孔金丞，宋林偉，起文斌，姜軍，叢樹仁，劉燕，榮徽宇，許江明，方東，趙鵬，姬榮斌

（昆明物理研究所，云南 昆明 650223）

0 引言

由于具有帶隙連續(xù)可調(diào)、吸收系數(shù)高、載流子壽命長等優(yōu)點(diǎn)，HgCdTe（MCT）一直是第一代、第二代和第三代高性能紅外探測器的首選材料[1]。經(jīng)過多年的探索和研究，MCT 紅外探測器已經(jīng)成為了目前軍用光電系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的關(guān)鍵核心器件，為海、陸、空等不同應(yīng)用場景的光電探測系統(tǒng)性能的提升提供了基礎(chǔ)技術(shù)保障[2]。當(dāng)下，隨著新一代民用和軍用領(lǐng)域光電探測器系統(tǒng)對性能、功耗、產(chǎn)能和成本等提出了更高的要求，作為關(guān)鍵核心器件的紅外探測器需要向高分辨率、高靈敏度、高工作溫度、多光譜以及甚長波探測等方向發(fā)展，對碲鎘汞薄膜材料尺寸、均勻性、晶體質(zhì)量、產(chǎn)能和成本控制等方面提出了更高要求。國內(nèi)外很多研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)在高質(zhì)量MCT 材料的研發(fā)方面投入巨資，并實(shí)現(xiàn)了技術(shù)的突破，如圖1 展示了不同研究機(jī)構(gòu)的部分報(bào)道情況。

1）國外研究進(jìn)展

目前，國外研發(fā)或生產(chǎn)MCT 薄膜的機(jī)構(gòu)主要有Raytheon、Teledyne、Selex、Lynred（Sofradir）、AIM、BAE 等（如圖1）。

美國Raytheon 主要采用分子束外延（molecular beam epitaxy，MBE）技術(shù)制備大尺寸MCT 材料，所用襯底材料包括碲鋅鎘（CdZnTe,CZT）和硅（Si）[3-4]。在材料尺寸拓展方面，Raytheon 目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了60 mm×60 mm、70 mm×75 mm、80 mm×80 mm 等CZT襯底基MCT 薄膜以及4 英寸、6 英寸、8 英寸等Si 襯底基MCT 薄膜的制備，不僅提升了產(chǎn)能，也為2k×2k、4k×4k、8k×8k 等大規(guī)模探測器的研發(fā)提供了材料技術(shù)支撐。在材料均勻性控制方面，2019 年報(bào)道的8 英寸Si 襯底基MCT 薄膜的組分非均勻性（極差與最小值的百分比）達(dá)到2.2%，78 K 下的波長非均勻性為5%（5.26 μm 截止波長）。在材料表面宏觀缺陷控制方面，6 英寸薄膜的總?cè)毕菝芏饶苓_(dá)到＜10 cm－2，8 英寸薄膜的表面宏觀缺陷密度＜100 cm－2[3]。Raytheon 同時(shí)發(fā)展了富汞垂直液相外延技術(shù)（vertical liquid-phase epitaxy，VLPE），目前報(bào)道的最大尺寸為45 mm×72 mm，厚度均勻性為±0.4 μm，組份均勻性為±0.0006，支撐了高性能短波、中波、長波及甚長波探測器的研制[5-6]。Raytheon 指出，液相外延技術(shù)在提高碲鎘汞薄膜晶體質(zhì)量、降低缺陷密度以及實(shí)現(xiàn)截止波長拓展（0.4～20 μm）等方面有優(yōu)勢，限制其發(fā)展的主要難點(diǎn)為大尺寸CZT 襯底的制備[6]。

美國Teledyne 也采用MBE 技術(shù)制備MCT 材料，目前可實(shí)現(xiàn)70 mm×75 mm、80 mm×80 mm 等大尺寸CZT 基MCT 薄膜的生長[7-8]。2017 年報(bào)道的70 mm×75 mm 尺寸CZT基MCT薄膜在70 mm×70 mm 范圍內(nèi)的厚度標(biāo)準(zhǔn)差為0.06 μm，組分標(biāo)準(zhǔn)差為0.0004，位錯(cuò)腐蝕坑密度（etch pit density，EPD）＜5×105cm－2[7]。英國Selex 則主要采用金屬有機(jī)物汽相外延技術(shù)（metal organic vapour phase epitaxy，MOVPE）在GaAs 襯底上生長MCT 薄膜材料，目前可實(shí)現(xiàn)3 英寸薄膜的生長，薄膜面內(nèi)組分標(biāo)準(zhǔn)差可達(dá)到0.003[9]。

