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碲镉汞（Mercury Cadmium Telluride，HgCdTe）由II-VI 族半金属HgTe（Eg = −0.3 eV）和半导体CdTe（Eg =1.5 eV）混合制备的赝二元直接带隙半导体材料[1-2]，通过调控Cd组分变化可以改变其敏感波段以至覆盖整个红外区间。HgCdTe拥有较高的吸收系数、高光电转化效率、高迁移率和与硅匹配的热膨胀系数，经历60多年的发展，HgCdTe已经成为整个红外探测材料体系中最重要的窄带隙材料[3-18]。目前，HgCdTe红外探测器已经发展了三代。但是，天文、遥感和民用设备等对探测器性能提出了更高的要求，多维信息感知、片上智能化、局域场调控型的高灵敏度大规模焦平面等成为最新一代HgCdTe红外探测器发展的重要方向，如图1所示。这对HgCdTe红外探测器的设计和制备提出了新的挑战[19-27]。
图 1 HgCdTe红外探测技术发展历程和新型局域场调控理念
Figure 1. Development history of HgCdTe infrared detection technology and novel local field modulation concept
HgCdTe红外探测器更精细的设计和加工技术为进一步提高HgCdTe红外探测器性能提供解决思路。纵观HgCdTe红外探测器发展历程，材料生长工艺与器件加工技术的进步促成了HgCdTe红外探测器由单元发展至超大规模阵列，由线列扫描发展至多维信息智能成像等。气相外延、液相外延和分子束外延等材料生长工艺的发展，保证了HgCdTe材料质量的提高和芯片规模的扩大；离子注入、激光打孔、刻蚀等工艺，能为大规模焦平面器件的制备提供低损伤技术保障。当前，HgCdTe红外探测器处于第三代到新一代发展的跨越期，提出了多维信息感知、智能化探测甚至柔性芯片等设计理念。新型可调控局域场的引入，不仅能够能为高工作温度、高灵敏度器件等第三代HgCdTe红外探测器的发展提供支撑，也能为新一代HgCdTe红外探测器关键技术攻关提供解决思路，如图1所示。文中将通过对HgCdTe红外探测器中局域场表征方法及设计思路的介绍，总结局域场理念，及其应用在当前HgCdTe红外光电探测器跨代发展中的主要研究进展，为新一代HgCdTe红外探测器发展提供优化思路。
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器件的局域场表征方法包含激光束诱导光电流测试、电子束诱导电流测试、扫描近场显微测试和微区傅里叶光谱测试等，这些技术各有优势。目前对HgCdTe红外探测器的局域场表征方面，激光束诱导光电流测试方法应用最为广泛。激光束诱导光电流测试采用的是微区光电流扫描技术（Scanning photo-current microscope, SPCM），能够通过激光局部激发光电流来表征光电流的分布，该技术具有高信噪比，高空间分辨率的特点，而且测试过程中对材料没有损伤，测试效率高。因此，近些年，SPCM技术广泛应用于HgCdTe探测器阵列的测试与表征中。HgCdTe半导体器件加工过程中使用多种工艺，如离子注入、激光打孔、刻蚀等，这些加工工艺都会给HgCdTe半导体器件带来损伤，从而引入电活性缺陷。利用SPCM方法可以验证这些关键工艺对器件造成的影响。
SPCM 方法拥有较长的历史，1949年，Haynes和Shockley发表了一项实验的结果，在该实验中，探针在n型锗表面上扫描，记录了几个位置的电流随时间的变化[28]。从这些数据中，他们能够推断出载流子迁移率和空穴寿命的估计值。这个简单的实验装置作为随后的扫描测量的概念前身。1954年，Van Roosbroeck发表了一篇关于确定各种激发源进入p-n结的寿命和表面复合速度的论文[29]，为研究人员提供了一种从实验数据中推导出相关参数的方法。1983年，Marek发表了一篇题为“Light-beam-induced current characteristic of grain boundary”的论文[30]，提出了评估晶界光电流分布的定量理论。考虑到材料吸收截面、波长和激光光斑尺寸，将提出的理论与实验进行比较，显示出极好的一致性，为实验者提供了一种以定量和普遍的方式分析这些数据的方法。这篇论文表明了利用激光束诱导光电流的方法作为一种测量材料特性和器件结构特征的方法已经成熟[31-32]。
当前常用的SPCM系统通常由4部分组成：激发源、聚焦光学器件、位置控制器和电气测量单元。SPCM技术主要存在两种扫描模式，这两种模式各有优缺点：其中一种模式如图2（a）所示，激光通过物镜聚焦后保持位置不变，样品固定在压电驱动的二维平台上随着平台移动，从而对样品进行扫描；该模式优点在于激光光路调整好就不需要移动，光路稳定性大大提高，但是缺点在于在测试过程中样品移动会导致样品的震荡，导致样品测试结果出现偏差。第二种模式如图2（b）所示，样品固定不动，激光经过压电驱动的反射镜片在样品表面进行扫描。这种模式优点在于固定样品不动，不需要考虑样品移动所带来的震动影响，缺陷在于对光路的精密性有很高要求。
