同时模式的中波/长波碲镉汞双色红外探测器

采用光刻胶喷涂技术,突破了碲镉汞双色探测器加工的非平面离子注入和金属化开口等工艺.基于分子束外延(MBE)和原位掺杂技术生长的p3-p2-P1型碲镉汞(Hg1-xCdxTe)多层异质结材料,通过MW光电二极管n型注入区的开口刻蚀、非平面的MW/LW同步B+注入、台面侧向钝化和爬坡金属化,得到了同时模式的128×128面阵MW/LW双色探测器.在液氮温度下,MW/LW双色探测器两个波段的光电二极管截止波长λc分别为5.10μm和10.10μm,对应的峰值探测率Dλp*分别为2.02×1011cmHz1/2/W和3.10×1010cmHz1/2/W.通过对同时模式双色探测器材料与芯片结构的优化设计,HgCdTe双色探测器MW向LW、LW向MW的光谱串音分别抑制到了3.8%和4.4%.     

128×128短波/中波双色红外焦平面探测器

首次在国内报道了128×128面阵短波/中波（SW/MW）双色碲镉汞（HgCdTe）红外焦平面探测器（infrared focal plane arrays, IRFPAs）的研究成果.基于由采用分子束外延（MBE）和原位掺杂技术生长的ppPN型碲镉汞（Hg1-xCdxTe）多层异质结材料,通过B+注入、台面腐蚀、台面侧向钝化和爬坡金属化,以及双色探测芯片与读出电路（Readout Integrated Circuit,ROIC）混成互连等工艺,得到了128×128面阵双色焦平面探测器.通过湿化学腐蚀方法的优化,将光敏元尺寸为（50×50）μm2的双色微台面探测器的占空比提高了一倍.该面阵双色红外焦平面探测器具有较好的均匀性和正常的光电特性.在液氮温度下,二个波段的光电二极管截止波长λc分别为2.7μm和4.9μm,对应的峰值探测率D*λp分别为1.42×1011cmHz1/2/W和2.15×1011 cmHz1/2/W.     

128×128短波/中波双色红外焦平面探测器

首次在国内报道了128×128面阵短波/中波(SW/MW)双色碲镉汞(HgCdTe)红外焦平面探测器(infraredfocal plane arrays,IRFPAs)的研究成果.基于由采用分子束外延(MBE)和原位掺杂技术生长的p-p-P-N型碲镉汞(Hg1-xCdxTe)多层异质结材料,通过B+注入、台面腐蚀、台面侧向钝化和爬坡金属化,以及双色探测芯片与读出电路(Readout Integrated Circuit,ROIC)混成互连等工艺,得到了128×128面阵双色焦平面探测器.通过湿化学腐蚀方法的优化,将光敏元尺寸为(50×50)μm2的双色微台面探测器的占空比提高了一倍.该面阵双色红外焦平面探测器具有较好的均匀性和正常的光电特性.在液氮温度下,二个波段的光电二极管截止波长λc分别为2.7μm和4.9μm,对应的峰值探测率Dλ*p分别为1.42×1011cmHz1/2/W和2.15×1011cmHz1/2/W.     

短/中波双色碲镉汞红外探测器性能分析研究

介绍了国内外双色红外探测器的发展现状,并报道了中国电子科技集团公司第十一研究所（以下简称“中电十一所”）自行研制的像元间距为30 μm的Si基320×256短/中波双色红外探测器的性能。在77 K测试条件下,短波和中波两个波段的盲元率分别为0.88%和1.47%,平均峰值探测率分别为2.21×10¹² cm·Hz^1/2·W^-1和2.13×10¹¹ cm·Hz^1/2·W^-1,后截止波长分别为3.129 μm和 5.285 μm,且短波向中波波段的光谱串音为1.38%,中波向短波波段的光谱串音为2.82%。同时,该探测器在双波段具有较好的成像效果,为后续更大面阵、更佳性能的多波段探测器研究提供了基础。     

中波双色光伏型HgCdTe红外探测器模拟研究

基于二维数值模型,对光伏型中波(MW1/MW2)HgCdTe双色红外探测器作了模拟计算,器件采用n-p-p-p-n结构、同时工作模式.计算了双色器件光谱响应及量子效率,重点分析了两个波段间的信号串音问题,以及高组分势垒层的作用.模拟结果显示,MW1(中波1,波长较短)对MW2(中波2,波长较长)的串音是辐射透过MW1区在MW2区中吸收引起的,串音与光吸收比近似成正比,而载流子扩散效应可以忽略不计.高组分阻挡层对载流子扩散引起的串音有显著的抑制作用,如果没有势垒层,载流子扩散引起的串音十分明显,甚至成为串音的主导因素.对于60×60μm2探测单元MW1和MW2的结电容大约为1.75pF/pixel.     

