碲鎘汞材料為窄禁帶半導(dǎo)體，隨著工作溫度的升高，材料本征載流子濃度會(huì)增加，探測器截止波長會(huì)變短，暗電流增加等，會(huì)導(dǎo)致器件性能降低。碲鎘汞紅外探測器通常在77K溫度附近工作并獲得很好的探測性能，但低溫工作會(huì)增加探測器的制備成本、功耗、體積和重量等。為了解決這些問題，在保證探測器正常工作性能的前提下，提升探測器的工作溫度是碲鎘汞紅外探測器的重要研究方向。p-on-n結(jié)構(gòu)的碲鎘汞紅外焦平面器件具有低暗電流、長少子壽命等特點(diǎn)，有利于在高工作溫度條件下獲得較好的器件性能。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，昆明物理研究所和中國人民解放軍63963部隊(duì)的研究人員在《紅外與毫米波學(xué)報(bào)》期刊上發(fā)表了題為“長波p-on-n碲鎘汞紅外焦平面器件高溫工作性能”的論文，在不同工作溫度下對(duì)p-on-n長波焦平面探測器的性能進(jìn)行測試分析，在110K時(shí)p-on-n長波碲鎘汞紅外焦平面探測器噪聲等效溫差（Noise Equivalent Temperature Difference，NETD）為25.3mK，有效像元率為99.48%，在高溫條件下具備較優(yōu)的工作性能。

器件制備

針對(duì)p-on-n長波碲鎘汞紅外焦平面探測器展開研究，器件采用原位摻In的LPE 技術(shù)在CdZnTe襯底上生長N型碲鎘汞薄膜，通過As離子注入及退火激活實(shí)現(xiàn)P摻雜，進(jìn)而制備得到像元間距25μm，640×512陣列的p-on-n長波焦平面探測器，探測器結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，77K工作溫度下截止波長為10.2μm。

圖1 p-on-n探測器結(jié)構(gòu)示意圖

性能測試

為了研究分析不同工作溫度下焦平面探測器性能變化，在兩個(gè)不同的目標(biāo)黑體輻射（T1=293K，T2=308K）下，對(duì)探測器性能進(jìn)行測試，并通過計(jì)算得到電壓響應(yīng)信號(hào)、噪聲信號(hào)、NETD等性能參數(shù)，由測試結(jié)果分析工作溫度變化對(duì)探測器性能的影響及其原因。

響應(yīng)電壓及噪聲信號(hào)

通過對(duì)長波焦平面探測器的性能測試，計(jì)算得到了不同工作溫度下探測器的響應(yīng)電壓（Vs）及噪聲信號(hào)（Vn），測試結(jié)果如圖2所示，為在70～110K不同工作溫度下響應(yīng)電壓及噪聲信號(hào)隨工作溫度（T）的變化。由圖2可知，隨著工作溫度的升高，長波焦平面探測器的響應(yīng)電壓逐漸降低；另外噪聲信號(hào)則隨工作溫度的升高而增大。

圖2 響應(yīng)電壓及噪聲信號(hào)隨工作溫度的變化

圖3所給出的是量子效率為1時(shí)響應(yīng)電壓與工作溫度的關(guān)系。由圖3所示，在理想情況下探測器響應(yīng)電壓隨工作溫度的升高而降低，而實(shí)驗(yàn)結(jié)果也與之相對(duì)應(yīng)，工作溫度的升高會(huì)導(dǎo)致探測器截止波長變短，從而引起探測器接收到的目標(biāo)輻射減少，進(jìn)而導(dǎo)致探測器響應(yīng)電壓降低。

圖3 響應(yīng)電壓隨工作溫度的變化關(guān)系

NETD和有效像元率

實(shí)驗(yàn)中通過測試并計(jì)算得到了不同工作溫度下長波焦平面探測器的NETD，并繪出了NETD隨工作溫度變化的趨勢圖，如圖4所示。由圖4知，隨著探測器工作溫度的提高，暗電流及1/f噪聲的增加，NETD也隨之變大，尤其在80K以后，NETD隨工作溫度的升高增加更明顯，NETD與工作溫度的變化關(guān)系與理論公式相符。從NETD來看，所制備的p-on-n長波碲鎘汞焦平面探測器在高溫工作條件下具有較高的溫度靈敏度，進(jìn)一步驗(yàn)證了該結(jié)構(gòu)應(yīng)用于高溫器件的可能性與優(yōu)勢。