图 2 （a）激光通过物镜聚焦后保持位置不变，样品随着压电驱动平台进行移动实现激光扫描[33]； （b）样品固定不动，激光由压电驱动反射镜片反射到样品表面进行扫描[34] ； （c）激光束诱导产生电流原理图和典型SPCM曲线[35]
Figure 2. (a) The laser is focused through the objective lens and remains in position, and the sample moves with the piezo-driven stage to achieve laser scanning[33]; (b) The sample is held stationary and the laser is reflected by a piezoelectrically driven reflector lens onto the sample surface for scanning [34]; (c) Schematic diagram and typical SPCM curve of laser beam induced current[35]
SPCM方法不仅可以直接获得器件光响应分布，而且能够表达材料或器件成结效果。这种方法对检测效率高且对材料没有损伤，可一次性大范围检测和筛选，这种无损的局域场检测方法对HgCdTe红外光电探测器的表征有重要意义。激光扫描样品过程中，激光照射到样品上的位置改变影响激光诱导产生的横向电场变化，也会影响SPCM信号的极性，对理想的n-on-p型HgCdTe光伏器件而言，SPCM的信号如图2 （c）所示为对称的正负双峰曲线。假定从左到右为电流的负方向，SPCM双峰特性解释如下：
（1）激光扫描点在p-n结左侧
激光照射到器件表面激发出光生载流子，被p-n结收集后进行分离，分离后结区左侧空穴堆积，因此横向电场为自左向右，也就是负方向。如图2 （c）所示，此时SPCM的信号为负值，激光光束距离p-n结距离越远，光生载流子被p-n结区域所收集的越少，SPCM信号就越弱。当然，扫描光束距离p-n结越近，SPCM信号值就越强。只有激光照射在空间电荷区几个少数载流子的扩散长度范围内，光生载流子在漂移过程时完全复合之前才有可能被结区收集，产生SPCM信号[36]。
（2）激光扫描点在p-n结右侧
激光扫描点在结区右侧时，与 （1）类似，不同的是在p-n结右侧被p-n结收集后进行分离的是材料在激光照射后产生的光生空穴，光生空穴积累在结区右侧。因此形成的横向电场方向为从右向左，因此SPCM信号为正，推断SPCM两个峰值之间的间隔代表p-n结光敏元在扫描方向的横向宽度。
（3）激光扫描点在p-n结中央
激光扫描到p-n结中间位置，光生空穴被内建电场所分离，因此均匀分布在结区两侧，横向电场强度为0，所以SPCM信号为零。
基于以上原理，SPCM技术可以清晰地表征HgCdTe器件制备工艺可能会引入的“有害”局域场类型及其特点，如激光脉冲打孔成结会引入反型层，离子注入时会引入损伤，刻蚀损伤等。这些损伤造成的结属性变化。当激光束扫描到这些区域时，会产生相应的SPCM信号，可以通过这些信号来对器件结区进行分析。
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目前，广泛应用于天文、民用、军事探测等领域的探测器主要为HgCdTe光伏型红外探测器。现有的成熟制备HgCdTe光伏器件工艺为B+离子注入成结技术，主要操作方式为利用强电场加速后的高能B+离子对p型HgCdTe材料表面进行注入，从而实现材料表面向n型转变，进而形成n+-on-p型平面结。它的主要优势在于这种工艺可操作性强，可应用于制造大面阵器件。但是，在B+离子注入材料表面的过程中会引起材料性质的一些变化以及引进一些缺陷，这些对材料的影响进而导致器件的性能变化，所以需要利用SPCM技术来表征和分析B+离子注入成结的HgCdTe光伏器件的性能，从而能够更准确地认识离子注入技术对HgCdTe光伏器件的影响以及背后的物理机制。参考文献[37-39]报道，对As掺杂长波HgCdTe器件而言，在利用B+离子注入工艺进行器件制备过程中会将扩展缺陷引入到器件表面，这些缺陷在器件表面会导致器件的红外探测性能有所降低。但是，关于在利用B+离子注入工艺进行制备Hg空位掺杂的中波HgCdTe阵列器件过程中的器件性能变化，以及利用这种工艺制备过程中所引起的离子注入损伤区的空间信息和结类型的转换过程背后的物理机制少有人研究。注入过程中引入的这些缺陷对温度很敏感，这些缺陷对p-n结类型的转变也有很大影响，因此会导致不同温度时SPCM曲线的形状发生变化。利用SPCM技术在不同的温度下对中波HgCdTe阵列器件分别进行表征，可以通过SPCM实验曲线分析出离子注入过程中所引入的缺陷以及这些缺陷对中波红外HgCdTe器件性能的影响[39]。
SPCM的信号表现出周期分布的特点，单个周期的SPCM信号表示器件中一个光敏元光电特征的空间分布信息。如图3（a）、（b）所示为Qiu等人[39]测试离子注入中波HgCdTe器件后，在300 K 和87 K 时SPCM测试曲线。Qiu等人[39]分析，SPCM信号中间的正负双峰间隔和设计结区的宽度相对应，SPCM信号外侧正负双峰间隔和一个光敏元总的有效光敏尺寸相对应，比设计结区宽度要大。将87 K 和300 K 的SPCM曲线进行对比后发现，峰间宽度与光敏宽度的大小几乎相同，因此没有光敏区域的扩展效应。同时，将300 K下的实验曲线和87 K下的实验曲线进行对比 ，发现从87 K到300 K 时B+离子注入区实验所得SPCM信号极性反转，说明在较低温度到较高温度转换过程中，器件表面B+离子注入区域的电学性质有所变化。