双色量子阱红外探测器大面阵芯片的研制

采用GaAs/AlGaAs和InGaAs/AlGaAs多量子阱，研制出了双色同像素读取结构的中波/长波量子阱红外探测器及160×128元中波/长波双色多量子阱红外探测器芯片。器件的材料结构生长是采用分子束外延技术，在5.08 cm半绝缘GaAs衬底上完成的。发展了双色大面阵制备工艺，二维光栅的制备使用标准光刻和离子束刻蚀技术。在77 K时，对量子阱红外探测器测试，得到中、长波段峰值探测率分别为Dλ*=（1.61～1.90）×1010 cmHz1/2W-1和（1.54～2.67）×1010 cmHz1/2W-1。中、长波段峰值波长分别为(2.7~3.8) μm和8.3 μm。     

320×256 InAs/GaSb超晶格中/短波双色探测器组件研制

InAs/GaSb超晶格材料制备的新型红外器件在最近十几年得到了迅速发展。文中开展了InAs/GaSb二类超晶格中/短波双色焦平面探测器组件研制,设计了中/短波双色叠层背靠背二极管芯片结构,用分子束外延技术生长出结构完整、表面平整、低缺陷密度的PNP结构超晶格材料,制备出性能优良的320×256双色焦平面探测器组件,对探测器组件进行了测试分析。结果显示,在77 K下中波二极管RA值达到26.0 kΩ·cm2,短波的RA值为562 kΩ·cm2。光谱响应特性表明短波响应波段为1.7~3 μm,中波为3~5 μm,满足设计要求。双色峰值探测率达到中波3.12×1011 cm·Hz1/2W-1,短波1.34×1011 cm·Hz1/2W-1。响应非均匀性中波为9.9%,短波为9.7%。中波有效像元率为98.46%,短波为98.06%。     

InAs/GaSb二类超晶格中/短波双色红外焦平面探测器

InAs/GaSb超晶格材料已经成为了第三代红外焦平面探测器的优选材料。开展了InAs/GaSb二类超晶格中/短波双色焦平面探测器器件结构设计、材料外延、芯片制备,对钝化方法进行了研究,制备出性能优良的320256双色焦平面探测器。首先以双色叠层背靠背二极管电压选择结构作为基本结构,设计了中/短波双色芯片结构,然后采用分子束外延技术生长出结构完整、表面平整、低缺陷密度的PNP结构超晶格材料。采用硫化与SiO2复合钝化方法,最终制备的器件在77 K下中波二极管的RA值达到13.6 kcm2,短波达到538 kcm2。光谱响应特性表明短波响应波段为1.7~3 m,中波为3~5 m。双色峰值探测率达到中波3.71011 cmHz1/2W-1以上,短波2.21011 cmHz1/2W-1以上。响应非均匀性中波为9.9%,短波为9.7%。中波有效像元率为98.46%,短波为98.06%。     

双色焦平面红外探测器相对光谱串音研究

提出了一种评价双色探测器的相对光谱串音的模型及测试方法。为验证模型及测试方法的可行性,采用分子束外延锗基叠层异质结构碲镉汞薄膜材料,研制了微台面结构短波/中波双色红外焦平面探测器原理器件,进行了相对光谱串音测试,归纳出3种主要的相对光谱串音模式,并结合材料、器件结构和工艺特点,分析了相对光谱串音的成因。     

双色红外焦平面研究进展

介绍了叠层双色红外焦平面的发展背景和适用的材料体系，及其在国际上的发展现状，重点论述了叠层双色探测器结构类型及其探测特点，最后介绍了国内碲镉汞叠层双色焦平面的研究进展。报道了基于n⁺_-p-P-P-N多层异质结Hg_1-xCd_xTe材料的叠层中波/短波（256×1）×2红外双色焦平面器件研制及性能。在77 K液氮温度下，红外焦平面探测器的两个波段的截止波长λ_c分别为2.8 μm和3.9 μm，中波/短波焦平面的平均单色探测率D*_λp分别为1.8×10¹¹ cmHz^1/2/W和9.6×10¹⁰ cmHz^1/2/W。     

长波红外2048元线列碲镉汞焦平面器件

介绍了长波红外2048元线列碲镉汞焦平面器件的制备技术和达到的性能参数.探测器采用离子注入平面pn结制备光敏元,通过间接倒焊技术和读出电路互联,采用8个256元焦平面模块拼接2048元线列焦平面器件.光敏元的响应截止波长达到9.9μm,相应的RoA达到10Ωcm2,平均峰值探测率达到9.3×1010cmHz1/2 W-1,响应不均匀性为8%,有效光敏元率大干99.5%.     

