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。     

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。     

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。     

高工作温度p-on-n中波碲镉汞红外焦平面器件研究

As注入掺杂的p-on-n结构碲镉汞红外探测器件具有少子寿命长、暗电流低、R₀A值高等优点,是高温器件研究的重要技术路线之一。针对阵列规模640×512、像元中心距15 μm 的As掺杂工艺制备的p-on-n中波碲镉汞焦平面器件,测试了不同工作温度下的性能和暗电流。研究结果表明,在80 K工作温度下,器件响应表现出高响应均匀性,有效像元率达99.98%;随着工作温度升高,器件盲元增多,当工作温度为150 K和180 K时,有效像元率降低至99.92%和99.32%。由于对器件扩散电流更好的抑制,器件在160~200 K温度范围内的暗电流低于Rule-07。并且当工作温度在150~180 K时（300 K的背景下）,器件具有较好的信噪比,极大程度地体现了高温工作的可行性。     

高工作温度碲镉汞p-on-n中波1024×768焦平面探测器

提高红外探测器的工作温度对于减小红外系统的尺寸、重量和功耗至关重要,进而实现结构紧凑和成本低廉的红外系统。昆明物理研究所多年来对掺铟和砷离子注入技术的HgCdTe p-on-n技术进行了优化,实现了性能优异的中波红外探测器的研制。本文报道了高工作温度中波1024×768@10 μm红外焦平面阵列探测器的最新结果,并介绍了在150 K工作温度下的器件性能。结果标明,器件在150 K下截止波长为4.97 μm,并测得了不同工作温度下的NETD、暗电流和有效像元率。此外,还展示了在150 K的工作温度下焦平面器件的红外图像,并呈现了99.4%的有效像元率。     

128元长波碲镉汞焦平面器件

本文概要叙述了１２８元长波碲镉汞焦平面器件的原理及研制工艺；ＣＭＯＳ互连后测试结果：峰值Ｄλ＾＊＝３．４×１０＾１０ｃｍＨｚ＾１／２Ｗ＾－１，Ｒｖλ＝１．２×１０＾８Ｖ／Ｗ，利用１２８元长波碲镉汞焦平面器件研制成功的热像仪成像情况。     

12.5 μm碲镉汞长波红外探测器暗电流研究

随着红外探测器技术的发展,延长探测器的工作波长成为重要的发展方向之一。由于工作波长随x值的变化而带隙可调,碲镉汞材料得到了广泛应用。随着波长增长,暗电流成为限制红外探测器发展的主要因素。以12.5 μm碲镉汞长波红外探测器为例,通过仿真研究了工作温度和固定电荷对其暗电流的影响,并对77 K和60 K下不同种类的暗电流进行了分析。该研究使我们对12.5 μm探测器的暗电流具有更深入的了解,为提高12.5 μm探测器的制备水平提供了方向。     

碲镉汞雪崩焦平面器件

碲镉汞雪崩光电二极管以其高增益、高灵敏度和高速探测的优点成为第3代红外光电探测器的重要发展方向之一.制备了截止波长3.56μm的雪崩光电二极管焦平面器件,面阵规模为16×16.焦平面器件在0～6V偏压下有效像元率大于90%,非均匀性小于20%.6 V偏压下NEPh约为60,过剩噪声因子为1.2.     

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%.     

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。     

甚长波碲镉汞红外焦平面探测器

采用砷离子注入p-on-n平面结技术制备了77 K工作温度下截止波长分别为13.23 μm和14.79 μm、像元中心距为25 μm的甚长波640×512探测器,并对其基本性能和暗电流进行了测试和分析。结果表明,对于截止波长为13.23 μm的甚长波640×512（25 μm）,器件量子效率为55%,NETD平均值为21.5 mK,有效像元率为99.81%;对于截止波长为14.79 μm的甚长波640×512（25 μm）,器件量子效率为45%,NETD平均值为34.6 mK,有效像元率为99.28%。这两个甚长波器件在液氮温度下的R₀A分别为19.8 Ω·cm²和1.56 Ω·cm²,达到了“Rule07”经验表达式的预测值,器件噪声主要受散粒噪声限制,显示出了较好的器件性能。     

碲镉汞大面阵红外探测器模块结构应力的有限元分析

借助有限元软件分析了原始探测器模块和加入Kovar平衡层探测器模块的应力分布情况,模拟结果表明,增加Kovar平衡层后,探测器HgCdTe外延层上的热应力有所减小,而探测器芯片表面中心位置处的形变量明显减小.在不改变平衡层材料前提下,当平衡层厚度为0.2 mm、0.5 mm、1 mm、1.5 mm和2 mm时,HgCd...     