图 3 B+离子注入中波HgCdTe器件SPCM分析下的SPCM实验曲线。（a） 300 K ；（b） 87 K；（c） 87 K，300 K时器件的p-n-on-p结转换模型示意图；（d）中波和长波p型HgCdTe 样品材料霍尔系数随温度变化的测量曲线；（e） 300 K时，离子注入区域不同缺陷浓度下的SPCM仿真曲线；（f） 87 K时，掺杂浓度不均匀的SPCM仿真曲线[39]
Figure 3. SPCM analysis of B+ ion-implanted mid-wavelength HgCdTe devices SPCM curve at (a) 300 K and (b) 87 K, respectively; (c) schematic of the p-n-on-p junction transition model of the device at 87 K, 300 K; (d) Measured curves of Hall coefficients of mid-wavelength and long-wavelength p-type HgCdTe materials vs temperature; (e) SPCM simulation curve at 300 K for different defect concentrations in the ion injection region; (f) SPCM simulation curve at 87 K for non-uniform doping concentration[39]
以往研究发现，在利用B+离子工艺注入器件成结的过程中，反转n+层（即n+-on-p结）逐渐在p型HgCdTe器件表面形成，同时在离子注入成结区的范围内也会引入深能级结构缺陷[40-43]。在低温时，位于离子注入所引入的缺陷大部分都尚未达到被激活的条件，这时候缺陷对HgCdTe器件性能影响不是很大，这时候的HgCdTe器件呈现n-on-p结的结构特征。温度达到室温时，由离子注入工艺所引入的大部分的深能级结构缺陷达到被激活的条件，因为缺陷被激活，离子注入区域从n+反型逐渐向着弱n-型或p型变化。因此，在室温情况下，HgCdTe红外器件的结类型为p-n-on-p转换结。Qiu等人提出的理论模型示意图如图3（c）所示。同时由于处于间隙的Hg原子在离子注入区范围扩散，导致B+离子注入窗口的尺寸相对有效的光敏尺寸要小。
Hu等人[37-38]发现HgCdTe长波材料的混合电导效应的存在可以使吸收层由p型向着n型转变。这种混合电导效应主要是由于电子迁移率比空穴高，温度升高可以产生大量本征载流子，禁带宽度越窄，混合电导效应越明显。图3（d）为中波和长波p型HgCdTe中作为温度函数的实验测量霍尔系数曲线，在温度低于100 K 时，p 型长波HgCdTe器件的霍尔系数表现为正（图中蓝色方块标记），温度高于100 K 时，p型长波HgCdTe器件的霍尔系数表现为负（图中红色方块标记）；p 型HgCdTe中波材料在整个测量温度霍尔系数都为正（绿色圆形标记）。分析可得，在温度大于100 K 时，Hg空位掺杂p型HgCdTe长波材料的霍尔系数由正值转为负值，从空穴导电为主转化为电子导电为主，由表现p型材料特征转变为表现n型材料特征。然而，由Hg空位掺杂的HgCdTe中波材料一直表现为p型材料，没有出现这种转变的现象。由于中波HgCdTe材料的带隙结构较宽，混合导电效应因此减弱，因此导致不再出现有效光敏尺寸的扩展现象。如图3（e）、（f）所示，Qiu等人[39]基于载流子漂移-扩散方程建立了器件仿真模型，利用这个模型对处于300 K 和87 K 温度的中波HgCdTe器件的SPCM曲线进行模拟，仿真曲线与实验结果吻合较好。300 K 时仿真结果如图3（e）所示，分析发现新的SPCM曲线极性反转信号在300 K 温度下器件实验和模拟的SPCM曲线都有出现。同时发现，此反转SPCM信号值与原始结SPCM信号的比值受受主类型的缺陷密度所影响，离子注入区的缺陷浓度越高，SPCM曲线的极性反转信号就越强。同时，如图3（f）87 K 时的仿真结果，87 K 下SPCM实验曲线存在一个窄小的低谷信号，这主要是由于离子注入过程中不同区域的掺杂浓度不同所导致的。所以参考文献[39]中模拟过程假设结区中心左侧存在一个掺杂浓度较低的小区域，经过模拟后对模拟数据和实验数据进行对比，模拟数据也出现了一个窄小的低谷信号，同时发现随着这一区域的掺杂浓度的逐渐下降，模拟曲线上的小窄谷信号值也降低。
总之，使用SPCM表征方法可以研究通过B+离子注入技术制备的中波HgCdTe光伏阵列中结性能的温度依赖性。相关结果表明，离子注入和Hg填隙扩散引入的温度激活深缺陷是B＋离子注入区SPCM信号与反极性耦合的主要机制。对于中波HgCdTe器件，更宽的带隙可能会导致结扩展效应在87 K 和300 K 之间消失。这些工作有助于更好地理解p型HgCdTe上的离子注入诱导结转变以及增加B+离子注入技术制造的中波长HgCdTe红外探测器的应用。