Independently accessed back-to-back HgCdTe photodiodes: A new dual-band infrared detector

We report the first data for a new two-color HgCdTe infrared detector for use in large dual-band infrared focal plane arrays (IRFPAs). Referred to as the independently accessed back-to-back photodiode structure, this novel dual-band HgCdTe detector provides independent electrical access to each of two spatially collocated back-to-back HgCdTe photodiodes so that true simultaneous and independent detection of medium wavelength (MW, 3–5 μm) and long wavelength (LW, 8–12 μm) infrared radiation can be accomplished. This new dual-band detector is directly compatible with standard backside-illuminated bump-interconnected hybrid HgCdTe IRFPA technology. It is capable of high fill factor, and allows high quantum efficiency and BLIP sensitivity to be realized in both the MW and LW photodiodes. We report data that demonstrate experimentally the key features of this new dual-band detector. These arrays have a unit cell size of 100 x 100 μm², and were fabricated from a four-layer p-n-N-P HgCdTe film grown in situ by metalorganic chemical vapor deposition on a CdZnTe substrate. At 80K, the MW detector cutoff wavelength is 4.5 μm and the LW detector cutoff wavelength is 8.0 μm. Spectral crosstalk is less than 3%. Data confirm that the MW and LW photodiodes are electrically and radiometrically independent.     

InAs/GaSb II类超晶格中波红外探测器

InAs/GaSb II类超晶格探测器是近年来国际上发展迅速的红外探测器,其优越性表现在高量子效率和高工作温度,以及良好的均匀性和较低的暗电流密度,因而受到广泛关注。报道了InAs/GaSb超晶格中波材料的分子束外延生长和器件性能。通过优化分子束外延生长工艺,包括生长温度和快门顺序等,获得了具原子级表面平整的中波InAs/GaSb超晶格材料,X射线衍射零级峰的双晶半峰宽为28.8,晶格失配a/a=1.510-4。研制的p?鄄i?鄄n单元探测器在77 K温度下电流响应率达到0.48 A/W,黑体探测率为4.541010 cmHz1/2W,峰值探测率达到1.751011 cmHz1/2W。     

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.     

多元多色HgCdTe红外探测器

简要介绍利用不同波段的微型滤光片和不同响应波段的多元ＨｇＣｄＴｅ红外探测器,叙述了通过精密镶嵌技术组合而成的四波段２１５～２２５μｍ、８４～８９μｍ、１０３～１１３μｍ和１１５～１２５μｍ８８元多元多色探测器的设计原理和特性,以及多元多色探测器的组合工艺,并给出了各个通道的响应光谱特性和探测器的工作性能。研制成功的８８元多色红外探测器每个通道的平均探测率和响应率分别为：Ｄ２．１５～２．２５＝１．２×１０１２ｃｍＨｚ１／２／Ｗ和Ｒ２．１５～２．２５＝５．０×１０６Ｖ／Ｗ,Ｄ８．４～８．９＝７．０×１０１０ｃｍＨｚ１／２／Ｗ和Ｒ８．４～８．９＝１．６×１０４Ｖ／Ｗ,Ｄ１０．３～１１．３＝４．０×１０１０ｃｍＨｚ１／２／Ｗ和Ｒ１０．３～１１．３＝４．３×１０３Ｖ／Ｗ,Ｄ１１．５～１２．５＝３．０×１０１０ｃｍＨｚ１／２／Ｗ和Ｒ１１．５～１２．５＝３．３×１０３Ｖ／Ｗ,文中对这些结果进行了分析和讨论。     

CMOS兼容的微机械热电堆红外探测器的设计

提出了一种与CMOS工艺兼容、高响应率、低噪声的微机械热电堆红外探测器。该结构热电偶数目为两对,材料为P/N型多晶硅,吸收层材料为TiN。采用较少热电偶对的方式来降低噪声,引入共振谐振腔结构来提高红外吸收率。阐述了探测器的基本工作原理,通过仿真得到其重要的性能参数,并给出了器件具体的工艺流程,对器件尺寸进行了优化。理论上,其响应率大于1000 V/W,探测率大于2×108cmHz1/2W-1,噪声等效温差小于20mK,时间常数小于10ms,电阻值小于20k。     

