140K的碲鎘汞紅外探測(cè)器產(chǎn)品報(bào)道。目前國(guó)內(nèi)高工作溫度碲鎘汞探測(cè)器技術(shù)路線主要以p-on-n為主，也是未來幾年重點(diǎn)投入的一個(gè)方向，p-on-n技術(shù)路線雖然能夠提升探測(cè)器的工作溫度，但是由于高溫下無法實(shí)現(xiàn)俄歇抑制，探測(cè)器的工作溫度提升能力方面與非平衡模式相比存在差距，而國(guó)內(nèi)目前還未見非平衡模式器件技術(shù)的相關(guān)報(bào)道。因此，為了實(shí)現(xiàn)高性能HOT器件的研制，未來國(guó)內(nèi)還需要在非平衡模式器件方向開展更多的研發(fā)工作，提高我國(guó)在未來高性能HOT探測(cè)器領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)力。

圖7 國(guó)內(nèi)主要研究機(jī)構(gòu)報(bào)道高溫碲鎘汞器件性能

3 小結(jié)及展望

從碲鎘汞HOT器件技術(shù)發(fā)展歷程及其技術(shù)路線特點(diǎn)可以看出，最早得到發(fā)展的碲鎘汞HOT器件基于Hg空位的n-on-p技術(shù)，通過優(yōu)化材料晶體質(zhì)量提高探測(cè)器工作溫度，但受限于其自身Hg空位帶來的深能級(jí)缺陷限制其工作溫度的進(jìn)一步提高。Au摻雜n-on-p與Hg空位n-on-p技術(shù)相比在一定程度上提高了少子壽命使得紅外探測(cè)器可以在更高的溫度下工作，但工作溫度進(jìn)一步提升受制于不能對(duì)高溫下本征載流子濃度進(jìn)行有效抑制。碲鎘汞HOT器件路線之三是非本征摻雜p-on-n技術(shù)，此技術(shù)路線在世界主流紅外探測(cè)器機(jī)構(gòu)得到大力發(fā)展且取得了較好的成績(jī)，國(guó)內(nèi)昆明物理研究所和華北光電技術(shù)研究所目前基于這一路線正在研發(fā)階段，可以預(yù)見這一技術(shù)是未來幾年國(guó)內(nèi)重點(diǎn)發(fā)展的一個(gè)方向，但此技術(shù)在高溫下仍缺乏對(duì)本征載流子濃度的有效抑制，限制其工作溫度進(jìn)一步提升。第四條技術(shù)路線是nBn勢(shì)壘型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，理論上高溫下能實(shí)現(xiàn)對(duì)多數(shù)載流子的有效阻斷，從而可以較大地提升探測(cè)器工作溫度，但由于該結(jié)構(gòu)在碲鎘汞體系下工程實(shí)現(xiàn)具有較大的困難，目前還難以進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用[34-35]。第五條技術(shù)路線就是基于非平衡模式P＋/π()/N＋器件，該結(jié)構(gòu)通過多層異質(zhì)結(jié)和不同摻雜濃度的有效結(jié)合形成抽取結(jié)及排斥結(jié)，在高溫下能夠有效實(shí)現(xiàn)載流子濃度的抑制，隨著與之相關(guān)的工藝水平進(jìn)一步提高，該技術(shù)路線近年來得到迅速發(fā)展。

非平衡工作模式P＋/π(ν)/N＋器件理論已經(jīng)提出30多年，相關(guān)基礎(chǔ)理論較為成熟。早期主要受限于高質(zhì)量多層異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料生長(zhǎng)工藝、材料背景雜質(zhì)控制、低損傷器件制備工藝等技術(shù)難點(diǎn)，限制了HOT器件技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。近十多年來，隨著材料與器件制備工藝的成熟，通過能帶工程設(shè)計(jì)材料生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)有效抑制隧穿電流，通過極低濃度的摻雜進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)吸收區(qū)的全耗盡，非平衡模式P＋/π(ν)/N＋結(jié)構(gòu)探測(cè)器有望實(shí)現(xiàn)近室溫紅外探測(cè)。

在非平衡模式碲鎘汞器件研制方面，美國(guó)TIS公司通過吸收層低濃度摻雜及材料晶體質(zhì)量控制，實(shí)現(xiàn)了2～5×1013cm－3范圍摻雜濃度可控及長(zhǎng)SRH壽命，報(bào)道了近室溫的全耗盡型焦平面探測(cè)器。根據(jù)以上分析，未來實(shí)現(xiàn)碲鎘汞高溫探測(cè)器的近室溫探測(cè)最有潛力的技術(shù)路線是吸收層全耗盡型器件。但目前只有TIS公司報(bào)道實(shí)現(xiàn)1013cm－3濃度摻雜，只有DRS及TIS報(bào)道了SRH壽命達(dá)ms量級(jí)的材料制備。要實(shí)現(xiàn)高性能近室溫碲鎘汞探測(cè)器的制備還有很多技術(shù)需要突破，可以預(yù)見未來基于全耗盡型碲鎘汞HOT焦平面器件研制工作主要包括：1）基于能帶工程的器件結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)；2）實(shí)現(xiàn)可控的吸收層低濃度（1013cm－3）穩(wěn)定摻雜技術(shù)；3）高晶體質(zhì)量低缺陷密度的異質(zhì)結(jié)材料制備技術(shù)。

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High Operation Temperature Non-equilibrium Photovoltaic HgCdTe Devices

YU Jianyun，KONG Jincheng，QIN Gang，YANG Jin，SONG Linwei，CONG Shuren，LI Yanhui

(Kunming Institute of Physics, Kunming 650223, China)

In this paper, we review both domestic and foreign state-of-the-art high operation temperature (HOT) MCT infrared detector technologies and their corresponding device performance. Based on the analysis of the characteristics of dark current versus temperature, we summarize the working principles under the non-equilibrium operation mode, device structure design and the origin of the dark current. We also determined the relationship between the performance of the fully depleted absorber device, device structure parameters, and material quality. We also discuss the technical key points of the development of a non-equilibrium operation-mode HOT infrared photodetector. Further development HOT MCT infrared detector technologies is expected.

HgCdTe, non-equilibrium, auger suppression, fully depleted, HOT

TN215

A

1001-8891(2023)01-0015-08

2021-12-15；

2022-04-11.

俞見云（1990-），男，云南曲靖人，工程師，碩士研究生，研究方向是光電材料。E-mail: y976321338@163.com。

孔金丞（1979-），男，云南南華人，研究員級(jí)高級(jí)工程師，博士生導(dǎo)師，主要從事光電材料與器件研究。E-mail: Kongjincheng@163.com。

基礎(chǔ)加強(qiáng)計(jì)劃技術(shù)領(lǐng)域項(xiàng)目（2019-JCJQ-JJ527）。