碲镉汞（Hg 1-xCd xTe，以下简称MCT，其中x为Cd的组分）是一种直接带隙的半导体材料，具有可调的禁带宽度，可以覆盖从短波、中波、长波以及甚长波整个红外波段，成为一种理想的红外探测器材料，目前也被广泛应用于各类红外探测器的制备。
据麦姆斯咨询报道，近日，中电科光电科技有限公司（简称“电科光电”） 的研究人员在《激光与红外》期刊上发表了题为“甚长波碲镉汞红外探测器制备研究”的最新论文，通过对p-on-n型碲镉汞材料生长及芯片制备工艺进行优化，最终制备出像元中心距25μｍ、阵列规格640×512的甚长波碲镉汞芯片及微型杜瓦组件样品，在65K的工作温度下，该器件的截止波长为14.35μｍ，有效像元率为98.06％，平均峰值探测率为8.09×10¹⁰ cm·Hz1/2 /W。
图1（a）和图1（b）分别为制备的p-on-n型台面型焦平面器件的像元阵列在显微镜下的图像和单元结构示意图，该器件的阵列规格为640×512，像元间距为25μｍ；像元为台面结构，采用In柱互连方案。其中采用In掺杂的n型层材料作为光敏元区，其载流子浓度可以控制在较低的浓度水平，该材料的少子寿命和扩散长度等性能指标均优于p型材料，因此采用该n型吸收层材料制备的器件可以获得更低的暗电流水平。这一结构是针对提升长波及甚长波碲镉汞红外探测器的性能需求而发展起来的技术路线，对于中短波器件，n型吸收层材料的高迁移率对减小器件的串联电阻也是有利的，能够实现更高的工作温度。为抑制表面漏电，器件采用了双层组分异质（DLHJ）结构，该工艺是由美国Lockheed Martin IR Imaging System等公司发展起来的，器件采用台面结和CdTe钝化工艺。目前，该技术为美国雷神和BAE公司制备长波、甚长波以及高温工作碲镉汞红外焦平面器件的主流技术路线。
图1 台面型甚长波红外焦平面阵列的实物图及像元结构示意图
台面型焦平面器件的制备
本文采用ICP干法刻饰和湿化学腐蚀相结合的工艺来分离光敏感元的微台面列阵，再经过表侧壁钝化、金属化合铟柱制备和互连等工艺获得了640×512、25μｍ像元中心间距的p ⁺-on-n台面结器件。图2为制备的台面结构与侧壁钝化后的扫描电子显微镜（SEM）图，测试结果表明甚长波640×512台面型器件中，各像元的台面结构和占空比具有较好的一致性和均匀性，并获得了良好的侧壁钝化效果。
图2 甚长波焦平面像元阵列及像元钝化膜剖面的SEM图
甚长波红外探测器的光电性能表征
甚长波640×512碲镉汞芯片通过倒装互连与读出电路进行耦合，然后经退火回流工艺处理，装入到金属真空杜瓦中，适配斯特林制冷机，从而制备出碲镉汞甚长波红外探测器微杜瓦组件样品。然后在65K左右的工作温度下，对该组件的光电性能进行了测试评价。
该甚长波红外探测器的光谱响应测试结果如图3所示，通过提升碲镉汞材料的组分和厚度均匀性，在该甚长波640×512探测器芯片上，不同区域像元的后截止波长基本上控制在14.25~14.35μｍ的范围，展现了非常良好的光谱响应一致性。
图3 甚长波640×512探测器芯片不同区域像元的光谱响应测试结果
探测器的性能测试如图4所示，盲元率为1.90％，盲元分布非常分散，主要是来自材料缺陷、器件工艺中引起的噪声较大的过热盲元，未产生较大的盲元簇，探测器芯片的峰值探测率和响应率不均匀性分别8.09×10¹⁰ cm·Hz1/2 /W和11.33％，NETD达到34.15mK。
图4 640×512元甚长波红外探测器芯片的20℃电平图及盲元（20℃/35℃）
图5 甚长波640×512探测器组件成像图（65K）
结论
本文总结了基于p-on-n异质结技术制备了甚长波碲镉汞红外探测器的主要进展情况，通过对p-on-n型碲镉汞材料生长及芯片制备工艺进行优化，获得了缺陷密度更低的高质量甚长波碲镉汞双层异质结薄膜材料以及像元中心距25μｍ、性能更好的640×512甚长波碲镉汞芯片。主要性能指标测试及成像结果表明，该甚长波640×512碲镉汞探测器制冷组件的性能良好，已经可以达到实用化的应用要求，成像效果清晰。后续研究正在进行中，主要集中在更高的信噪比、更低盲元率和更长波段以及更高的工作温度等四个方向上，此类型碲镉汞甚长波红外探测器的研制成果，将有助于推进对低温目标的空间探测、气象分析等装备对甚长波红外探测器的广泛应用需求。
延伸阅读：
《光谱成像市场和趋势-2022版》
《新兴图像传感器技术、应用及市场-2021版》
《小型、微型和芯片级光谱仪技术及市场-2020版》 返回搜狐，查看更多