高工作温度中波红外碲镉汞焦平面研究

该文报道了昆明物理研究所高工作温度中波红外碲镉汞焦平面探测器器件的研究情况。通过优化焦平面器件结构参数,采用As离子注入形成p-on-n平面结器件技术,在液相外延生长的高质量原位In掺杂的碲镉汞薄膜上制备了阵列规格为640×512@15μm的中波红外焦平面探测器。利用变温杜瓦测试了焦平面芯片在不同工作温度下的光谱响应、器件暗电流、噪声等效温差、有效像元率以及盲元分布等,测试结果表明器件具备180K以上工作温度的能力。     

长波p-on-n碲镉汞红外焦平面器件高温工作性能

碲镉汞材料为窄禁带半导体,随着工作温度的升高,材料本征载流子浓度会增加,探测器截止波长会变短,暗电流增加等,会导致器件性能降低。碲镉汞红外探测器通常在77 K温度附近工作并获得很好的探测性能,但低温工作会增加探测器的制备成本、功耗、体积和重量等。为了解决这些问题,在保证探测器正常工作性能的前提下,提升探测器的工作温度是碲镉汞红外探测器的重要研究方向。p-on-n结构的碲镉汞红外焦平面器件具有低暗电流、长少子寿命等特点,有利于在高工作温度条件下获得较好的器件性能。在不同工作温度下对p-on-n长波焦平面探测器的性能进行测试分析,在110 K时p-on-n长波碲镉汞红外焦平面探测器噪声等效温差（Noise Equivalent Temperature Difference , NETD）为25.3 mK,有效像元率为99.48%,在高温条件下具备较优的工作性能。     

p-on-n长波、甚长波碲镉汞红外焦平面器件技术研究

As注入掺杂的p-on-n结构具有暗电流小、R₀A值高、少子寿命长等优点,是长波、甚长波碲镉汞红外焦平面器件发展的重要趋势。介绍了由昆明物理研究所研究制备的77 K温度下截止波长为9.5 μm、10.1 μm和71 K下14.97 μm 的p-on-n长波、甚长波碲镉汞红外焦平面器件,对器件的响应率、NETD、暗电流及R₀A等性能参数进行测试分析。测试结果表明,器件的有效像元率在99.78%~99.9%之间,器件的NETD均小于21 mK。实现了p-on-n长波、甚长波碲镉汞红外焦平面器件的有效制备。     

碲镉汞高工作温度红外探测器

基于当前红外探测器技术的发展方向,从高工作温度红外探测器应用需求的角度分析了碲镉汞高工作温度红外探测器在组件重量、外形尺寸、功耗、环境适应性及可靠性方面的优势。总结了欧美等发达国家在碲镉汞高工作温度红外探测器研究方面的技术路线及研究现状。从器件暗电流和噪声机制的角度分析了碲镉汞光电器件在不同工作温度下的暗电流和噪声变化情况及其对器件性能的影响;总结了包括基于工艺优化的Hg空位p型n-on-p结构碲镉汞器件、基于In掺杂p-on-n结构和Au掺杂n-on-p结构的非本征掺杂碲镉汞高工作温度器件、基于nBn势垒阻挡结构的碲镉汞高工作温度器件及基于吸收层热激发载流子俄歇抑制的非平衡模式碲镉汞高工作温度器件在内的不同技术路线碲镉汞高工作温度器件的基本原理,对比分析了不同技术路线碲镉汞高工作温度器件的性能及探测器制备的技术难点。在综合分析不同技术路线高温器件性能与技术实现难度的基础上展望了碲镉汞高工作温度器件技术未来的发展方向,认为基于低浓度掺杂吸收层的全耗尽结构器件具备更好的发展潜力。     

As注入长波碲镉汞红外探测器工艺研究

p-on-n结构的碲镉汞红外探测器具有长的少子寿命、低暗电流、高R0A值等优点,是高温器件、长波甚长波器件发展的重要器件结构.而国内还鲜有砷注入掺杂p-on-n长波HgCdTe探测器的相关报道,为了满足军事、航天等领域对高性能长波探测器迫切的应用需求,针对As离子注入的长波p-on-n碲镉汞红外探测器退火工艺技术进行研...     

低暗电流高温工作碲镉汞红外探测器制备技术

报道了与传统的n-on-p结构相比具有更低暗电流的p+-on-n型碲镉汞红外探测器的研究进展。通过水平滑舟富碲液相外延生长的方法在碲锌镉衬底上原位生长In掺杂碲镉汞n型吸收层材料,然后再分别采用As离子注入技术和富汞垂直液相外延技生长技术实现了P型As外掺杂的p+-on-n型平面型和双层异质结台面型两种结构的芯片制备。碲镉汞探测器的主要缺点是需要低温制冷,期望碲镉汞探测器在不降低性能的前提下具有更高的工作温度(High Operating Temperature,HOT),成为红外探测器技术发展的主要方向。本文对基于标准的n-on-p(Hg空位)掺杂工艺及新研制的p-on-n型As离子注入及异质结制备技术的探测器进行了高温性能测试,测试结果表明采用p-on-n型的碲镉汞探测器能够实现更高的工作温度。     

