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碲镉汞探测器的回顾与展望(特邀)

蔡毅

蔡毅. 碲镉汞探测器的回顾与展望(特邀)[J]. 红外与激光工程, 2022, 51(1): 20210988. doi: 10.3788/IRLA20210988
引用本文: 蔡毅. 碲镉汞探测器的回顾与展望(特邀)[J]. 红外与激光工程, 2022, 51(1): 20210988. doi: 10.3788/IRLA20210988
Cai Yi. Review and prospect of HgCdTe detectors (Invited)[J]. Infrared and Laser Engineering, 2022, 51(1): 20210988. doi: 10.3788/IRLA20210988
Citation: Cai Yi. Review and prospect of HgCdTe detectors (Invited)[J]. Infrared and Laser Engineering, 2022, 51(1): 20210988. doi: 10.3788/IRLA20210988

碲镉汞探测器的回顾与展望(特邀)

doi: 10.3788/IRLA20210988
详细信息
    作者简介:

    蔡毅,男,研究员,博士,长期从事红外、光电、北斗卫星导航、信息系统方面的研究

  • 中图分类号: TN21

Review and prospect of HgCdTe detectors (Invited)

  • 摘要: 20世纪50年代末,碲镉汞(HgCdTe)合金半导体材料的发明,奠定了热成像的技术和工程应用基础。1975年,美国提出基于第一代红外探测器的热成像通用组件概念——“模块化通用夜视热瞄镜”(Modular Common Thermal Night Sights, MCTNS),从此HgCdTe材料和探测器被大规模应用于军事领域。从HgCdTe材料的基本物理性质出发,分析了HgCdTe探测器的优点,认为HgCdTe探测器依然是目前性能最好的红外探测器,且正在向多元化方向发展,包括(但不限于)大面阵、平面结和异质结、双波段、甚长波、150 K级工作温度、雪崩探测器等。随着新结构、新模式、新机理、新方法、新工艺的进步,HgCdTe材料和探测器必将达到一个新高度,仍然是第四代主流的红外焦平面探测器。
  • 图  1  不同的红外探测器在1~10 000 μm波段范围内、在指定工作温度时的探测能力比较[4]

    Figure  1.  Comparison of the D* of various available detectors when operated at the indicated temperature and in the region of 1−10 000 μm waveband[4]

    图  2  具有独立优化信号探测与读出的混合式HgCdTe红外焦平面探测器。(a) 铟柱倒装互连;(b) 环孔互连[5]

    Figure  2.  Hybrid HgCdTe IRFPA detector with independently optimized signal detection and readout. (a) Indium column flip chip interconnection; (b) Loophole interconnection[5]

    图  3  第一代至第四代红外探测器发展路线图与大事记[4]

    Figure  3.  Development roadmap and memorabilia for the first generation to the fourth generation of infrared detectors[4]

    图  4  H2 RG 2 048×2 048 HgCdTe焦平面列阵探测器[6]

    Figure  4.  H2 RG 2 048×2 048 HgCdTe FPA detector[6]

    图  6  去除CdZnTe衬底的H2 RG 2 048×2 048 HgCdTe焦平面列阵在0.8~1.7 μm范围的量子效率[7]

    Figure  6.  Quantum efficiency of the H2 RG 2 048×2 048 HgCdTe FPA with 0.8-1.7 μm cutoff which CdZnTe substrate was removed [7]

    图  5  航天望远镜近红外相机采用的2 048×2 048 HgCdTe焦平面阵列[6]

    Figure  5.  2 048×2 048 HgCdTe FPA used in the Space Telescope Near Infrared Camera[6]

    图  7  用16个H2 RG 2 048×2 048 HgCdTe焦平面列阵拼成的Euclid焦平面组件(a)及其量子效率测试结果(b)[7]

    Figure  7.  Euclid focal plane assembly with 16 H2 RG FPA (2048×2048) (a) and the measured quantum efficiencies (b) [7]

    图  8  H4 RG 4 096×4 096 HgCdTe焦平面列阵组件[8]

    Figure  8.  H4 RG 4 096×4 096 HgCdTe FPA assembly[8]

    图  9  (a)雷神公司采用MBE在Si衬底上生长的单台面双波段HgCdTe像元的剖面示意图;(b)双波段像元扫描电镜图片[9]

    Figure  9.  (a) Cross-section of Raytheon’s single-mesa dual-band pixel architecture applied to HgCdTe on Si grown by MBE; (b) Scanning electron micrograph of dual-band pixels [9]

    图  10  采用MBE在GaAs衬底上生长的双色HgCdTe红外探测结构[10]

    Figure  10.  Two-color HgCdTe IR detective structure on GaAs grown by MBE[10]

    图  11  采用MBE在CdZnTe衬底上生长的双色n-p-n HgCdTe红外探测结构[11]。(a)剖面图;(b)立体图

    Figure  11.  Two-color n-p-n HgCdTe IR detective structure on CdZnTe grown by MBE[11]. (a) Side view; (b) Stereoscopic view

    图  12  (a) HgCdTe p-n结的能带图与主要暗电流机制示意图[12];(b) n+-Bn-n结能带示意图[13]

    Figure  12.  (a) Energy band diagram illustrating the dark current mechanisms for a HgCdTe p-n junction[12]; (b) Energy band diagrams of HgCdTe n+-Bn-n junction[13]