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Dawar[44-45]通过实验发现激光对器件的局部照射会改变HgCdTe材料照射区域的电学性质，这个发现为后来的HgCdTe材料的研究和制备提供了一种新的方法。飞秒脉冲激光的二维阵列输出可以利用分束、光掩模等工艺实现。脉冲激光打孔成结可以大幅降低HgCdTe红外焦平面阵列器件的制备繁琐程度，将提升器件的制备速度。但激光打孔也容易引入损伤，参考文献[35]中采用SPCM技术对激光打孔成结特性进行了深入研究。
Qiu等人[35]对激光打孔成结的器件进行SPCM测试。检测结果如图4（a）、（b）所示，由图可以发现，脉冲激光打孔后的p型HgCdTe材料局部电学性质发生变化，具有p-n结特性。同时，p-n结的SPCM曲线分布和检测温度有很大关系，当样品处于300 K 情况下，实验测得SPCM曲线形状为四峰特征，其中中间两峰为不正常的SPCM信号反转现象；样品处于低温 （87 K）情况下实验测得SPCM曲线形状为简单的双峰特征。结果表明，激光钻孔引入的结构损伤区域中的陷阱可以在高温下捕获自由电子，从而可以缩短少数载流子的寿命。这种现象说明样品在激光打孔区域局部的电学性质在由低温（87 K）到高温（300 K）过程中也有所变化。
图 4 激光打孔成结HgCdTe器件SPCM分析。（a） 300 K 下的SPCM实验曲线；（b） 87 K 下的SPCM实验曲线；（c） 低温和室温下样品器件的p-n结转换模型；（d） 霍尔系数的温度依赖性；（e） 300 K激光打孔成结SPCM模拟和实验结果曲线；（f） 87 K激光打孔成结SPCM模拟和实验结果曲线[35]
Figure 4. SPCM analysis of laser punched junction-forming HgCdTe devices. (a) Experimental SPCM curve at 300 K; (b) Experimental SPCM curve at 87 K; (c) Model of p-n junction transition for sample devices at low and room temperatures; (d) Temperature dependence of Hall coefficient; (e) 300 K laser perforated junction SPCM simulation and experimental results curves; (f) 87 K laser perforated junction SPCM simulation and experimental results curves[35]
据Qiu等人[35]分析，单个p-n结的SPCM信号为对称的双峰分布特征。因此，87 K 时激光打孔结构的SPCM实验曲线特征和n+-on-p结的SPCM曲线特征相似，这证明了在激光打孔区域存在n反型区域。虽然激光打孔处理半导体材料后其打孔区域电学性质发生变化的实验现象早已被发现，但是其打孔区域电学性质发生变化背后的具体机理还没有相应的物理解释[46-47]。
因此，提出p-n+-on-n结转换模型，如图4（c）所示。已知激光打孔成结技术会增加电活性缺陷[44-45]。电活性缺陷包含两种（施主类型或受主类型），电活性缺陷类型对最终p-n结类型有重大影响。和离子注入技术类似，如图4（b）所示，样品在较低温度时，在n+反型区内缺陷大部分都没有被激活，因此，在低温时激光打孔引入的缺陷对样品基本没有影响，激光打孔区域的电子准费米能级与刻蚀形成的n+反型层相同。但是，如图4（a）所示，在室温条件下，SPCM信号出现了极性反转与耦合效应，SPCM信号的变化表示，激光打孔工艺过程中引入的一部分缺陷被温度变化所激活，同时器件中陷阱的存在将捕获很多的自由移动电子，这也就引起了损伤区n+反型层向着新的弱n-型或p型层转变，使得成结区域存在新的耦合结。除此之外，在p型HgCdTe材料中存在着混合电导效应，这也会影响成结区的电学性质，如图4（d）所示，当温度低于200 K（蓝色方形符号）时，霍尔系数为正，当温度高于 200 K（红色方形符号）时为负。由Hg空位掺杂的p型HgCdTe材料在大于200 K 的环境下，器件霍尔系数从正值转为负值，也就是说从表现p型材料特征转变为表现n型材料特征。所以，在室温条件下，经过激光打孔的器件最终转化为p-n+-on-n耦合结结构。参考文献[35]基于载流子的漂移-扩散模型，采用二维有限元模型。如图4（e）、（f）给出了300 K 和87 K 下仿真曲线和实验曲线对比图，实验结果和仿真结果非常吻合，验证了p-n+-on-n耦合结仿真模型的准确性。
参考文献[35]通过SPCM表征技术研究了由飞秒激光钻孔引起的空位掺杂p型HgCdTe结。实验和模拟结果都表明，材料表面的电反转层和陷阱是通过激光钻孔产生的。电反转层、陷阱和混合导电有助于SPCM在高温下产生新颖的信号反转和耦合效应。此工作可为更好地理解空位掺杂p型HgCdTe上激光钻孔诱导结转变提供实验和理论依据，并为激光钻孔形成的HgCdTe红外探测器的应用提供指导。