法國Lynred（Sofradir）主要采用液相外延技術(shù)（liquid phase epitaxy,LPE）制備MCT 薄膜材料，目前報(bào)道的最大薄膜尺寸為72 mm×73 mm（CZT 襯底），支撐了2k×2k 規(guī)模探測器的研發(fā)[10]。根據(jù)2020 年的報(bào)道，Sofradir 實(shí)現(xiàn)了直徑5 英寸CZT 晶錠的生長，72 mm×73 mm 尺寸薄膜在50 mm×50 mm 范圍內(nèi)的厚度高差為0.12 μm，波長差為0.02 μm（室溫平均截止波長2.43 μm），X 射線雙峰回?cái)[曲線半峰寬均值（the full width at half maximum of the double crystal rocking curves，DCRC-FWHM）為32 arcsec。

美國BAE 也主要采用液相外延（liquid phase epitaxy，LPE）技術(shù)制備MCT 薄膜材料，具備20 mm×30 mm、30 mm×40 mm、40 mm×60 mm、60 mm×80 mm 等尺寸CZT 基MCT 薄膜的外延生長能力[11]。2004 年報(bào)道的不同批次短波和中波薄膜的平均截止波長標(biāo)準(zhǔn)差為0.7%，平均厚度標(biāo)準(zhǔn)差為2.0%，對于長波和甚長波薄膜則分別為1.0%、1.5%，雙層異質(zhì)結(jié)的EPD值能達(dá)到5×104cm－2以下[11]。

德國AIM 在2013 年報(bào)道的CZT 襯底EPD＜1×105cm－2，可制備的最大尺寸薄膜為60 mm×50 mm，20 cm2面積內(nèi)的中波和長波碲鎘汞薄膜的波長極差為0.05 μm，厚度極差為1.4 μm[12]。

2）國內(nèi)研究進(jìn)展

與國外相比國內(nèi)技術(shù)進(jìn)展較為緩慢。上海技術(shù)物理研究所（Shanghai Institute of Technical Physics，SITP）在2016 年報(bào)道了3 片50 mm×50 mm 尺寸LPE 薄膜的同批次生長能力，組分均方差為0.0004（均值～0.22），厚度均方差為0.4 μm（均值～11 μm），DCRCFWHM＜30 arcsec，EPD＜1×105cm－2[13]。武漢高德紅外股份有限公司（Wuhan Guide）在2020 年報(bào)道了40 mm×50 mm 尺寸LPE 中波薄膜技術(shù)，組分均勻性為0.00065，21 mm×17 mm 尺寸范圍內(nèi)的表面平整度為1.5 μm，表面宏觀缺陷密度≤20 cm－2，表面最大缺陷尺寸≤60 μm，有效支撐了1280×1024（12 μm pitch）規(guī)格探測器的研制[14]。華北光電技術(shù)研究所（North China Research Institute of Electro-Optics，NCRIEO）在2022 年報(bào)道了50 mm×50 mm 尺寸MBE薄膜技術(shù)，組分標(biāo)準(zhǔn)差為0.0002（平均值0.2160），厚度標(biāo)準(zhǔn)差為0.0831 μm（平均值6.06 μm），X 射線雙晶回?cái)[曲線半峰寬DCRC-FWHM＝35±5 arcsec[15]。通過研究國內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢可以發(fā)現(xiàn)，目前的MCT 薄膜主要向大尺寸、高均勻性、低缺陷密度、高晶體質(zhì)量等方向發(fā)展（如圖1 所示），以滿足第三代高性能紅外探測器的發(fā)展需求。為了實(shí)現(xiàn)探測器性能和產(chǎn)出的綜合提升，昆明物理研究所（Kunming Institute of Physics，KIP）在過去幾年間持續(xù)開展高質(zhì)量MCT 薄膜外延技術(shù)的研究并取得了進(jìn)展，采用的技術(shù)路線主要為富碲水平推舟液相外延。本文以MCT外延薄膜的主要質(zhì)量問題及原因分析為出發(fā)點(diǎn)報(bào)道了昆明物理研究所在相關(guān)方面取得的研究進(jìn)展，主要包括襯底質(zhì)量的提升、外延薄膜質(zhì)量的優(yōu)化、襯底及外延尺寸提升以及對探測器技術(shù)的影響和支撐。