    图  13  在四个重要波长计算所得的p-on-n HgCdTe探测器的工作温度与探测率关系[14]

    Figure  13.  Calculated detectivity for p-on-n HgCdTe detector plotted versus operating temperature for four important wavelength regions [14]

    图  14  HgCdTe焦平面探测器的温度、暗电流与截止波长的关系[7]

    Figure  14.  Dark current as a function of temperature and cutoff wavelengthfor HgCdTe focal plane detector[7]

    图  15  155 K温度工作的“鹰”(HAWK)中波红外焦平面探测器的主要技术参数(a)和温度与暗电流密度的关系(b)[15]

    Figure  15.  Main specifications of HOT HAWK MWIR focal plane detector operated at 155 K (a) and relationship of temperature with current density (b)[15]

    图  16  中波红外、长波红外和甚长波红外HgCdTe焦平面探测器工作温度与制冷方式的关系[7]

    Figure  16.  Relationship between operating temperature and cooling type of HgCdTe focal plane detector in MWIR, LWIR and VLWIR [7]

    图  17  HgCdTe雪崩探测器的结构示意图[16]

    Figure  17.  Schematic illustration of HgCdTe APDs architecture[16]

    图  18  美国DRS公司研制的HDVIP 结构HgCdTe雪崩探测器[19-20]。(a)侧视图;(b)俯视图

    Figure  18.  Schematic of the HDVIP structure HgCdTe APD of DRS Company[19-20]. (a) Side view; (b) Top view

    图  19  DRS公司2×8 HDVIP p-around-n柱形结构的HgCdTe雪崩探测器示意图。(a)平面结构示意图;(b)剖面结构示意图[18]

    Figure  19.  Schematic of HgCdTe APDs by DRS using 2×8 HDVIP p-around-n cylindrical structure. (a) Top view; (b) Side view [18]

    图  20  DRS公司封装2×8 HgCdTe FPA雪崩探测器的微型斯特林制冷机的设计图[18]

    Figure  20.  DRS mini-Stirling cryocooler for the 2×8-pixel HgCdTe FPA[18]

    图  21  DRS公司 HgCdTe雪崩探测器的电压响应率(a)和噪声等效功率(b)与偏置电压的关系[18]

    Figure  21.  Measurement of the DRS HgCdTe APD responsivity(a) and NEP(b) as a function of the APD bias voltage[18]

    表  1  Hg1−xCdxTe材料的重要组分与物理参数表[3]

    Table  1.   Important alloy compositions and physical parameters for Hg1−xCdxTe

    Property
    x
    HgTe
    0
    Hg1−xCdxTe CdTe
    1.0
    0.194 0.205 0.225 0.31 0.44 0.62
    a 6.461 6.464 6.464 6.464 6.465 6.468 6.472 6.481
    77 K 77 K 77 K 77 K 140 K 200 K 250 K 300 K
    Eg/eV −0.261 0.073 0.091 0.123 0.272 0.474 0.749 1.490
    λc/μm 16.9 13.6 10.1 4.6 2.6 1.7 0.8
    ni/cm−3 1.9 × 1014 5.8 × 1 013 63 × 1012 3.7 × 1012 7.1 × 1011 3.1 × 1010 4.1 × 105
    mc/m0 0.006 0.007 0.010 0.021 0.035 0.053 0.102
    gc −150 −118 −84 −33 −15 −7 −1.2
    εs/ε0 20.0 18.2 18.1 17.9 17.1 15.9 14.2 10.6
    εs/ε0 14.4 12.8 12.7 12.5 11.9 10.8 9.3 6.2
    nr 3.79 3.58 3.57 3.54 3.44 3.29 3.06 2.50
    μc/cm2·V−1·s−1 4.5 × 105 3.0 × 105 1.0 × 105
    μh/cm2·V−1·s−1 450 450 450
    b=μc/μ$_ \eta$ 1 000 667 222
    τR/μs 16.5 13.9 10.4 11.3 11.2 10.6 2
    τAl/μs 0.45 0.85 1.8 39.6 453 4.75 × 103
    τtypical/μs 0.4 0.8 1 7
    Ep/eV 19
    $\Delta $/eV 0.93
    mhh/m0 0.40-0.53
    $\Delta $/eV 0.35-0.55
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    表  2  体材料、LPE和 MOCVD、MBE方法 生长HgCdTe的对比[5]

    Table  2.   Comparison of the various methods used to grow HgCdTe, including bulk, LPE, MOCVD, and MBE[5]

    Bulk Liquid phase epitaxy Vapour phase epitaxy
    SSR Travelling heater method
    HCT melt Te melt Hg melt Te melt MOCVD MBE
    Temperature/℃ 950 950 500 350-550 400-550 275-400 160-200
    Pressure/torr 150 000 150 000 760-8 000 760-11 400 760-8 000 300-760 10−3-104
    Growth rate/μm·h−1 250 250 80 30-60 5-60 2-10 1-5
    Dimensions/cm 0.8-1.2 dia 0.8-1.2 dia 2.5 dia 5 5 7.5 dia 7.5 dia
    l/cm - - - 6 5 4 4
    t/cm 15 15 5 0.000 2-0.003 0 0.000 5-0.012 0.000 5-0.001 0.000 5-0.001
    Dislocations/cm−2 <105 - <105 <105 <105-107 5 × 105-5 ×107 <5 × 104-5 ×106
    Purity/cm−3 <5 × 1014 <5 × 1014 <5 × 1014 <5 × 1014 <5 × 1014 <1× 1015 <1 × 1015
    n-type doping/cm−3 N/A N/A N/A 1 × 1014-1 × 1018 1 × 1015-1 × 1016 5 × 1014-1 × 1018 5 × 1014-1 × 1019
    p-type doping/cm−3 N/A N/A N/A 1 × 1015-1 × 1018 1 × 1015-1 × 1016 3 × 1015-1 × 1017 5 × 1016-1 × 1018
    X-ray rocking curve/(") - - 20-60 <20 <20 50-90 20-30
    Compositional uniformity (Δx) <0.002 <0.004 <0.005 <0.002 <0.002 ±0.01-0.000 5 ±0.01-0.000 6
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-12-20
  • 录用日期:  2022-01-17
  • 修回日期:  2022-01-28
  • 网络出版日期:  2022-02-10
  • 刊出日期:  2022-01-25

