碲镉汞APD焦平面技术研究

碲镉汞APD探测器可通过偏压调节实现常规的被动热成像和雪崩增益下的主动成像，这将为实现采用单个焦平面探测器的自对准系统提供了可能。利用主/被动双模光学系统可方便实现被动成像和主动成像过程中的光路切换，可有效解决光路校准困难的问题。基于碲镉汞APD探测器的新型主/被动双模成像系统结构更简洁，体积、重量、功耗以及成本将更简化。

此外，碲镉汞APD器件具有增益高、响应速度快以及过剩噪声低等特点，特别适用于快速成像、主/被动双模成像以及3D成像等应用，同时满足全天时与全天候工作的需求，因此国际上主要从事红外探测器研究和开发的机构均对碲镉汞APD器件开展了广泛地研究，并已获得了令人瞩目的技术进展。

近年来，国内的研究团队也开展了碲镉汞APD器件技术的研究，但从器件规模和性能等方面均与国外先进水平存在较大的差距。

据麦姆斯咨询报道，近日，昆明物理研究所和华中科技大学的研究人员组成的团队在《红外与毫米波学报》期刊上发表了题为“碲镉汞APD焦平面技术研究”的最新论文，基于液相外延（LPE）生长的中波碲镉汞薄膜，采用B离子注入n-on-p平面结技术制备了像元中心距为30μm，阵列规模为256×256的APD焦平面探测器芯片，并在液氮温度下对增益、暗电流以及过噪因子等器件性能指标进行了测试分析；此外，还对所研制的碲镉汞APD焦平面探测器芯片进行了初步地成像演示。

器件制备

实验采用LPE生长的碲镉汞薄膜，材料Cd组分x～0.302，77K温度下对应的响应截止波长为4.95μm。材料导电类型为P型，受主杂质为汞空位，空穴浓度2.5～5.0×10¹⁶cm⁻³。

碲镉汞薄膜生长过程中采用低浓度铟掺杂作为材料的本底掺杂，铟的浓度为0.5～2.0×10¹⁵cm⁻³。通过B离子注入以及注入后的退火处理，使得离子注入产生的汞间隙原子向材料内部扩散的过程中与汞空位不断复合还原至轻掺杂的本底浓度，实现具有雪崩倍增功能的N⁻层。

然后，通过欧姆接触孔刻蚀和接触电极成型完成了碲镉汞APD探测器芯片的制备。焦平面单像元碲镉汞APD器件结构如图1所示。

图1 单像元碲镉汞APD器件结构示意图

将所制备的面阵规模256×256，像元中心间距为30μm的碲镉汞APD探测器芯片与专用的APD读出电路通过铟柱倒装互连实现了焦平面探测器芯片组。再对其进行下填胶、固化、背减薄去除衬底以及背增透膜沉积等完成了碲镉汞APD焦平面芯片的制备，芯片实物图如图2所示。

图2 碲镉汞APD焦平面芯片实物照片

器件性能测试

将256×256（30μm）碲镉汞APD焦平面探测器芯片封装入中测杜瓦，冷屏F#数为2，液氮制冷到约77K后分别对着20℃和35℃的面源黑体，调节积分时间和探测器偏置对焦平面器件的基本性能进行了测试，并对其雪崩增益M和过噪因子F进行了分析。此外，在0°视场（0FOV）条件下对液氮温度碲镉汞APD焦平面器件的暗电流进行了测试分析。最后，在不同条件下对APD焦平面器件进行了初步地成像演示。

碲镉汞APD焦平面雪崩增益

图3则为-8.6V反偏下焦平面器件雪崩增益直方图。器件增益分布呈现正态分布，雪崩增益均值为166.8，标准偏差5.56，增益非均匀性为3.33%，表现出较高的增益值和较好的均匀性。

图3 -8.6V反偏下碲镉汞APD焦平面增益直方图

图4为碲镉汞APD焦平面器件增益及其非均匀性随偏压的变化关系。器件增益随偏压指数增大，呈现出较理想的雪崩倍增现象。相应的增益非均匀性随偏压也出现了增加的趋势。

图4 77K下碲镉汞APD焦平面增益及其非均匀性随偏压的变化关系

碲镉汞APD焦平面暗电流

在0°视场（0FOV）条件下对封装入中测杜瓦的碲镉汞APD焦平面器件在液氮温度下进行了暗电流测试。图5为碲镉汞APD焦平面器件平均暗电流随偏压的变化关系，器件暗电流随偏压呈指数增大。

图5 77K下碲镉汞APD焦平面暗电流随偏压的变化关系

图6为碲镉汞APD焦平面器件增益归一化暗电流随偏压的变化关系。器件增益归一化暗电流（GNDC）在9.0×10⁻¹⁴~1.6×10⁻¹³A范围内，与法国CEA/LETI的J. Rothman报道结果相当，表现出了较好的器件性能。

图6 77K下碲镉汞APD焦平面增益归一化暗电流随偏压的变化关系

碲镉汞APD焦平面过噪因子

APD器件由于载流子在倍增区碰撞电离的随机性，使得增益随时间发生涨落，导致信号被雪崩放大的同时，器件信噪比也将出现一定程度恶化。过噪因子F定义为器件输入信/噪比和输出信/噪比的比值，是APD器件过剩噪声的量度。

图7为碲镉汞APD焦平面器件不同偏压下的过噪因子。F介于1.0~1.5之间，较好地表现出了碲镉汞APD器件因单载流子倍增机制而具有近无过剩噪声的优异性能。

图7 77K下碲镉汞APD焦平面过噪因子随偏压变化关系

碲镉汞APD焦平面成像演示

对封装在液氮中测杜瓦的碲镉汞APD焦平面器件前置中波镜头后进行了初步成像演示。在小偏压下调节积分时间至约半阱，经过非均匀性校正和盲元替换，器件成像照片如图8所示。人脸处的手掌印清晰可见，显示出与常规中波红外探测器相当的成像效果。

图8 碲镉汞APD焦平面在-50mV反偏下成像演示

通过调节器件的偏压可方便改变器件的增益。在相同的短积分时间20μs下，雪崩增益分别为1和19的器件成像照片如图9所示。在相同积分时间下，信号的雪崩增益放大过程显著提升了器件的成像效果。

图9 20μs积分时间下不增益状态碲镉汞APD焦平面成像演示（a）M=1，Tint=20μs,（b）M=19，Tint=20μs

结论

本文采用LPE生长的中波碲镉汞材料，通过B离子注入n-on-p平面结工艺制备了碲镉汞APD探测器芯片，并与专用的APD读出电路倒装互连实现了碲镉汞APD焦平面芯片的制备。将APD芯片封装入中测杜瓦，在液氮温度下对其增益、暗电流以及过噪因子等性能参数进行了测试分析，结果表明，所制备的碲镉汞APD焦平面芯片在-8.5V反偏下平均增益达到166.8，增益非均匀性为3.33%；在0~-8.5V反向偏置下，APD器件增益归一化暗电流为9.0×10⁻¹⁴~1.6×10⁻¹³A，过噪因子F介于1.0~1.5之间。此外，对碲镉汞APD焦平面进行了成像演示，在低偏压下成像效果与常规器件类似，均具有较佳的成像效果；在相同短积分时间下，信号的雪崩增益放大过程显著提升了器件的成像效果。

审核编辑：刘清