圖1 國內(nèi)外MCT 薄膜研發(fā)結(jié)果報(bào)道情況Fig.1 Progress of state-of-the-art MCT growth technology

1 MCT 薄膜的主要質(zhì)量問題及起源

根據(jù)昆明物理研究所長期的科研和生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，阻礙液相外延MCT 薄膜材料質(zhì)量提升的難點(diǎn)主要有：①表面缺陷難以控制；②晶體質(zhì)量難以提升；③薄膜均勻性難以優(yōu)化；④薄膜尺寸難以增大。

圖2 較為充分地展示了液相外延MCT 薄膜存在的主要表面缺陷類型。圖2(a)中的析晶（crystalline defects）、母液殘留（solidified Te-solution）、表面波紋Ⅰ（wavy surface Ⅰ，形狀如山脊）、表面波紋Ⅱ（wavy surface Ⅱ，形狀如山谷）、亂線（streak defects，無規(guī)則聚集的平滑線條）以及“蝌蚪”缺陷(tadpole-like defects，頭部凸起，尾部凹陷）形成于外延生長工藝過程中，主要與石墨舟結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、溫場控制、生長條件等工藝參數(shù)有關(guān)。襯底表面的缺陷或沾污也會(huì)導(dǎo)致外延薄膜表面出現(xiàn)相對應(yīng)的缺陷，降低表面質(zhì)量，如圖2(b)所示。因此，為了獲得表面質(zhì)量優(yōu)越的MCT 外延薄膜，需要對CZT 單晶生長、襯底表面處理以及外延生長等關(guān)鍵工藝進(jìn)行綜合研究，明確每一種缺陷的形成節(jié)點(diǎn)及機(jī)理，并獲得解決方案。

圖2 液相外延MCT 薄膜主要表面缺陷類型：(a) 為外延工藝引入的缺陷；(b) 為碲鋅鎘襯底引入的缺陷Fig.2 Major surface defect types of the MCT epi-layers grown by LPE,including the surface defects introduced from the LPE process (a)and derived from CZT substrates (b)

碲鎘汞外延薄膜的晶體質(zhì)量主要和碲鋅鎘襯底晶向偏角、界面失配、襯底缺陷密度以及外延生長參數(shù)等有關(guān)，襯底晶向偏角大小超過材料生長容忍度、Zn 組份偏離導(dǎo)致晶格失配過大、襯底缺陷密度過大以及外延生長參數(shù)（如溫度、降溫速率）與設(shè)計(jì)波段不匹配等都會(huì)造成外延薄膜晶體質(zhì)量下降，最終影響探測器的性能。外延薄膜均勻性則主要和外延生長工藝有關(guān)，溫場分布不均勻、降溫速率和設(shè)計(jì)波段不匹配、石墨舟結(jié)構(gòu)不合理等造成襯底面內(nèi)不同位置薄膜生長速率不同，從而導(dǎo)致均勻性變差。

昆明物理研究所針對上述因素，對CZT 襯底制備工藝和MCT 薄膜外延生長工藝進(jìn)行了持續(xù)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了碲鋅鎘基碲鎘汞薄膜質(zhì)量、尺寸以及產(chǎn)能的綜合提升。

2 襯底質(zhì)量的提升

2.1 襯底尺寸的增長

CZT 單晶是制備第三代MCT 紅外焦平面探測器的最佳襯底材料，其尺寸是限制高性能大面陣MCT焦平面探測器研制的一大因素，增大襯底尺寸一直是CZT 單晶研究的一個(gè)主要方向。

目前，昆明物理研究所通過改進(jìn)型垂直梯度凝固法（vertical gradient freeze method，VGF）實(shí)現(xiàn)了直徑?90 mm和?120 mm CZT 單晶的批量生產(chǎn)，晶錠照片如圖3(a)所示，主要工藝實(shí)現(xiàn)方法參考了文獻(xiàn)[16]。同時(shí)，我們也改進(jìn)了碲鋅鎘晶片表面處理工藝，完善了不同尺寸碲鋅鎘襯底的機(jī)械拋光、化學(xué)拋光、腐蝕、清洗等表面處理工藝能力，能夠批量制備20 mm×25 mm、25 mm×30 mm、40 mm×50 mm、50 mm×60 mm 以及70 mm×75 mm 等尺寸的高質(zhì)量（111）襯底晶片，用于高質(zhì)量液相外延MCT 薄膜的生長，如圖3(b)所示。