碲镉汞探测器的回顾与展望(特邀)

doi: 10.3788/IRLA20210988
    作者简介:

    蔡毅,男,研究员,博士,长期从事红外、光电、北斗卫星导航、信息系统方面的研究

  • 中图分类号: TN21

摘要: 20世纪50年代末,碲镉汞(HgCdTe)合金半导体材料的发明,奠定了热成像的技术和工程应用基础。1975年,美国提出基于第一代红外探测器的热成像通用组件概念——“模块化通用夜视热瞄镜”(Modular Common Thermal Night Sights, MCTNS),从此HgCdTe材料和探测器被大规模应用于军事领域。从HgCdTe材料的基本物理性质出发,分析了HgCdTe探测器的优点,认为HgCdTe探测器依然是目前性能最好的红外探测器,且正在向多元化方向发展,包括(但不限于)大面阵、平面结和异质结、双波段、甚长波、150 K级工作温度、雪崩探测器等。随着新结构、新模式、新机理、新方法、新工艺的进步,HgCdTe材料和探测器必将达到一个新高度,仍然是第四代主流的红外焦平面探测器。

English Abstract

    • 红外探测器技术不仅是一个需要掌握材料与工艺的技术领域,而且是一个存在无数未知、但又充满活力的科学领域。

      在光子型红外探测器发展历程中,1958年英国人劳森(Lawson)与其合作者发明的窄禁带化合物半导体——Hg1−xCdxTe三元合金半导体[1-2],迄今为止仍然是最重要的红外探测器材料,具有下列突出优点:

      (1)红外“大气窗口”和甚长波红外全覆盖

      对光子型红外探测器,截止波长λc与半导体材料禁带宽度Eg的关系为:

      $$ {E}_{\mathrm{g}}\left({\rm eV}\right)\approx \frac{1.24}{{\lambda }_{c}\left({\rm \text{μ} m}\right)} $$ (1)

      根据公式(1),要探测“大气红外透射窗口”的长波红外12 μm、中波红外5 μm、短波红外2.5 μm,需要禁带宽度分别为0.10、0.25、0.50 eV的窄禁带半导体材料。因此,发明能“人工设计和控制窄禁带半导体的禁带宽度以响应指定红外波长”始终是红外探测器材料的发展方向之一。

      Hg1−xCdxTe是三元合金半导体材料,改变组份x能精确控制禁带宽度[3]

      $$ E_{\rm g} = -0.302 + 1.93x-0.81x^{2} + 0.832x^{3} + 5.35\times 10^{-4}(1-2x)T $$ (2)

      式中:Eg的单位为eV;T是绝对温度,单位K。Hg1−xCdxTe禁带宽度覆盖短波、中波、长波红外和甚长波红外波段。表1展示了组分x与禁带宽度Eg、截止波长λc、本征载流子浓度ni等材料物理参数的关系。Hg1−xCdxTe材料典型组分为0.194、0.205、0.225、0.31、0.44、0.62,分别对应的截止波长为甚长波16.9 μm、长波13.6 μm、长波10.1 μm、中波4.6 μm、短波2.6 μm和1.7 μm[3](1 Å=0.1 nm)。

      表 1  Hg1−xCdxTe材料的重要组分与物理参数表[3]

      Table 1.  Important alloy compositions and physical parameters for Hg1−xCdxTe

      Property
      x
      HgTe
      0
      Hg1−xCdxTe CdTe
      1.0
      0.194 0.205 0.225 0.31 0.44 0.62
      a 6.461 6.464 6.464 6.464 6.465 6.468 6.472 6.481
      77 K 77 K 77 K 77 K 140 K 200 K 250 K 300 K
      Eg/eV −0.261 0.073 0.091 0.123 0.272 0.474 0.749 1.490
      λc/μm 16.9 13.6 10.1 4.6 2.6 1.7 0.8
      ni/cm−3 1.9 × 1014 5.8 × 1 013 63 × 1012 3.7 × 1012 7.1 × 1011 3.1 × 1010 4.1 × 105
      mc/m0 0.006 0.007 0.010 0.021 0.035 0.053 0.102
      gc −150 −118 −84 −33 −15 −7 −1.2
      εs/ε0 20.0 18.2 18.1 17.9 17.1 15.9 14.2 10.6
      εs/ε0 14.4 12.8 12.7 12.5 11.9 10.8 9.3 6.2
      nr 3.79 3.58 3.57 3.54 3.44 3.29 3.06 2.50
      μc/cm2·V−1·s−1 4.5 × 105 3.0 × 105 1.0 × 105
      μh/cm2·V−1·s−1 450 450 450
      b=μc/μ$_ \eta$ 1 000 667 222
      τR/μs 16.5 13.9 10.4 11.3 11.2 10.6 2
      τAl/μs 0.45 0.85 1.8 39.6 453 4.75 × 103
      τtypical/μs 0.4 0.8 1 7
      Ep/eV 19
      $\Delta $/eV 0.93
      mhh/m0 0.40-0.53
      $\Delta $/eV 0.35-0.55