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刻蚀工艺是指对目标材料表面进行部分遮盖后，将未遮盖部分部分去除的工艺，刻蚀工艺分为湿法刻蚀、干法与湿法相结合的刻蚀技术以及干法刻蚀，如图5所示[48]。湿法刻蚀优势在于操作简单，可靠性高并且适合大批量生产，因此其在半导体工艺中被广泛采用。但是这种刻蚀方式也存在其缺陷，因为湿法刻蚀各向异性差，台面刻蚀较低的纵横比，不适合刻蚀深度较大的情况，应用在红外焦平面阵列制备时，会导致红外焦平面阵列的填充因子比较低。与湿法刻蚀相比，干法刻蚀中的等离子刻蚀对红外焦平面阵列制备过程中的台面的形成有很多优势，其各向异性高，所以可以用来制造高填充因子的红外焦平面阵列；但是这种等离子刻蚀工艺也有着它的缺点，例如制备过程中很容易使材料表面出现损伤，因此需要后续的热处理技术来减轻这些刻蚀带来的损伤。目前，已经使用了各种干法刻蚀技术，例如离子束刻蚀、反应离子刻蚀（RIE）、电感耦合等离子体（ICP）刻蚀[49]和电子回旋共振（ECR）刻蚀[50-52]。
Rogalski [53-54]提到，因为Hg-Te键强度较低以及CdTe成分的挥发性较低，所以干法刻蚀更容易损伤HgCdTe材料表面，同时干法刻蚀坑表面也会因为刻蚀的影响转变其电学性质，这种损伤对红外焦平面探测器整体来说是不可忽视的。Li等人[55]利用SPCM对不同刻蚀温度下的干法刻蚀样品在同一温度下进行测试，测试结果如图6（a）所示。
图 6 干法刻蚀HgCdTe器件SPCM分析。（a） 81 K下测量的不同刻蚀温度p-HgCdTe样品的SPCM曲线；（b）损伤结深度（左）和SPCM信号峰峰值（右）作为刻蚀温度的函数；（c）不同刻蚀温度下第一周期的实验信号分布；（d）模拟具有不同电子浓度器件的SPCM信号分布；（e）扫描具有不同电子浓度的第一个刻蚀凹槽，模拟电场作为激光束位置的函数[55]
Figure 6. SPCM analysis of dry etched HgCdTe devices. (a) SPCM curves of p-type HgCdTe samples with different etching temperatures measured at 81 K; (b) Damage junction depth (left) and SPCM signal peaks (right) as a function of etching temperature; (c) Experimental signal distribution for the first cycle at different etching temperatures; (d) Simulation of SPCM signal distribution for devices with different electron concentrations; (e) Scan of the first etched notch with different electron concentrations and simulated electric field as a function of laser beam position[55]
图6（a）展示了在81 K测量的不同刻蚀温度刻蚀p型HgCdTe样品的SPCM线轮廓和二维SPCM映射。分析可知，峰谷形成的原因是干法刻蚀引起的损坏导致在台面侧壁上进行类型转换。在刻蚀过程中空位掺杂的p型HgCdTe中类型转换现象的出现被广泛解释为Hg原子在表面附近的物理位移，从而产生了间隙Hg原子。这些间隙Hg原子导致残留的未补偿供体主导导电性，从而通过消除受损区域内的受体空位将区域转化为n型。图6（a）还显示了不同刻蚀温度下，实验测得SPCM信号的峰值变换，可以分析随着刻蚀温度的逐渐降低（从273~123 K），SPCM信号的峰值也降低，SPCM信号峰值之间的间距代表着光敏元的宽度，也就是n型反型层的宽度，将刻蚀坑的宽度减去实验测得的反型层宽度就是刻蚀坑边缘n型扩展区的宽度。图6（b）为测量干法刻蚀引起的损伤结深度作为刻蚀温度的函数（左）和实验测得SPCM信号峰的峰值作为刻蚀温度的函数（右）。可以分析，逐渐提升刻蚀温度的过程中，pn结深度也增加，说明刻蚀台面的pn结深度与刻蚀时的温度呈现正相关的关系。同时表示随着刻蚀温度的逐渐提升，n型扩展区的宽度也增加，表明在刻蚀坑的边缘部分的n型扩展区的宽度和刻蚀时的温度呈现正相关的关系。究其背后的原因，在较高的刻蚀温度下进行刻蚀，较高的刻蚀温度引起器件中的Hg间隙原子的扩散程度提高，因此在HgCdTe材料刻蚀区域中的n型反型区域扩大。随着刻蚀温度降低，实验所得的SPCM信号的峰值也降低的现象，主要是由于在比较低的温度下进行刻蚀后，刻蚀区域的n型反型能力减弱，转换后n型区域中的电子浓度随刻蚀温度的降低而降低，因此n型区域的电场强度随着刻蚀温度的降低逐渐减小，SPCM实验峰值也随着刻蚀温度的降低而降低。