圖3 昆明物理研究所主流CZT 晶錠尺寸(a)和襯底尺寸(b)Fig.3 CZT crystal ingots (a) and substrates (b) size increase at KIP

2.2 缺陷密度控制

在CZT 襯底上采用液相外延技術(shù)生長MCT 外延薄膜的過程中，襯底近表面的沉積相和夾雜相會(huì)在外延薄膜表面形成凹坑等缺陷，襯底中的位錯(cuò)則會(huì)向MCT 外延薄膜延伸形成穿越位錯(cuò)，降低MCT 外延薄膜的質(zhì)量，最終影響MCT 紅外焦平面探測器的性能。因此，低缺陷密度CZT 襯底制備技術(shù)對于高性能MCT 紅外焦平面探測器的研制和生產(chǎn)非常重要。

針對CZT 襯底的沉積相和夾雜相缺陷抑制，昆明物理研究所通過晶錠原位退火、工程化組分偏析抑制等技術(shù)[17-19]實(shí)現(xiàn)了低缺陷密度CZT 襯底的制備。工藝優(yōu)化前，沉積相和夾雜相缺陷尺寸小于5 μm 的占比不足45%；工藝優(yōu)化后，尺寸小于5 μm 的占比提升到了94%以上，其中尺寸小于2 μm 的占比超過了66%，缺陷控制能力明顯提升，如圖4 所示。

圖4 昆明物理所碲鋅鎘襯底沉積相尺寸和密度的優(yōu)化：(a)優(yōu)化前；(b)優(yōu)化后Fig.4 Size and density decrease of precipitates and inclusion in CZT substrates at KIP: (a) Before optimization,(b) After optimization

針對CZT 晶體材料中的位錯(cuò)缺陷，昆明物理所通過長期的生長設(shè)備和生長管的設(shè)計(jì)以及生長工藝參數(shù)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了位錯(cuò)密度的有效抑制。優(yōu)化前，EPD均值在9.0×104cm－2左右，優(yōu)化后EPD 降低到了4.0×104cm－2以下（如圖5），為實(shí)現(xiàn)低缺陷密度液相外延MCT 薄膜的批量生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。

圖5 通過生長工藝優(yōu)化抑制碲鋅鎘襯底的位錯(cuò)腐蝕坑密度Fig.5 Etch pit density(EPD) of CZT substrate obtained from KIP optimized process

2.3 Zn 組份均勻性控制

CZT晶體中的Zn元素分凝系數(shù)大于1（約1.35），采用熔體法生長的CZT 晶體軸向組份不均勻，造成沿生長軸方向和斜向切割的大面積CZT 晶片組份不均勻。Zn 組份含量的不均勻，將導(dǎo)致晶體晶格常數(shù)的不均勻，引起外延薄膜晶格畸變，形成應(yīng)力區(qū)。這種應(yīng)力在MCT 薄膜的外延生長過程中會(huì)形成高密度位錯(cuò)，影響MCT 外延薄膜晶體質(zhì)量。

為了獲得Zn 組份均勻的CZT 晶片，昆明物理研究所開展了CZT 晶體定向生長技術(shù)研究，突破了生長方向控制、生長速率控制以及Cd 分壓控制等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了垂直于碲鋅鎘晶錠生長方向的橫向切割，獲得了滿足生長方向要求的CZT 晶圓，改善了CZT 襯底的Zn 組份均勻性。圖6 為CZT 定向生長技術(shù)突破前（6(a)）以及突破后（6(b)、6(c)）生長的CZT晶片實(shí)物圖和晶片面內(nèi)Zn 組份分布圖。從圖中可以清晰看出，在定向生長技術(shù)突破前，40 mm×50 mm 面積CZT 襯底的Zn 組份極差（最大值－最小值）為1.37%；定向生長技術(shù)攻克后，?120 mm 晶圓面積內(nèi)的Zn 組份極差僅為0.36%，Zn 組份均勻性得到了顯著改善，為提高批量研制的芯片均勻性、產(chǎn)品一致性及甚高分辨率大面陣MCT 紅外探測器的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

圖6 采用優(yōu)化工藝后的?120 mm 碲鋅鎘晶圓Zn 組分分布：(a) 優(yōu)化前；(b)(c) 優(yōu)化后Fig.6 Zn content distribution over a ?120 mm CZT wafer made from optimized crystal growth process: (a) Before optimization;(b)(c)After optimization