      (2)直接带隙和本征吸收

      HgCdTe是直接带隙半导体材料,在主能带之间的本征吸收系数高达104/cm量级[4],因此能多吸收入射红外光子,获得接近100%的量子效率,在2π立体角视场即到达300 K背景限的理论探测极限。图1展示了不同红外探测器在1~10 000 μm波段范围内的归一化探测率D*。在77 K温度时,HgCdTe光伏(Photovoltaic, PV)和光导(Photoconductive, PC)型红外探测器在中波和长波红外波段就达到最高D*,在短波红外波段的性能也很好[4]

      图  1  不同的红外探测器在1~10 000 μm波段范围内、在指定工作温度时的探测能力比较[4]

      Figure 1.  Comparison of the D* of various available detectors when operated at the indicated temperature and in the region of 1−10 000 μm waveband[4]

      (3) 自由电子有效质量小、迁移率高

      HgCdTe材料的自由电子有效质量mc/m0小且与带隙相关。表1中,组分x为0.194、0.203、0.225、0.31、0.44、0.62时,HgCdTe的mc/m0分别为0.006(77 K)、0.007(77 K)、0.010(77 K),相应的自由电子迁移率为4.5×105cm2/(V·s)、3.0×105 cm2/(V·s)和1.0×105 cm2/(V·s) ,因此对入射红外光的响应速度快。

      (4) 光生少数载流子寿命长

      高质量HgCdTe材料光生少数载流子寿命的主要机制是本征复合,少数载流子寿命长达微秒量级(数值详见表1),使HgCdTe探测器在液氮温度(77 K)即可达到理论背景限探测性能。工程上使用斯特林制冷机、脉管制冷机、节流制冷器等即能制冷到液氮温度,大幅度降低了对制冷的要求。

      (5) 可获得大尺寸CdTe/Cd1−xZnxTe单晶衬底

      现已获得大直径、高品质CdTe/Cd1−xZnxTe单晶衬底,特别是精确控制Cd1−xZnxTe晶体中镉的组分,能满足晶格参数匹配的Hg1−xCdxTe薄膜材料外延生长,极大降低失配位错密度;另外还发展了GaAs替代衬底,通过生长CdTe缓冲层实现与Hg1−xCdxTe的晶格匹配,也能满足高质量Hg1−xCdxTe薄膜材料外延生长。

      (6) HgCdTe材料生长技术获得突破性进步

      第一代HgCdTe探测器技术采用体材料生长技术,第二代HgCdTe探测器技术采用液相外延(Liquid Phase Epitaxy, LPE)薄膜材料生长技术,第三代和第四代Hg1−xCdxTe探测器技术采用金属有机物气相化学淀积(Metal Organic Chemical Vapor Deposition, MOCVD)和分子束外延(Molecular Beam Epitaxy, MBE)薄膜材料技术。从表2展示的体材料、LPE和MOCVD、MBE生长HgCdTe晶体参数表中[5]可看出,MOCVD和MBE生长的HgCdTe晶体尺寸大,组分均匀性高,能在生长过程中掺杂直接形成p-n结和进行原位钝化,将生长HgCdTe薄膜材料发展成“生长器件”,既替代了第二代HgCdTe焦平面探测器列阵芯片制备的离子注入成结工艺,避免了离子注入造成HgCdTe晶格损伤在探测元中引入暗电流,又能制备出p-on-n结构和双层异质结等,为制备大规模、小像元、双色/双波段HgCdTe焦平面列阵芯片奠定了材料和器件基础(表中,1 torr≈133.322 Pa)。

      表 2  体材料、LPE和 MOCVD、MBE方法 生长HgCdTe的对比[5]

      Table 2.  Comparison of the various methods used to grow HgCdTe, including bulk, LPE, MOCVD, and MBE[5]

      Bulk Liquid phase epitaxy Vapour phase epitaxy
      SSR Travelling heater method
      HCT melt Te melt Hg melt Te melt MOCVD MBE
      Temperature/℃ 950 950 500 350-550 400-550 275-400 160-200
      Pressure/torr 150 000 150 000 760-8 000 760-11 400 760-8 000 300-760 10−3-104
      Growth rate/μm·h−1 250 250 80 30-60 5-60 2-10 1-5
      Dimensions/cm 0.8-1.2 dia 0.8-1.2 dia 2.5 dia 5 5 7.5 dia 7.5 dia
      l/cm - - - 6 5 4 4
      t/cm 15 15 5 0.000 2-0.003 0 0.000 5-0.012 0.000 5-0.001 0.000 5-0.001
      Dislocations/cm−2 <105 - <105 <105 <105-107 5 × 105-5 ×107 <5 × 104-5 ×106
      Purity/cm−3 <5 × 1014 <5 × 1014 <5 × 1014 <5 × 1014 <5 × 1014 <1× 1015 <1 × 1015
      n-type doping/cm−3 N/A N/A N/A 1 × 1014-1 × 1018 1 × 1015-1 × 1016 5 × 1014-1 × 1018 5 × 1014-1 × 1019
      p-type doping/cm−3 N/A N/A N/A 1 × 1015-1 × 1018 1 × 1015-1 × 1016 3 × 1015-1 × 1017 5 × 1016-1 × 1018
      X-ray rocking curve/(") - - 20-60 <20 <20 50-90 20-30
      Compositional uniformity (Δx) <0.002 <0.004 <0.005 <0.002 <0.002 ±0.01-0.000 5 ±0.01-0.000 6