Li等人[55]建立了实验过程中不同时刻温度下的基本物理过程的模拟验证了这种理论。图6（c）、（d）为在不同刻蚀的温度时的 SPCM 测试数据和 n 型区域内具有不同电子浓度的 SPCM 模拟信号图，对比发现采用特定的电子浓度进行模拟后的SPCM信号数据比较符合实验测得的SPCM数据，这个结果证实随着刻蚀温度的降低，转换后的n型区域中不同的电子浓度是引起SPCM曲线的峰值降低的现象的重要原因。图6（e）显示了转换后的 n 型区域内不同电子浓度的干法刻蚀器件的模拟电场分布，从而表明较低的刻蚀温度会产生较弱的内置电场和较弱的损伤诱导型反转，验证了上面的结论。
转换后的n型区域中的电子浓度变化是引起SPCM实验曲线峰值随着刻蚀温度降低而降低的重要原因。在较低的刻蚀温度下，由干法刻蚀引起的刻蚀凹槽上的类型转换变得更弱。这些发现可以帮助大家通过SPCM方法更好地识别Hg空位掺杂p型HgCdTe材料的刻蚀凹槽，可以更好地将这些技术应用在第3代HgCdTe红外焦平面探测器的制备工艺过程中。
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随着HgCdTe红外探测器的发展，一些新型器件结构设计方案逐渐被提出。如图7所示，这些新型结构设计多为精细的局域场设计方案。
图 7 （a）保护环结构的电场分布[56]；（b） pBp-APD结构在−7 V的载流子密度、电场和电势模拟图[57]；（c）变组分APD器件的吸收区带隙[58]；（d）异质结 P-i-N 探测器架构[59]；（e）基于局域场理论的APD增益特性分析[20]；（f）局域光场结构 HgCdTe 光电二极管示意图[60]
Figure 7. (a) Electric field distribution of the protection ring structure [56]; (b) Simulated plots of carrier density, electric field and potential at −7 V for the pBp-APD structure[57]; (c) Band gap in the absorption region of the variable component APD device[58]; (d) heterojunction P-i-N diode architecture [59]; (e) APD gain characterization based on local field theory [20]; (f) Schematic of the local field structure HgCdTe photodiode[60]
针对 HgCdTe 雪崩光电探测器易受表面局域电场的影响导致器件表面隧穿电流大、预击穿等问题，Li等人[56] 设计了具有保护环结构的HgCdTe 雪崩光电二极管（Avalanche Photon Diode, APD），如图7（a）所示, 通过分析不同的保护环结构设计发现，通过引入深阱保护环可以有效抑制表面局域电场，而不会抑制光生载流子输运方向上的纵向电场，这种HgCdTe器件可以在不降低增益的情况下大大减小噪声电流，提升了器件的增益噪声比。He等人[57]在高温长波HgCdTe的APD研究中提出一种基于单极阻隔结构的pBp-APD新型结构（如图7（b）所示）。通过耦合APD中的阻隔层结构可以有效降低吸收区内的载流子浓度，使得所有与温度相关的暗电流机制都失效，从而允许工作温度的大幅度提高。pBp-APD的势垒层在-7 V偏置电压情况下传导势垒约为0.13 eV，可以保证结构在高偏置下也能保持优异的电子阻隔效果并抑制暗电流。印度Anand Singh等人[58]针对HgCdTe APD带宽限制，提出了一种变组分的器件结构设计（如图7（c）所示），器件在吸收区内采用Cd缓变的设计，在吸收区内形成较大的局域电场，可以有效地促进吸收区内载流子的输运，这种方法实现了带宽的提升。美国Teledyne公司[59]提出了一种P-i-N的器件结构（如图7（d）所示），在吸收区是采用窄带隙材料，两端电极层采用了宽带隙HgCdTe材料，这样的器件结构会在吸收区内自发耗尽，形成耗尽型的器件结构设计，这样相当于进一步降低了吸收区材料的本征载流子浓度，实现Auger复合抑制，提高器件的背景限温度。Xie等人[20]在对HgCdTe的局域场理论修正方面提出了一些新的想法，提出了一种起源于量子力学的窄带材料HgCdTe的无参数雪崩分析理论，避免了任何拟合参数或任何统计估计，同时利用了具有拟合参数的宏观经验模型和具有统计估计的微观过程模拟，这是一种较为完善的雪崩过程的空间描述和广义历史依赖理论，对HgCdTe噪声起源分析及抑制有较高的参考价值。图7（e）展示了Xie等人提出的模型对APD光电流增益和漏电流增益以及实验增益和蒙特卡洛模拟增益的比较结果。Ge等人[60]针对HgCdTe 薄层吸收量子效率较低的难题，提出了一种光电联合调控的局域场增强设计，采用趋肤效应设计了新型结构，如图7（f）所示，实现了薄层HgCdTe材料的吸收率的进一步提高，这将有助于器件带宽的提高。