2.4 襯底面形控制

MCT 薄膜材料面形較差時(shí)會(huì)影響光刻等探測器制造工藝的精度，也會(huì)降低MCT 芯片與讀出電路之間的連通率，最終影響探測器芯片的性能。為了實(shí)現(xiàn)多管芯大面積材料批量流片，降低探測器芯片成本，同時(shí)滿足高分辨率探測器芯片規(guī)模增加的需要，提高M(jìn)CT 薄膜材料面形控制能力變得尤為重要。而MCT薄膜及芯片的面形直接地受到CZT 襯底面形的影響，控制CZT 襯底面形是高質(zhì)量CZT 襯底制備的難點(diǎn)之一。CZT 屬于軟脆晶體，其面形受損傷層殘余應(yīng)力的影響較大，昆明物理研究所通過磨拋參數(shù)優(yōu)化、損傷層去除和控制、增加過程檢驗(yàn)控制點(diǎn)等手段實(shí)現(xiàn)了碲鋅鎘晶片表面處理工藝的改進(jìn)，提升了大尺寸襯底面形控制能力，70 mm×75 mm 面積CZT（111）襯底的峰谷值（peak to valley，PV）可控制到5 μm 以下（如圖7 所示），為甚高分辨率大面陣探測器的研發(fā)和探測器芯片批生產(chǎn)能力提升提供了保障。

圖7 70 mm×75 mm 面積CZT 襯底面形典型測試結(jié)果(a)和工藝優(yōu)化前后襯底PV 值的變化(b)Fig.7 Measurements of topography via an optical interferometry(Zygo) (a) and the variation of PV before and after optimization (b)for 70 mm×75 mm CZT substrates

3 外延薄膜質(zhì)量的優(yōu)化

3.1 薄膜缺陷控制及晶體質(zhì)量的提升

MCT 薄膜的表面缺陷對焦平面探測器最直接的影響是導(dǎo)致盲元的增加，部分碲鋅鎘襯底表面附近的沉積相和夾雜相缺陷還會(huì)導(dǎo)致外延MCT 薄膜相應(yīng)位置周圍位錯(cuò)增殖，不僅影響焦平面探測器盲元數(shù)，也導(dǎo)致不穩(wěn)定像元增加；位錯(cuò)缺陷密度的增加以及晶體質(zhì)量的下降還會(huì)直接導(dǎo)致探測器暗電流的增大，降低探測器的性能，尤其是對于長波、甚長波探測器以及高工作溫度（high operating temperature，HOT）探測器的影響更為顯著。

昆明物理研究所已經(jīng)初步明確了薄膜缺陷的起源和影響因素，從襯底位錯(cuò)缺陷抑制和外延生長工藝優(yōu)化等角度進(jìn)行了持續(xù)改進(jìn)，MCT 外延薄膜的位錯(cuò)腐蝕坑密度顯著降低，目前均值在5×104cm－2的水平，如圖8 所示。

圖8 昆明物理研究所MCT 外延薄膜的位錯(cuò)腐蝕坑密度（EPD）Fig.8 Improvements of EPD values of MCT epi-layers grown by LPE at KIP

Zn 組份決定了CZT 襯底的晶格常數(shù)，從而決定了薄膜與襯底的晶格匹配情況，晶格失配過大會(huì)導(dǎo)致失配位錯(cuò)的產(chǎn)生并降低晶體質(zhì)量。昆明物理研究所研究了襯底Zn 組份與MCT 薄膜半峰寬的關(guān)系（如圖9(a)），由此能夠?qū)w質(zhì)量進(jìn)行控制和提升，目前薄膜半峰寬普遍≤35 arcsec，部分可達(dá)到≤25 arcsec 的水平，和國外報(bào)道的先進(jìn)水平相當(dāng)[20]，為高性能紅外探測器的研發(fā)提供了高質(zhì)量的MCT 薄膜。當(dāng)襯底與薄膜的晶格失配較大時(shí)，薄膜表面形貌質(zhì)量也會(huì)受到影響，具體表現(xiàn)為粗糙度大。因此為了獲得表面光滑平整的薄膜，需要挑選合適Zn 組份的襯底。然而對于大尺寸碲鎘汞薄膜的生長，所需的大尺寸碲鋅鎘襯底難以保證面內(nèi)Zn 組份都控制在合適范圍內(nèi)，從而造成薄膜表面質(zhì)量存在漸變的現(xiàn)象，如圖9(b)所示。昆明物理研究所在實(shí)現(xiàn)了大尺寸碲鋅鎘晶體定向生長之后解決了這個(gè)問題，由于大尺寸襯底面內(nèi)Zn 組份均勻性優(yōu)越，所生長50 mm×60 mm 大尺寸薄膜整個(gè)面內(nèi)光滑，同時(shí)還實(shí)現(xiàn)了表面缺陷的有效抑制。