      (7) HgCdTe材料的热膨胀系数与Si材料的很接近

      HgCdTe探测器列阵芯片通过In柱列阵倒装、环孔互连在Si基读出电路芯片上,制备成混合式焦平面探测器。HgCdTe材料的热膨胀系数为5.0×10−6/K,Si材料的为2.8×10−6/K[5],两者很接近,故能将大尺寸面阵(例如4 096×4 096)HgCdTe探测器列阵芯片互连在Si读出电路芯片上(图2),而不会在制冷过程中因热胀冷缩应力使探测器列阵芯片破裂。

      图  2  具有独立优化信号探测与读出的混合式HgCdTe红外焦平面探测器。(a) 铟柱倒装互连;(b) 环孔互连[5]

      Figure 2.  Hybrid HgCdTe IRFPA detector with independently optimized signal detection and readout. (a) Indium column flip chip interconnection; (b) Loophole interconnection[5]

      20世纪60年代末至70年代初,研制成功HgCdTe长波红外线列探测器组件。1975年,美国提出基于第一代红外探测器的热成像通用组件(MCTNS),从此HgCdTe材料和探测器大规模应用于军事领域至今。2017年,Antoni Rogalski提出了第四代红外焦平面探测器的概念,并总结了第一代至第四代红外探测器发展路线图与大事记,如图3所示[4]

      图  3  第一代至第四代红外探测器发展路线图与大事记[4]

      Figure 3.  Development roadmap and memorabilia for the first generation to the fourth generation of infrared detectors[4]

      当单元探测器发展成线列/小面阵探测器——第一代红外探测器时,红外系统从点源探测仪发展成第一代热成像仪。

      当第一代线列/小面阵探测器发展成从焦平面读出电信号的长线列/大面阵焦平面探测器——第二代红外探测器时,第一代热像仪发展成第二代红外成像仪,性能提高,成本大幅度降低。

      当第二代焦平面探测器发展成长线列/大面阵、双色/双波段焦平面探测器——第三代红外探测器时,第二代热像仪发展成第三代红外成像仪,实现高清晰红外成像(与高清晰电视成像技术兼容)、双色/双波段的高清晰红外成像(这终止了用户在哪个红外波段探测更好的纠结)。

      随着红外探测器技术的发展,在探测机理(例如雪崩模式、甚长波、双/多色、偏振、小尺寸像元等)、材料设计与制备(例如能带工程、MBE和MOCVD等)、工作温度(例如150 K、室温工作等)、信号处理(例如片上数字化等)、封装(例如组件级封装、片上封装等)等环节均取得显著的技术突破,红外焦平面探测器技术的多元化发展导致至今对第四代红外探测器的定义未形成统一观点。

      作者认为第四代红外探测器有如下特征:在像元规模、探测机理、探测器材料、工作温度、信号处理、封装等技术均取得台阶性进步,至少同时具有其中三个技术特征的红外探测器即可视为第四代红外探测器——当然是焦平面探测器,比如同时具有1 K级像元+双色探测+150 K工作温度技术特征的红外焦平面探测器。

      HgCdTe材料存在相对弱的汞-碲键,导致长波红外HgCdTe材料体内、表面和界面不太稳定,因此人们一直在努力寻找替代材料。尽管如此,到目前为止,HgCdTe仍是性能领先的红外探测器材料。

    • HgCdTe探测器新的方向发展包括(但不限于)大面阵、小像元、平面结与异质结、双/多波段/波长、宽波段、甚长波、150 K级工作温度、雪崩探测器、片上偏振探测等。

    • 因HgCdTe材料具有高量子效率和低暗电流,大面阵、高性能的红外焦平面探测器仍然首选HgCdTe红外焦平面探测器。例如用于Euclid Specs、WFIRST、AVIRIS-NG、ECOSTRESS和NEOCam等航天项目的HAWAII-2 RG(H2 RG)焦平面探测器组件(图4图5[6],像元采用HgCdTe p-on-n结构,规模2 048×2 048,像元中心距18 μm,像素率10 MHz(快模式)、480 kHz(慢模式),最高帧频74 Hz,输出端口1、4或32(可选),通过背减薄去除CdZnTe衬底并镀制增透膜,使光谱响应从中波红外扩展至可见光(0.6~5 μm),光谱响应比带CdZnTe衬底的2 048×2 048 HgCdTe焦平面探测器宽(黄色曲线);特别是在航天应用中,去除CdZnTe衬底后,消除了吸收宇宙射线产生的荧光效应,提高了2 048×2 048 HgCdTe焦平面探测器在低辐射背景下的探测能力,还克服了窄带红外光入射进入CdZnTe衬底在光谱仪中引入的法布里-珀罗条纹(Fabry-Perot fringes)干扰;红外截止波长有1.75 μm、2.5 μm、5.3 μm可选,量子效率在0.8~1.7 μm范围均大于80%(图6[7],在0.4 μm处仍能达到70%。