圖4 NETD和有效像元率隨工作溫度的變化

暗電流及量子效率

為了研究高溫工作條件下器件暗電流的變化，根據(jù)Rule07經(jīng)驗(yàn)公式繪制了長波焦平面探測器（截止波長為10.2μm）暗電流隨工作溫度變化的趨勢圖，并將實(shí)驗(yàn)測試所得器件暗電流與之相比較，結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，根據(jù)Rule07經(jīng)驗(yàn)公式所得的長波探測器暗電流隨工作溫度的提高而增大，尤其在工作溫度高于100K時(shí)暗電流急劇增大，暗電流已經(jīng)增大到納安量級(jí)以上。

圖5 焦平面探測器暗電流隨工作溫度的變化

另外在不同工作溫度下測試計(jì)算得到探測器的量子效率隨工作溫度變化的結(jié)果，如圖6所示，由測試結(jié)果可知，探測器的量子效率隨工作溫度的升高而相應(yīng)降低，從70K到110K的工作溫度變化中，量子效率下降了18.39%。量子效率的降低會(huì)導(dǎo)致探測器響應(yīng)信號(hào)、探測率等減小，解決量子效率變低也是高溫器件發(fā)展的關(guān)鍵問題之一。

圖6 焦平面探測器量子效率隨工作溫度的變化

峰值探測率及信號(hào)響應(yīng)圖

實(shí)驗(yàn)中對(duì)碲鎘汞光伏探測器的峰值探測率D*p進(jìn)行了測試分析，在不同工作溫度下的D*p測試結(jié)果如圖7所示。由圖7可知，隨著探測器工作溫度的升高，探測器的D*p逐漸降低，從70K到110K的工作溫度變化中，D*p由2.25E+14cm·Hz1/2/W降低到1.39E+14cm·Hz1/2/W，降低了38.2%。

圖7 焦平面探測器D*p隨工作溫度的變化

測試了在不同工作溫度下長波p-on-n焦平面探測器的電壓響應(yīng)信號(hào)，信號(hào)響應(yīng)分布圖如圖8所示，圖中右下角的兩個(gè)扎堆盲元簇為材料缺陷，另外器件對(duì)角線位置存在工藝過程中器件表面受到的部分污染。從測試結(jié)果可以直觀看出，77K下焦平面探測器盲元少，響應(yīng)均勻，當(dāng)工作溫度提升到110K時(shí)，器件盲元有所增加，且響應(yīng)信號(hào)減小，這與量子效率、探測率的下降有關(guān)。

圖8 不同工作溫度下p-on-n LWIR焦平面信號(hào)響應(yīng)圖（左77K，右110K）

結(jié)論

低溫工作條件下，碲鎘汞紅外探測器能夠獲得極佳的探測性能，但在一定程度上會(huì)提高探測器成本，增加器件功耗等，而工作溫度提高引起的暗電流增加會(huì)導(dǎo)致器件性能的相對(duì)降低。制備了As注入的長波p-on-n碲鎘汞紅外焦平面探測器，并通過測試分析在不同工作溫度下探測器的相關(guān)參數(shù)性能。通過研究分析，在110K工作溫度下，p-on-n結(jié)構(gòu)的長波碲鎘汞焦平面探測器的NETD、D*p、有效像元率以及暗電流等參數(shù)依舊可以維持在較好的水平，能夠滿足應(yīng)用需求。p-on-n結(jié)構(gòu)的長波探測器可以實(shí)現(xiàn)在高溫條件下穩(wěn)定工作，繼續(xù)提升器件工作溫度需要進(jìn)一步的工藝研究和技術(shù)提升，對(duì)提高探測器工作溫度、降低器件成本及功耗、探測器的空間應(yīng)用等具有重要意義。

審核編輯 ：李倩