圖9 昆明物理研究所MCT 薄膜半峰寬與襯底Zn 組分關(guān)系(a)及50 mm×60 mm MCT 薄膜表面粗糙度改善(b)Fig.9 Mean DCRC FWHM values measured as a function of zinc content (a) and surface roughness improvements(b) of MCT epi-layers prepared at KIP

3.2 薄膜均勻性控制

MCT薄膜的均勻性會(huì)直接影響探測器的響應(yīng)均勻性，較差的均勻性還會(huì)導(dǎo)致探測器制造工藝難度增大，影響制造成品率和產(chǎn)品性能。因此提高薄膜材料的均勻性對實(shí)現(xiàn)高性能探測器的研制及量產(chǎn)至關(guān)重要。

對于液相外延技術(shù)，MCT 外延薄膜的均勻性主要和石墨舟結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、外延溫場控制以及外延過程的降溫速率等因素有關(guān)。昆明物理通過外延相關(guān)工藝參數(shù)的持續(xù)優(yōu)化，薄膜均勻性的控制能力取得了進(jìn)展。如圖10 為數(shù)百個(gè)樣本的50 mm×60 mm 面積長波和中波薄膜的均勻性情況，95%以上的長波薄膜厚度極差能夠控制在≤±1.25 μm（圖10(a)），波長極差能夠控制在≤±0.1 μm（圖10(b)）；中波薄膜則分別能夠控制到≤±1 μm、≤±0.05 μm（圖10(c)和10(d)），目前還在持續(xù)改善過程中。薄膜均勻性控制技術(shù)的提升為實(shí)現(xiàn)高性能探測器的批量生產(chǎn)提供了材料技術(shù)保障。

圖10 昆明物理研究所50 mm×60 mm MCT 薄膜厚度和截止波長均勻性：(a)(b)長波MCT；(c)(d)中波MCTFig.10 Thickness and cut-off wavelength variation over the epi-layer area of 50 mm×60 mm MCT epi-layers at KIP: (a)(b)Long wavelength MCT;(c)(d) Middle wavelength MCT

3.3 薄膜電學(xué)參數(shù)控制

MCT 薄膜材料中的汞空位是受主點(diǎn)缺陷，通過適當(dāng)?shù)臒崽幚砉に囅瘴?，并降低溫度抑制本征載流子濃度，材料將以剩余施主激發(fā)的電子為主進(jìn)行導(dǎo)電。低溫下的載流子濃度和遷移率將能夠有效反映薄膜材料的晶體質(zhì)量，高質(zhì)量的薄膜材料是制備高性能紅外探測器的關(guān)鍵；同時(shí)載流子濃度的穩(wěn)定性能夠直接反映材料的一致性和制備工藝的可重復(fù)性，提高載流子濃度穩(wěn)定性對保證探測器的性能以及提升批產(chǎn)能力至關(guān)重要。

通過碲鋅鎘襯底制備、襯底表面處理以及碲鎘汞外延生長工藝的綜合優(yōu)化，昆明物理研究所液相外延薄膜材料的載流子濃度控制能力持續(xù)提升，中波和長波MCT 外延薄膜N 型載流子濃度能夠控制在1×1014～3×1014cm－2之間（優(yōu)化之前的波動(dòng)范圍超過1×1014～10×1014cm－2），遷移率實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)步提升，長波材料均值達(dá)到了1×105cm2/Vs 以上，中波材料達(dá)到了6×104cm2/Vs 以上，如圖11 所示為數(shù)百個(gè)抽樣樣本的測試和統(tǒng)計(jì)結(jié)果。載流子濃度的離散性減小與遷移率的增大說明材料質(zhì)量和一致性得到提升，外延薄膜制備工藝的控制能力和重復(fù)性達(dá)到了較高水平。