      图  4  H2 RG 2 048×2 048 HgCdTe焦平面列阵探测器[6]

      Figure 4.  H2 RG 2 048×2 048 HgCdTe FPA detector[6]

      图  6  去除CdZnTe衬底的H2 RG 2 048×2 048 HgCdTe焦平面列阵在0.8~1.7 μm范围的量子效率[7]

      Figure 6.  Quantum efficiency of the H2 RG 2 048×2 048 HgCdTe FPA with 0.8-1.7 μm cutoff which CdZnTe substrate was removed [7]

      图  5  航天望远镜近红外相机采用的2 048×2 048 HgCdTe焦平面阵列[6]

      Figure 5.  2 048×2 048 HgCdTe FPA used in the Space Telescope Near Infrared Camera[6]

      按模块化理念设计2 048×2 048 HgCdTe焦平面列阵,输入-输出端口均全部设在列阵一边,另三边空置,可用多个2 048×2 048焦平面列阵拼装出更大马赛克阵列,例如用16个H2 RG 2 048×2 048 HgCdTe焦平面探测器列阵拼成8 k×8 k HgCdTe焦平面阵列,如图7所示。

      图  7  用16个H2 RG 2 048×2 048 HgCdTe焦平面列阵拼成的Euclid焦平面组件(a)及其量子效率测试结果(b)[7]

      Figure 7.  Euclid focal plane assembly with 16 H2 RG FPA (2048×2048) (a) and the measured quantum efficiencies (b) [7]

      HAWAII-4 RG(H4 RG)焦平面列阵结构与H2 RG 2 048×2 048 HgCdTe焦平面列阵结构相同,但规模为4 096×4 096,因像元中心距采用10 μm(图8)和15 μm的小像元设计,使列阵芯片的几何尺寸增加不太大,输出端口为1、4、16、32、64(可选),在行、列设共模噪声抑制[8]。4 096×4 096 HgCdTe焦平面列阵芯片按模块化理念设计,输入-输出端口全部设在芯片一边,另外三边空置,因而可用多个4 096×4 096 HgCdTe焦平面列阵拼装出更大马赛克阵列,例如用4个4 096×4 096 HgCdTe焦平面列阵拼成1个8 192×8 192 HgCdTe焦平面阵列。

      图  8  H4 RG 4 096×4 096 HgCdTe焦平面列阵组件[8]

      Figure 8.  H4 RG 4 096×4 096 HgCdTe FPA assembly[8]

    • 采用MOCVD或MBE 技术,不仅能在大尺寸的CdZnTe衬底、GaAs、或Si替代衬底上直接将p-n结层生长出来[9],还能将响应两个红外波长的HgCdTe双层异质结层直接生长出来[10-12],极大简化了HgCdTe p-n结的制备工艺,为大面阵HgCdTe焦平面列阵、双色大面阵HgCdTe焦平面列阵的制备奠定可靠的基础,而且突破了衬底尺寸对大规模制备HgCdTe焦平面列阵的制约,是第三代、四代红外焦平面探测器的核心技术和工艺。

      图9是美国雷神视觉系统(Raytheon Vision Systems)公司研制的中波/长波红外双波段640×480 HgCdTe/Si 焦平面列阵台面结像元结构示意图[9],采用MBE技术在Si替代衬底上生长ZnTe、CdTe缓冲层,直接生长响应波段1的HgCdTe掺In层、HgCdTe掺As层、响应波段2的HgCdTe掺In层,通过离子刻蚀形成一对重叠的台面p-n结,再制备CdTe钝化层进行表面钝化,防止台面和表面漏电,焦平面列阵采用背照射结构台面p-n结,在台面p-n结上制备In柱列阵,实现与读出电路芯片的倒装互连。

      图  9  (a)雷神公司采用MBE在Si衬底上生长的单台面双波段HgCdTe像元的剖面示意图;(b)双波段像元扫描电镜图片[9]

      Figure 9.  (a) Cross-section of Raytheon’s single-mesa dual-band pixel architecture applied to HgCdTe on Si grown by MBE; (b) Scanning electron micrograph of dual-band pixels [9]

      图10展示了双色中波红外HgCdTe焦平面列阵结构示意图[10],采用MBE技术在GaAs替代衬底上生长CdTe缓冲层、组分0.4重掺杂P+型层、组分0.35掺杂P型层、组分0.29的本征层、组分0.35重掺杂N+型层、组分0.25掺杂P型层和组分0.35重掺杂P+型层,构成背照射结构的两个重叠的双层异质结,在重掺杂P+型层、重掺杂N+型层上制备In柱列阵,实现与读出电路芯片的倒装互连。

      图  10  采用MBE在GaAs衬底上生长的双色HgCdTe红外探测结构[10]

      Figure 10.  Two-color HgCdTe IR detective structure on GaAs grown by MBE[10]

      图11是采用MBE技术在CdZnTe衬底上生长HgCdTe双层异质结剖面、立体和扫描电镜照片[11],可看到如何从p-n结的台面结构引出In柱电极的结构细节。

      图  11  采用MBE在CdZnTe衬底上生长的双色n-p-n HgCdTe红外探测结构[11]。(a)剖面图;(b)立体图

      Figure 11.  Two-color n-p-n HgCdTe IR detective structure on CdZnTe grown by MBE[11]. (a) Side view; (b) Stereoscopic view