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文中综述HgCdTe红外探测器的局域场光电表征方法与局域场设计理念。总结了利用SPCM技术对HgCdTe材料生长与器件加工工艺诱导的结转换特性和损伤区空间分布等无损测量方法，实现有害局域场的可视化表征，为HgCdTe红外探测器制备提供指导。进一步，总结了HgCdTe红外探测器的局域场设计理念，为HgCdTe红外探测器提供了结构优化方案，能够对新一代HgCdTe红外探测器发展提供思路。
局域场表征与设计理念表现出HgCdTe红外探测器正向更精细的方向发展，这决定着器件性能或功能的进一步提升。在局域场表征方面，SPCM方法需要进一步突破更高分辨率、多维成像和多光谱成像，这样能够反馈出器件更深层次信息。在局域场设计方面，需要面向应用需求提出更巧妙的设计方案，随着器件加工技术的进一步成熟，器件内微纳结构构造以及器件与人工微结构耦合将会不仅仅是概念。将来，随着先进的局域场表征技术与设计理念的实施，将对新一代HgCdTe红外探测器发展提供理论与技术支撑。
Research progress on local field characterization of mercury cadmium telluride infrared photodetectors (invited)
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摘要: 碲镉汞材料 (HgCdTe) 是第三代红外探测系统中使用的重要探测材料，其发展水平能基本反映当前红外探测器最优性能指标。近年来，天文、遥感和民用设备对探测器性能提出了更高的要求，这对HgCdTe红外探测器的设计和制备提出了新的挑战。HgCdTe红外探测器更精细的设计和加工技术为提高HgCdTe红外探测器性能提供解决思路。抑制器件的有害局域场、调控器件的有益局域场可以实现器件性能进一步的突破。但是，如何对HgCdTe光电器件局域场进行表征与分析，澄清HgCdTe光电器件中局域场相关的噪声及暗电流起源，是推动器件性能突破需解决的重要关键科学与技术问题。文中将总结HgCdTe红外光电探测器局域场表征与分析的研究进展，为新一代HgCdTe红外光电探测器发展提供基础支撑。Abstract: Mercury cadmium telluride (HgCdTe) material is an important detection material used in third-generation infrared detection systems, and its development level can reflect the optimal performance indicators of current infrared detectors. In recent years, astronomical, remote sensing, and civil equipment have put forward higher requirements for detector performance, which has brought new challenges to the design and preparation of HgCdTe infrared detectors. The finer design and processing technology of HgCdTe infrared detectors provide solutions for improving the performance of HgCdTe infrared detectors. Suppressing the harmful local field of the device and regulating the beneficial local field of the device can achieve further breakthroughs in device performance. However, how to characterize and analyse the local field of HgCdTe optoelectronic devices and clarify the origin of dark current and related noise in HgCdTe optoelectronic devices have become key scientific and technical issues to be solved to promote device performance breakthroughs. This paper summarizes the research progress of local field characterization and analysis of HgCdTe infrared photodetectors and provides basic support for the development of a new generation of HgCdTe infrared photodetectors.