圖11 昆明物理研究所MCT 薄膜材料的載流子濃度和遷移率：(a)(b)長波MCT；(c)(d)中波MCTFig.11 Carrier concentration and mobility measurements of hundreds of MCT epi-layers grown by LPE at KIP: (a)(b)Long wavelength MCT;(c)(d) Middle wavelength MCT

3.4 外延薄膜尺寸增大及對探測器技術(shù)的支撐

基于以上所述的CZT 生長、CZT 表面處理以及MCT 薄膜液相外延生長等技術(shù)水平的綜合提升，目前昆明物理研究所具備了20 mm×25 mm、25 mm×30 mm、40 mm×50 mm、50 mm×60 mm 等尺寸碲鎘汞外延薄膜的大批量生產(chǎn)能力，以及70 mm×75 mm大尺寸MCT 薄膜的小批量制造能力（如圖12(a)），材料的質(zhì)量和均勻性達(dá)到了較高水平，能夠滿足目前高性能制冷型紅外探測器的研制和生產(chǎn)需求。MCT 外延薄膜尺寸的增大對探測器芯片制造工藝能力的提升有益。如圖12(b)所示，20 mm×25 mm 尺寸MCT外延薄膜只能制備2 個(gè)640×512（15 μm pitch）規(guī)格的探測器芯片，而25 mm×30 mm、40 mm×50 mm、50 mm×60 mm 尺寸的外延薄膜則分別可以制備4、15、24 個(gè)探測器芯片。面積的增大有效提升了材料和探測器芯片生產(chǎn)效率，推動(dòng)了探測器產(chǎn)能的提升，降低了生產(chǎn)成本。

更重要的是，大尺寸MCT 薄膜材料制備技術(shù)的突破有力支撐了大面陣探測器的研制。以材料技術(shù)為支撐，昆明物理研究所采用基于CZT 襯底的液相外延MCT 薄膜研制出了2048×2048（15 μm pitch）、2048×2048（18 μm pitch）[21]、4096×4096（15 μm pitch）等規(guī)格探測器芯片（圖12(c)、12(d)、12(e)），得益于小晶格失配的高質(zhì)量外延薄膜，因而探測器綜合性能較Si、Ge 等異質(zhì)襯底MCT 薄膜具有顯著優(yōu)勢。

圖12 LPE MCT 尺寸的增大推動(dòng)了探測器生產(chǎn)效率的提升，單片薄膜可制備24 個(gè)640×512 (15 μm pitch）芯片(a)，(b)；同時(shí)實(shí)現(xiàn)了2048×2048（15 μm pitch）、2048×2048（18 μm pitch）、4096×4096（15 μm pitch）大面陣探測器芯片的研制(c)，(d)，(e)Fig.12 LPE MCT epi-layers size increase enabled up to 24 640×512(15 μm pitch)infrared arrays on one single epi-layer (a),(b);shown in(c),(d),(e) were 2048×2048(15 μm pitch),2048×2048(18 μm pitch),4096×4096 (15 μm pitch) infrared sensor chip assemblies(SCAs)made from KIP LPE MCT on CZT respectively

4 探測器驗(yàn)證結(jié)果

4.1 長波和HOT 探測器

R0A是光伏型紅外探測器零偏壓時(shí)的動(dòng)態(tài)電阻R0和光敏元面積A的乘積，R0A值越大，暗電流越小，能夠很好地表征紅外探測器的品質(zhì)[22]?；陧阡\鎘晶體生長、碲鎘汞液相外延外延薄膜制備以及探測器工藝技術(shù)的綜合提升，昆明物理研究所碲鎘汞探測器暗電流控制能力得到了顯著提升。如圖13 所示，采用汞空位和Au 摻雜n-on-p 技術(shù)研制的長波探測器暗電流分別達(dá)到了AIM 公司提出的本征摻雜和非本征摻雜經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ退絒23]；采用p-on-n 技術(shù)研制的長波和甚長波探測器的暗電流也達(dá)到了先進(jìn)水平，部分探測器的R0A值能夠略微高于Rule 07 模型[24]，多個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的擬合曲線則同Rule 07 模型吻合得較好。暗電流水平的提升充分說明昆明物理研究所的液相外延薄膜材料制備技術(shù)和探測器工藝技術(shù)都達(dá)到了較高水平，目前已經(jīng)能夠有效支撐高性能長波、甚長波、HOT 探測器的研制。如圖14 展示了14.97 μm 截止波長碲鎘汞甚長波焦平面探測器的性能，探測器信號響應(yīng)均勻，盲元較少，噪聲等效溫差（noise-equivalent temperature difference,NETD）達(dá)到20.2 mK，成像質(zhì)量優(yōu)越，該結(jié)果已在參考文獻(xiàn)[22]中作了詳細(xì)報(bào)道。