通过成结模拟器研究n+-n--p碲镉汞高温探测器

第三代红外探测器发展的一个重要方向是高工作温度探测器。对于碲镉汞n-on-p探测器而言,n⁺-n^--p结构以及良好的钝化工艺能够有效的抑制暗电流的产生,从而在高工作温度条件下获得较好的探测器性能。基于自行开发的成结模拟器,对n⁺-n^--p结构的高温器件进行了工艺仿真和器件仿真,获得成结过程的制备参数,并结合抑制表面漏电的组分梯度钝化工艺,将高工作温度下的暗电流抑制至理论极限,研制出可以在更高温度工作下的碲镉汞n-on-p红外焦平面探测器。经测试,中波n-on-p红外焦平面器件在不同工作温度下性能优异,在80K工作温度下噪声等效温差（NETD）达到了6.1 mK,有效像元率为99.96%;而在150K工作温度下噪声等效温差（NETD）为11.0 mK,有效像元率为99.50%,达到了同类器件的理论极限。     

长波p-on-n碲镉汞红外焦平面器件研究进展

与n-on-p材料相比,p-on-n材料具有更低的暗电流和更高的工作温度,更适于长波以及高温工作碲镉汞红外焦平面器件。介绍了法国Sofradir公司、美国Raytheon Vision Systems公司以及国内的华北光电技术研究所和昆明物理研究所在长波p-on-n器件上的研究进展。     

子像元结构碲镉汞光伏器件暗电流特性的研究

针对碲镉汞光伏器件的暗电流随着物理面积增大而急剧增加,研究了子像元结构在降低大面积短波碲镉汞光伏器件暗电流方面的有效性。发现子像元结构在室温下相比常规结构可以有效降低器件的暗电流,但当温度降到180 K时,常规结构器件反而具有最小的暗电流,经过分析认为是子像元边界处引入的表面漏电所致。如果器件的表面态密度和表面固定电荷过多,会使得子像元边界在低温下引入表面隧穿电流和表面欧姆电流,这些与边界有关的表面漏电会成为低温下暗电流的主要成分,从而使子像元结构失去降低器件暗电流的优势。文章中同时给出了低温下子像元结构可以有效降低器件暗电流的条件,并针对不同的子像元结构,提出了漏电体积这一参量来评价不同结构子像元降低器件暗电流的效果。     

中波碲镉汞p-on-n高温工作技术研究

针对碲镉汞中波p-on-n技术进行研究,采用二次离子质谱仪分析注入后及退火后As离子在碲镉汞材料中的浓度分布,使用透射电镜表征激活退火后离子注入损伤修复状态,通过半导体参数测试仪评价pn结的IV特性,将探测器芯片装在变温杜瓦中测试其不同温度下的焦平面技术指标。研究结果表明,As离子注入后在碲镉汞体内形成大量缺陷,经过富汞退火后缺陷得到修复,同时As离子进一步向内扩散,制备的pn结工作稳定表明As离子得到有效激活,制备的中波p-on-n探测器芯片在120 K温度下有效像元率可以达到99%以上。     

Processing of LPE-Grown HgCdTe for MWIR Devices Designed for High Operating Temperatures

Significant improvements of HgCdTe (MCT) detectors for the midwave infrared (MWIR) region with cutoff wavelength of about 5.2 μm at 77 K have been achieved. Optimizing the CdTe passivation proved to be a decisive step towards higher operating temperatures. The optimization was done by refining the interdiffusion process of the CdTe passivation layer with the liquid phase epitaxy-grown layer. The dark current density was reduced almost to the level of Rule 07, a common infrared detector benchmark. Additionally, improving the passivation process also decreased tunneling. These advancements also showed up in the focal-plane array (FPA) performance. A considerable reduction of the noise-equivalent temperature difference at temperatures above 130 K was attained. Based on these preliminary results, an operating temperature for these devices of more than 160 K is expected. Additionally, infrared (IR) pictures taken with a MWIR MCT-based FPA processed with the previous, slightly improved technology are presented. It is shown that good picture quality is attained at operating temperature of 140 K while retaining operability of 99.61%.     

LWIR HgCdTe on Si detector performance and analysis

We have fabricated a series of 256 pixel×256 pixel, 40 μm pitch LWIR focal plane arrays (FPAs) with HgCdTe grown on (211) silicon substrates using MBE grown CdTe and CdSeTe buffer layers. The detector arrays were fabricated using Rockwell Scientific’s double layer planar heterostructure (DLPH) diode architecture. The 78 K detector and focal plane array (FPA) performance are discussed in terms of quantum efficiency (QE), diode dark current and dark current operability. The FPA dark current and the tail in the FPA dark current operability histograms are discussed in terms of the HgCdTe epitaxial layer defect density and the dislocation density of the individual diode junctions. Individual diode zero bias impedance and reverse bias current-voltage (I-V) characteristics vs. temperature are discussed in terms of the dislocation density of the epitaxial layer, and the misfit stress in the epitaxial multilayer structure, and the thermal expansion mismatch in the composite substrate. The fundamental FPA performance limitations and possible FPA performance improvements are discussed in terms of basic device physics and material properties.     