      采用MBE等技术制备基于n+-Bn-n结能带势垒阻挡结构的高工作温度HgCdTe探测器,有效降低了暗电流,对提高中波红外HgCdTe焦平面探测器的工作温度有显著贡献。图12(a)为HgCdTe p-n结的能带示意图,暗电流机制主要是吸收区热激发电子和空穴的扩散、空间电荷区隧道电流[12];图(b)为n+-Bn-n结能带与材料组成的示意图[13],因在空间电荷区的导带制造一个不对称势垒,阻挡吸收区热激发电子和空穴的扩散,抑制隧道电流。

      图  12  (a) HgCdTe p-n结的能带图与主要暗电流机制示意图[12];(b) n+-Bn-n结能带示意图[13]

      Figure 12.  (a) Energy band diagram illustrating the dark current mechanisms for a HgCdTe p-n junction[12]; (b) Energy band diagrams of HgCdTe n+-Bn-n junction[13]

    • 在高品质HgCdTe材料中,本征暗电流机制主要是:

      (1)俄歇复合或辐射复合产生的扩散电流;

      (2)空间电荷区的带间隧道电流。

      在空间电荷区两侧扩散长度的体内杂质和缺陷、表面缺陷相关暗电流机制主要是:

      (1)在n-区和p-区的肖克莱-里德(体内杂质和缺陷)复合产生的电流;

      (2)在耗尽层内少数载流子的产生-复合电流;

      (3)耗尽区陷阱辅助的隧道电流;

      (4)表面态引起的表面产生电流。

      决定HgCdTep-n结优质因子R0A的三大要素是:

      (1)耗尽区内少数载流子的产生-复合机制;

      (2)耗尽区的隧道电流;

      (3)表面漏电。

      在HgCdTe p-n结耗尽区n侧的产生-复合机制包括扩散电流、俄歇复合、辐射复合和晶格缺陷。对截止波长1.7 μm、2.5/2.7 μm的高质量短波红外HgCdTe探测器,暗电流主要来源于材料晶格缺陷,因此可工作在较高温度(例如180 K);对截止波长4.7 μm左右的高质量中波红外探测器可工作在150 K温度、且探测率与低于80 K工作温度的探测率相同(图13~15)。截止波长10.0 μm、11 μm长波红外和14.5 μm甚长波红外的高质量HgCdTe探测器,暗电流主要来源于俄歇复合,依然需要较低工作温度,为获得高探测率甚长波红外探测器需要工作在40 K低温(图16),由此可见,长波和甚长波红外HgCdTe探测器的制作难度比中波和短波红外HgCdTe探测器大。提高HgCdTe探测器工作温度的主要工艺措施是降低耗尽区内材料的杂质和缺陷、提高表面钝化质量。

      图  13  在四个重要波长计算所得的p-on-n HgCdTe探测器的工作温度与探测率关系[14]

      Figure 13.  Calculated detectivity for p-on-n HgCdTe detector plotted versus operating temperature for four important wavelength regions [14]

      图  14  HgCdTe焦平面探测器的温度、暗电流与截止波长的关系[7]

      Figure 14.  Dark current as a function of temperature and cutoff wavelengthfor HgCdTe focal plane detector[7]

      图  15  155 K温度工作的“鹰”(HAWK)中波红外焦平面探测器的主要技术参数(a)和温度与暗电流密度的关系(b)[15]

      Figure 15.  Main specifications of HOT HAWK MWIR focal plane detector operated at 155 K (a) and relationship of temperature with current density (b)[15]

      图  16  中波红外、长波红外和甚长波红外HgCdTe焦平面探测器工作温度与制冷方式的关系[7]

      Figure 16.  Relationship between operating temperature and cooling type of HgCdTe focal plane detector in MWIR, LWIR and VLWIR [7]

      图13展示了耗尽区n侧扩散电流的复合机制为俄歇复合和辐射复合时,p-on-n 型HgCdTe探测器在短波(λc=2.7 μm)、中波(λc=4.7 μm)、长波(λc=11 μm)和甚长波(λc=17 μm)红外波段计算所得的工作温度与探测率的关系[14]

      图14展示了H2 RG 2 048×2 048 HgCdTe焦平面探测器的温度、暗电流与截止波长的关系[7],以10 e/s计(CMOS读出电路的典型噪声为100 e/s),短波(λc=~1.7 μm, λc=~2.5 μm)、中波(λc=~5 μm)和长波(λc=~9 μm)的HgCdTe探测器可以工作的温度分别为170、140、80 K,作为比较给出InSb探测器的温度-暗电流关系曲线(黑色),暗电流10 e/s对应的工作温度约为45 K。

      图15 展示了155 K温度工作的“鹰”(HAWK)中波红外焦平面探测器的主要技术参数[15],截止波长5.1 μm,平均噪声等效温差17.8 mK,标准偏差2.9 mK,可用像元数量高达99.93%,完全满足实际应用要求,但斯特林制冷机因制冷工作负载小,带来使用寿命增大至10 000 h数量级的收益。