圖13 碲鎘汞探測器R0A 值與77 K 截止波長的關(guān)系Fig.13 MCT detector R0A product versus cutoff wavelength at 77 K,summarized with bibliographic data

圖14 昆明物理研究所碲鎘汞甚長波紅外焦平面探測器性能測試結(jié)果：(a) 熱響應(yīng)分布圖；(b) 盲元分布圖；(c) NETD 直方圖；(d) 紅外成像圖[22]Fig.14 The performance of VLWIR FPA prepared at KIP: (a) Thermal response mapping;(b) Bad pixel mapping;(c) NETD histogram;(d) Infrared image

高質(zhì)量碲鎘汞材料制備技術(shù)同時(shí)支撐了HOT探測器的研制。如圖15 展示了HOT 中波紅外焦平面探測器的性能測試結(jié)果，在80～150 K 溫度下，探測器的NETD 由11.5 mK 變化至12.5 mK，從150～200 K 溫度下，由12.5 mK 變化至25.5 mK，性能優(yōu)良。80 K、120 K、150 K、180 K 溫度下的有效像元率分別優(yōu)于99.98%、99.97%、99.92%、99.32%，該結(jié)果已在參考文獻(xiàn)[25]中作了詳細(xì)報(bào)道。

圖15 昆明物理研究所HOT 中波紅外焦平面探測器性能測試結(jié)果：(a) 80～200 K 的NETD；(b) 80～180 K 的盲元分布圖[25]Fig.15 The performance of HOT MWIR FPA prepared at KIP: (a) NETD from 80 K to 200 K;(b) Bad pixel mapping from 80 K to 180 K[25]

4.2 大面陣探測器

除了長波、甚長波及HOT 焦平面探測器，大面陣探測器也是未來的一個(gè)重要發(fā)展方向，主要用于我國新一代航天、航空及航海領(lǐng)域。材料尺寸和質(zhì)量的提升是發(fā)展大面陣探測器的重要前提之一，直接影響了高性能焦平面探測器的研制進(jìn)度。昆明物理研究所通過有效抑制碲鋅鎘襯底缺陷密度，提升Zn 組份均勻性，提高碲鎘汞薄膜材料均勻性和晶體質(zhì)量，同時(shí)優(yōu)化大尺寸芯片制造加工技術(shù)，目前已經(jīng)先后實(shí)現(xiàn)了2048×2048（15 μm pitch）、2048×2048（18 μm pitch）、4096×4096（15 μm pitch）等大面陣探測器的研制，信號響應(yīng)均勻性良好，有效像元率優(yōu)于99.5%，如圖16 所示。

5 結(jié)論

本文報(bào)道了昆明物理研究所液相外延MCT 外延薄膜材料技術(shù)的進(jìn)展。目前已經(jīng)突破了?120mm CZT晶體定向生長和缺陷控制技術(shù)，結(jié)合碲鋅鎘晶片表面處理工藝的優(yōu)化和液相外延生長技術(shù)的進(jìn)步，實(shí)現(xiàn)了20 mm×25 mm、25 mm×30 mm、40 mm×50 mm、50 mm×60 mm 等一系列尺寸高質(zhì)量（111）襯底和MCT薄膜的大批量生產(chǎn)以及70 mm×75 mm 尺寸的小批量制備能力，70 mm×75 mm 尺寸襯底的面形PV 值能達(dá)到5 μm 以下。液相外延MCT 薄膜的位錯(cuò)密度均值為5×104cm－2，大部分薄膜FWHM≤35 arcsec，部分可控制到≤25 arcsec 水平；50 mm×60 mm 尺寸長波碲鎘汞薄膜的厚度極差≤±1.25 μm，室溫波長極差≤±0.1 μm，中波薄膜厚度和波長極差分別為≤±1 μm、≤±0.05 μm。高質(zhì)量MCT 材料制備技術(shù)的進(jìn)步提升了高性能制冷型探測器的量產(chǎn)能力，也支撐了高性能長波、甚長波、HOT 探測器以及2048×2048、4096×4096 等甚高分辨率高性能探測器的研制。