碲镉汞离子注入温度研究

作为pn结成型的重要参数,离子注入温度对晶格缺陷和材料扩散的影响较大。在碲镉汞的离子注入过程中,注入温度很大程度上影响着注入区的尺寸与光刻掩膜的形貌。从离子注入工艺的温度控制出发,研究了该工艺中的束流、注入能量、接触面粗糙度等因素;结合器件的I-V曲线,探究了注入温度对碲镉汞红外探测器性能的影响。结果表明,较低的注入束流、冷却温度以及良好的导热面,可以保证实际注入温度低于光刻胶的耐受温度,从而提高工艺过程的成品率。同时,较低的注入温度对于减小暗电流及注入区扩散面积起到了一定的作用,提高了碲镉汞红外探测器光敏元的性能。     

金掺杂碲镉汞红外探测材料及器件技术

采用金掺杂替代作为深能级缺陷中心的汞空位,可明显提高P型碲镉汞材料少子寿命,进而降低以金掺杂P型材料为吸收层n-on-p型碲镉汞器件的暗电流,明显提升了n-on-p型碲镉汞器件性能,是目前高灵敏度、高分辨率等高性能n-on-p型长波/甚长波以及高工作温度中波碲镉汞器件研制的一种技术路线选择。本文在分析评述金掺杂碲镉汞材料现有研究技术要点的基础上,结合昆明物理研究所目前的研究成果,总结了碲镉汞金掺杂相关工艺技术,重点分析了金掺杂对碲镉汞器件性能的影响。     

碲镉汞线性雪崩焦平面器件评价及其应用(特邀)

碲镉汞线性雪崩焦平面探测器具有高增益、高带宽及低过剩噪声等特点,在航空航天、天文观测、军事装备及地质勘探等领域展现了巨大的应用潜力。目前,国内已经开展了碲镉汞线性雪崩焦平面器件的研制工作,但缺乏评价其性能的方法及标准,同时对其的应用仍然处于探索阶段。首先分析了表征线性雪崩焦平面器件性能的关键参数,同时基于碲镉汞线性雪崩焦平面器件的特点,探讨了雪崩焦平面器件在主/被动红外成像、快速红外成像等领域的应用,最后对碲镉汞雪崩焦平面器件的未来发展进行了展望。     

Fabrication and characterization of two-color midwavelength/long wavelength HgCdTe infrared detectors

High-performance 20-μm unit-cell two-color detectors using an n-p⁺-n HgCdTe triple-layer heterojunction (TLHJ) device architecture grown by molecular beam epitaxy (MBE) on (211)-oriented CdZnTe substrates with midwavelength (MW) infrared and long wavelength (LW) infrared spectral bands have been demonstrated. Detectors with nominal MW and LW cut-off wavelengths of 5.5 μm and 10.5 μm, respectively, exhibit 78 K LW performance with >70 % quantum efficiency, reverse bias dark currents below 300 pA, and RA products (zero field of view, 150-mV bias) in excess of 1×10³ Ωcm². Temperature-dependent current-voltage (I–V) detector measurements show diffusion-limited LW dark current performance extending to temperatures below 70 K with good operating bias stability (150 mV ± 50 mV). These results reflect the successful implementation of MBE-grown TLHJ detector designs and the introduction of advanced photolithography techniques with inductively coupled plasma (ICP) etching to achieve high aspect ratio mesa delineation of individual detector elements with benefits to detector performance. These detector improvements complement the development of high operability large format 640×480 and 1280×720 two-color HgCdTe infrared focal plane arrays (FPAs) to support third generation forward looking infrared (FLIR) systems.     

γ辐照导致中波碲镉汞光伏器件暗电流退化的机理研究

针对红外探测器在空间应用中受到高能粒子辐照后暗电流退化的问题,开展射线对中波碲镉汞（HgCdTe）光伏器件暗电流影响的研究。在室温和77 K温度下,利用60Co-射线对HgCdTe器件进行辐照试验,辐照试验结束后对低温辐照器件进行77 K低温退火和室温退火。通过比较辐照前后和退火后器件的I-V特性、R-V特性和零偏动态电阻R0参数,分析了辐照对HgCdTe器件暗电流的影响机制。试验结果表明:在总剂量为7 Mrad（Si）照条件下,器件暗电流未出现明显的退化;在77 K温度辐照条件下,器件暗电流随着总剂量的增加而增加,且暗电流退化幅度与辐照过程中的偏置有关。研究表明暗电流的退化源于辐照在器件中造成电离损伤,导致器件HgCdTe化层中的界面态和空穴陷阱电荷密度增加。