      美国Teledyne公司发展了轻掺杂的HgCdTe探测器技术,能在1~2 V的反偏电压下实现p-n结空间电荷区全部耗尽,从而抑制俄歇-1复合引起的暗电流,使探测能力达到“背景限”。使用这种全耗尽工艺可以提高HgCdTe探测器的工作温度,见图16,红色已经实现,蓝色是发展目标。工作温度在80~200 K时采用微/小型制冷机;工作温度提高到200 K以上,即可采用半导体制冷,使制冷寿命和成本呈数量级降低。

    • HgCdTe雪崩模式焦平面探测器可用于低光子数红外探测[16]、遥感[17]、激光雷达[18]等,特别是与0.9~4.3 μm红外激光结合,用于测量地形地貌、大气光谱、气体浓度等。

      HgCdTe雪崩探测器的主要技术路线是液相外延+离子注入/刻蚀成结+平面钝化[16],如图17所示,采用晶格匹配的碲锌镉衬底进行液相外延、离子注入形成平面结或离子刻蚀形成环孔结,空间电荷区在体内自然钝化,只需钝化平面/表面即可。制备的HgCdTe雪崩焦平面探测器具有雪崩击穿质量极好、雪崩增益高、光谱响应宽、响应速度快、增益色散低、暗电流低和像元可用性高等优点,主要不足是制作大面阵雪崩模式焦平面探测器受HgCdTe材料尺寸限制。

      图  17  HgCdTe雪崩探测器的结构示意图[16]

      Figure 17.  Schematic illustration of HgCdTe APDs architecture[16]

      美国DRS公司研制成功了高密度垂直集成二极管(High Density Vertically Integrated Photodiode, HDVIP)的HgCdTe雪崩探测器[19-20],如图18所示,在p型HgCdTe材料上通过离子刻蚀形成n+-n-p垂直结,通过中间的通孔金属化与其下方的读出电路输入端(Readout Input)实现高密度互连。

      图  18  美国DRS公司研制的HDVIP 结构HgCdTe雪崩探测器[19-20]。(a)侧视图;(b)俯视图

      Figure 18.  Schematic of the HDVIP structure HgCdTe APD of DRS Company[19-20]. (a) Side view; (b) Top view

      2019年,DRS研制了2×8 HDVIP 结构的HgCdTe雪崩探测器[18],结构示意图如图19所示,图(a)为俯视图,像元尺寸64 μm×64 μm,在其中均匀分布的4个环孔形成4个n+-n-p垂直结,中间为光子计数最佳入射区,图(b)为侧视图。雪崩探测器的增益区是环绕中心通孔的n区,因探测元垂直集成在其下方的硅读出电路前置放大器上,减小了探测元和读出电路之间的分布电容。

      图  19  DRS公司2×8 HDVIP p-around-n柱形结构的HgCdTe雪崩探测器示意图。(a)平面结构示意图;(b)剖面结构示意图[18]

      Figure 19.  Schematic of HgCdTe APDs by DRS using 2×8 HDVIP p-around-n cylindrical structure. (a) Top view; (b) Side view [18]

      据报道,DRS研制的规模2×8[18]和4×4[20]HgCdTe雪崩探测器组件,像元尺寸64 μm×64 μm,表面安装一个2×8微透镜列阵将填充因子提高至接近100%,封装在集成式杜瓦/制冷量200 mW的微型斯特林制冷机中(图20)。测试结果为:光谱响应0.9~4.3 μm,量子效率70%(暗计数率250 kHz),雪崩增益1 900(暗电流为每像素3万个电子),单光子脉冲响应时间6 ns,时间抖动不大于0.5 ns,电压响应率达106~108 V/W,噪声等效功率达10−13~10−16 W/Hz1/2图21),接近量子探测极限,同时提供模拟和数字输出,具有较宽的动态范围,工作温度110 K,质量700 g,功耗7 W。

      图  20  DRS公司封装2×8 HgCdTe FPA雪崩探测器的微型斯特林制冷机的设计图[18]

      Figure 20.  DRS mini-Stirling cryocooler for the 2×8-pixel HgCdTe FPA[18]

      图  21  DRS公司 HgCdTe雪崩探测器的电压响应率(a)和噪声等效功率(b)与偏置电压的关系[18]

      Figure 21.  Measurement of the DRS HgCdTe APD responsivity(a) and NEP(b) as a function of the APD bias voltage[18]

      2×8/4×4线性模式光子计数HgCdTe雪崩焦平面探测器组件/斯特林制冷机通过了美国宇航局的振动、热循环、辐射等试验,已用于机载CO2雷达(波长1.57 μm)、机载CH4激光雷达(波长1.65 μm)、NASA Langley研究中心的空气/CO2激光雷达(波长2.05 μm)等。可以预期,HgCdTe雪崩焦平面探测器将得到更快的发展。

    • 本文在总结HgCdTe材料的基本物理性质的基础上,分析了HgCdTe探测器的优点,认为现在HgCdTe红外探测器依然是性能最好的红外探测器,是第四代主流的红外焦平面探测器,在新结构、新模式、新机理、新方法、新工艺的支持下,HgCdTe材料和大面阵、平面结和异质结、小像元、双波段、甚长波、150 K级工作温度、雪崩探测器等方向或成为主流发展方向,预期未来还能达到新的高度。

      致谢

      中国科学院上海技术物理研究所何力研究员、中国电子科技集团有限公司第十一研究所喻松林研究员分别对文章提出了修改意见并指正,北京理工大学光电学院王岭雪副教授对全文进行了文字修改和编辑,在此一并表示感谢。

参考文献 (20)

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