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图 1 HgCdTe红外探测技术发展历程和新型局域场调控理念
Figure 1. Development history of HgCdTe infrared detection technology and novel local field modulation concept
图 2 （a）激光通过物镜聚焦后保持位置不变，样品随着压电驱动平台进行移动实现激光扫描[33]； （b）样品固定不动，激光由压电驱动反射镜片反射到样品表面进行扫描[34] ； （c）激光束诱导产生电流原理图和典型SPCM曲线[35]
Figure 2. (a) The laser is focused through the objective lens and remains in position, and the sample moves with the piezo-driven stage to achieve laser scanning[33]; (b) The sample is held stationary and the laser is reflected by a piezoelectrically driven reflector lens onto the sample surface for scanning [34]; (c) Schematic diagram and typical SPCM curve of laser beam induced current[35]
图 3 B+离子注入中波HgCdTe器件SPCM分析下的SPCM实验曲线。（a） 300 K ；（b） 87 K；（c） 87 K，300 K时器件的p-n-on-p结转换模型示意图；（d）中波和长波p型HgCdTe 样品材料霍尔系数随温度变化的测量曲线；（e） 300 K时，离子注入区域不同缺陷浓度下的SPCM仿真曲线；（f） 87 K时，掺杂浓度不均匀的SPCM仿真曲线[39]
Figure 3. SPCM analysis of B+ ion-implanted mid-wavelength HgCdTe devices SPCM curve at (a) 300 K and (b) 87 K, respectively; (c) schematic of the p-n-on-p junction transition model of the device at 87 K, 300 K; (d) Measured curves of Hall coefficients of mid-wavelength and long-wavelength p-type HgCdTe materials vs temperature; (e) SPCM simulation curve at 300 K for different defect concentrations in the ion injection region; (f) SPCM simulation curve at 87 K for non-uniform doping concentration[39]
图 4 激光打孔成结HgCdTe器件SPCM分析。（a） 300 K 下的SPCM实验曲线；（b） 87 K 下的SPCM实验曲线；（c） 低温和室温下样品器件的p-n结转换模型；（d） 霍尔系数的温度依赖性；（e） 300 K激光打孔成结SPCM模拟和实验结果曲线；（f） 87 K激光打孔成结SPCM模拟和实验结果曲线[35]
Figure 4. SPCM analysis of laser punched junction-forming HgCdTe devices. (a) Experimental SPCM curve at 300 K; (b) Experimental SPCM curve at 87 K; (c) Model of p-n junction transition for sample devices at low and room temperatures; (d) Temperature dependence of Hall coefficient; (e) 300 K laser perforated junction SPCM simulation and experimental results curves; (f) 87 K laser perforated junction SPCM simulation and experimental results curves[35]
图 6 干法刻蚀HgCdTe器件SPCM分析。（a） 81 K下测量的不同刻蚀温度p-HgCdTe样品的SPCM曲线；（b）损伤结深度（左）和SPCM信号峰峰值（右）作为刻蚀温度的函数；（c）不同刻蚀温度下第一周期的实验信号分布；（d）模拟具有不同电子浓度器件的SPCM信号分布；（e）扫描具有不同电子浓度的第一个刻蚀凹槽，模拟电场作为激光束位置的函数[55]
Figure 6. SPCM analysis of dry etched HgCdTe devices. (a) SPCM curves of p-type HgCdTe samples with different etching temperatures measured at 81 K; (b) Damage junction depth (left) and SPCM signal peaks (right) as a function of etching temperature; (c) Experimental signal distribution for the first cycle at different etching temperatures; (d) Simulation of SPCM signal distribution for devices with different electron concentrations; (e) Scan of the first etched notch with different electron concentrations and simulated electric field as a function of laser beam position[55]
图 7 （a）保护环结构的电场分布[56]；（b） pBp-APD结构在−7 V的载流子密度、电场和电势模拟图[57]；（c）变组分APD器件的吸收区带隙[58]；（d）异质结 P-i-N 探测器架构[59]；（e）基于局域场理论的APD增益特性分析[20]；（f）局域光场结构 HgCdTe 光电二极管示意图[60]
Figure 7. (a) Electric field distribution of the protection ring structure [56]; (b) Simulated plots of carrier density, electric field and potential at −7 V for the pBp-APD structure[57]; (c) Band gap in the absorption region of the variable component APD device[58]; (d) heterojunction P-i-N diode architecture [59]; (e) APD gain characterization based on local field theory [20]; (f) Schematic of the local field structure HgCdTe photodiode[60]
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