一种与CMOS工艺兼容的热电堆红外探测器

报道了一种与CMOS工艺兼容的微机械热电堆红外探测器。提出了具有一对热电偶的两层悬浮结构,其占空因子达到80%以上,并采用P/N多晶硅作为热电偶材料,黑硅作为吸收层材料。给出了器件的工作原理,对性能优化与制作的工艺流程进行了分析,结合所选材料的基本参数,得到了优化后的结构尺寸。通过理论计算,可以获得响应率大于1000 V/W,探测率大于1×108cmHz1/2W-1,时间常数小于40ms,噪声等效温差小于30mK的性能优良的热电堆红外探测器。该器件的吸收层位于结构中的顶层,金属布线位于底层,便于与后续电路集成。单元大小为25 m×25 m,有利于制作非制冷红外焦平面阵列。     

32×32甚长波红外HgCdTe焦平面器件

甚长波红外波段富含大气湿度、CO2含量及云层结构和温度轮廓等大量信息,是大气遥感的重要组成部分。设计了一种3232甚长波红外焦平面阵列,采用在ZnCdTe衬底上液相外延生长的As掺杂p型材料上进行B+离子注入形成光敏元,通过铟柱倒焊技术和带有改进型背景抑制结构的读出电路互联,制成截止波长达到14 m的焦平面器件。该红外焦平面器件像元面积为60 m60 m,工作温度在50 K温度下。测试结果显示:读出电路性能良好,焦平面黑体响应率达到1。35107V/W,峰值探测率为2。571010 cmHz1/2/W,响应率非均匀性约为45%,盲元率小于12%。     

碲镉汞富碲垂直液相外延技术

研究了碲镉汞富碲垂直液相外延技术.在研究该关键技术的过程中,提出了一种方法以检查外延前(Hg1-xCdx)1-yTey母液的均匀性.并且,通过减小生长腔体中的自由空间,对气体的对流和汞回流进行了抑制,及通过改进工艺过程中的温度控制方式来应对因对流和汞回流而造成的生长温度不确定性.在解决上述关键技术后,实现了碲镉汞垂直液相外延工艺的稳定性,所外延的中波碲镉汞材料的组分可重复性做到了±0.005,厚度控制能力达到了±5μm ,40×30mm2外延材料的横向组分均匀性(相对均方差)小于1.3×10-3,同生长批次材料片与片之间的组分和厚度差异分别小于0.001和1μm.在10mm线度上,表面起伏小于1μm.经热处理后,中波汞空位p型材料在77K下具有较高的空穴迁移率.另外,和水平推舟技术相比,垂直碲镉汞液相外延在提供大批量和大面积相同性能材料方面具有明显的优势,这对于二代碲镉汞红外焦平面批生产技术和拼接型超大规模红外焦平面技术的发展都具有重要的意义.     

MOCVD of bandgap-engineered HgCdTe p-n-N-P dual-band infrared detector arrays

We report the implementation of recent advances in metalorganic chemical vapor deposition (MOCVD) for in situ growth of four-layer HgCdTe mid wave/ long wave (MW/LW) simultaneous dual-band 64 × 64 infrared detector arrays. This independently accessed, simultaneous, double-heterojunction p-n-N-P dualband detector has two back-to-back stacked photodiodes grown on CdZnTe (100) substrates. The LW photodiode is a p-on-n heterojunction grown on top of an MW N-on-P heterojunction photodiode. Secondary ion mass spectrometry depth profiles of these 28 μ m thick p-n-N-P dual-band films show four well-defined regions of alloy composition and doping, and agree well with the device design. 64 × 64 arrays of dual-band detectors were fabricated from these films using electron cyclotron resonance dry etching and CdTe passivation, and hybridized to a dual-band readout chip. Two bump inter-connects in each unit cell provide independent electrical access to the back-to-back MW and LW photodiodes, and allow the MW and LW photocurrents to be separate and independent. The dualband infrared focal plane arrays (IRFPAs) spectral response data at 78K are well-behaved and are fully consistent with that observed in individual singleband LW p-on-n and MW N-on-P heterojunction devices of the same design. The hybridized 64 × 64 duai-band FPAs have MW and LW average in-band quantum efficiencies of 79 and 67%, and median D* values of 4.8 × 10¹¹ and 7.1 × 10¹⁰ cm-√Hz/W, in the respective spectral bands at 78K. The data demonstrate that MOCVD has progressed significantly toward being a practical and viable vapor phase in situ growth technology for advanced bandgap-engineered HgCdTe detector arrays.