碲镉汞焦平面器件背面减薄技术

采用机械抛光和机械化学抛光的方法进行碲镉汞焦平面器件的碲锌镉衬底背面减薄,最后利用专用腐蚀液腐蚀的方法将碲锌镉衬底全部去除,碲镉汞完全露出;器件测试结果表明减薄后的MW1280×1024器件经受高低温循环冲击的可靠性显著提高。     

用于天文观测的先进红外焦平面技术

红外谱段的天文观测,对知悉太阳构成、探索隐藏宇宙、获取丰富的谱特征以及追溯宇宙早期生命等天文问题的研究具有非常重要的意义［1］。但对于覆盖1 μm~x mm非常宽泛谱段的探测,需要运用不同类型的红外探测阵列技术。目前,满足1 μm至毫米波段探测要求的多种红外探测阵列的制作技术均已臻于成熟,包括：响应谱段1~5 μm的混合式结构的InSb和HgCdTe光伏阵列;响应谱段为5~28 μm的Si∶As杂质能带电导器件;响应远红外谱段的光导器件;响应亚毫米波及毫米波段的测辐射热计或者超导器件。20世纪80年代,人类第一次将红外焦平面阵列应用于天文探测以来,红外谱段的天文探测能力平均每7个月就增强1倍。本文通过阐述了国际上用于天文观测探测器阵列技术,探讨了其中的基本原则。希望能够提供更多的信息供研究人员参考。     

MBE HgCdTe heterostructure p-on-n planar infrared photodiodes

We recently succeeded in fabricating planar Hg_1−yCd_yTe/Hg_1−xCd_xTe (x<y) heterostructure photodiodes with the p-on-n configuration. Here we discuss early results in detail and present new results on an expanded range of infrared operation. The material used for this demonstration was grown by molecular beam epitaxy on lattice-matched CdZnTe substrates. The p-on-n planar devices consist of an arsenic-doped p-type epilayer (y∼0.28) atop a long wavelength infrared n-type epilayer (x=0.22–0.23). The planar junctions were formed by selective pocket diffusion of arsenic deposited on the surface by ion implantation. Detailed analysis of the current-voltage characteristics of these diodes as a function of temperature shows that they have high performance and that their dark currents are diffusion-limited down to 52K. Low frequency noise measurements at a reverse bias voltage of 50 mV resulted in noise current values (at 1 Hz) as low as 1×10⁻¹⁴ amps/Hz^0.5 at 77K. Average R_oA values greater than 10⁶ Ω-cm² at 40K were obtained for these devices with cut-off wavelength values in the 10.6 to 12 μm range. Seventy percent of these devices have R_oA values greater than 10⁵ Ω-cm² at 40K; further studies are needed to improve device uniformity. These results represent the first demonstration that high performance long wavelength infrared devices operating at 40K can be made using HgCdTe material grown by a vapor phase epitaxy growth technique.     

碲镉汞高温红外探测器组件进展

高工作温度红外探测器组件是第三代红外探测器技术的重要发展方向,可用于高工作温度红外探测器的基础材料主要有锑基和碲镉汞两大类。介绍了昆明物理研究所在高工作温度红外焦平面探测器组件方面的最新研究进展,其中基于碲镉汞材料p-on-n技术研制的高工作温度中波640×512探测器组件在150 K温区性能优异,探测器的噪声等效温差(NETD)小于20 mK,配置了高效动磁式线性制冷机的高温探测器组件(IDDCA结构),质量小于270 g,探测器组件光轴方向长度小于70 mm(F4),室温环境下组件稳态功耗小于2.5 Wdc,降温时间小于80 s,声学噪声小于27 dB,探测器光轴方向自身振动力最大约1.1 N。目前正在进行环境适应性和可靠性验证,完成后就可实现商用量产。     

High performance SWIR HgCdTe detector arrays

Short wave infrared (SWIR) devices have been fabricated using Rockwell’s double layer planar heterostructure (DLPH) architecture with arsenic-ion implanted junctions. Molecular beam epitaxially grown HgCdTe/CdZnTe multilayer structures allowed the thin, tailored device geometries (typical active layer thickness was ∼3.5 μm and cap layer thickness was ∼0.4 μm) to be grown. A planar-mesa geometry that preserved the passivation advantages of the DLPH structure with enhanced optical collection improved the performance. Test detectors showed Band 7 detectors performing near the radiative limit (∼3-5X below theory). Band 5 detector performance was ∼4-50X lower than radiative limited performance, apparently due to Shockley-Hall-Read recombination. We have fabricated SWIR HgCdTe 256 × 12 × 2 arrays of 45 um × 45 μm detector on 45 μm × 60 μm centers and with cutoff wavelength which allows coverage of the Landsat Band 5 (1.5−1.75 μm) and Landsat Band 7 (2.08−2.35 μm) spectral regions. The hybridizable arrays have four subarrays, each having a different detector architecture. One of the Band 7 hybrids has demonstrated performance approaching the radiative theoretical limit for temperatures from 250 to 295K, consistent with test results. D* performance at 250K of the best subarray was high, with an operability of ∼99% at 10¹² cm Hz^1/2/W at a few mV bias. We have observed 1/f noise below 8E-17 AHz ^1/2 at 1 Hz. Also for Band 7 test structures, Ge thin film diffractive microlenses fabricated directly on the back side of the CdZnTe substrate showed the ability to increase the effective collection area of small (nominally <20 μm μm) planar-mesa diodes to the microlens size of 48 urn. Using microlenses allows array performance to exceed 1-D theory up to a factor of 5.