基于昆明物理研究所的Au掺杂碲镉汞长波探测器探究

据麦姆斯咨询报道，近期，昆明物理研究所的科研团队在《红外与激光工程》期刊上发表了以“Au掺杂碲镉汞长波探测器技术研究”为主题的文章。该文章通讯作者为孔金丞正高级工程师，主要从事红外材料与器件的研究工作。该文章第一作者为宋林伟高级工程师，主要从事红外材料与器件的研究工作。

该文章基于昆明物理研究所Au掺杂碲镉汞材料稳定性控制、器件暗电流控制等技术，报道了昆明物理研究所非本征Au掺杂长波碲镉汞器件研制进展。

Au掺杂碲镉汞长波材料的参数控制

由于Au掺杂原子在碲镉汞材料中为快扩散杂质，在热处理及工艺过程中，很容易往缺陷区及界面扩散富集，因而在Au掺杂器件工艺中，首先需控制Au掺杂材料稳定性。由于富Te液相外延生长的碲镉汞薄膜中会有大量汞空位（VHg）存在，掺杂Au原子在此条件下很容易占据汞格点实现受主掺杂，可实现较高的掺杂浓度材料的生长，昆明物理研究所采用富Te水平液相外延技术实现了掺杂浓度可控的Au掺杂长波材料的生长。

Au掺杂碲镉汞材料外延生长后，材料中有较多的汞空位存在，因而此时的原生材料呈现高浓度P型，汞空位起主导作用，需将Au掺杂原生材料进行汞饱和热处理，以填充材料中的汞空位，使材料中Au掺杂原子占主导，呈现P型导电。然而Au掺杂原子为快扩散杂质，热处理过程中趋向于向界面和缺陷处扩散富集，材料内部Au掺杂原子浓度降低，Au掺杂原子的快扩散特点导致热处理后材料电学参数不可控，严重影响外延材料成品率以及后续工艺的稳定性。

对于Au原子快扩散特性导致的Au掺杂碲镉汞材料稳定性控制问题，研究发现，热处理时引入一定的汞空位有助于提高Au掺杂原子稳定性，从而提高Au材料碲镉汞材料电学参数控制。制备P型材料时Au掺杂浓度可稳定控制在1.0×10¹⁶~4.0×10¹⁶cm⁻³，热处理后碲镉汞外延材料载流子浓度基本可控制在1.0×10¹⁶~4.0×10¹⁶cm⁻³之间，实现了稳定性较好的Au掺杂碲镉汞长波材料的制备。

Au掺杂n-on-p型碲镉汞长波探测器的暗电流

器件暗电流是反映探测器本质的特征参数，暗电流的大小决定了器件性能。碲镉汞器件各种暗电流中，扩散电流和产生-复合电流由材料电学性能及复合机制决定，隧道电流与材料缺陷性能有关。扩散电流是PN结空间电荷区两端载流子在电场作用下发生扩散和漂移而形成的电流，是热平衡下由空间电荷区两端少子扩散长度内的载流子所形成的电流。

载流子浓度相同的情况下，碲镉汞器件的扩散电流与少子寿命成反比，因此提高材料的少子寿命可以降低器件扩散电流。采用非本征Au掺杂原子代替本身就为深能级复合中心的本征汞空位，有助于降低碲镉汞材料中深能级缺陷，提升P型碲镉汞材料少子寿命，降低器件暗电流，从而达到提升n-on-p型器件性能的目的。

昆明物理研究所采用Au掺杂技术制备的载流子浓度为1.5×10¹⁶cm⁻³的Au掺杂长波碲镉汞（10.5μm@80K）材料，少子寿命达到0.25μs，与目前报道的采用相同技术路线材料少子寿命最高水平相当。

图1为采用非本征Au掺杂技术与本征汞空位型长波256×256（30μm）碲镉汞焦平面器件暗电流对比。80K下截止波长为10.6μm本征汞空位长波256×256碲镉汞器件暗电流为1980pA，而相同温度下截止波长为10.5μm非本征Au掺杂器件暗电流仅为171pA，采用Au掺杂技术可有效降低n-on-p型长波焦平面器件暗电流，长波器件的暗电流密度从2.2×10⁻⁴A·cm⁻²降低至1.9×10⁻⁵A·cm⁻²，R₀A从31.3Ω.cm²提升到了363Ω·cm²。

图1 a）本征汞空位n-on-p型器件与；b）非本征Au掺杂器件暗电流分布图对比

图2为昆明物理研究所制备的Au掺杂长波器件暗电流随工作温度变化图。上下两条趋势线分别为n-on-p器件和p-on-n器件暗电流控制理论值，对比发现非本征Au掺杂器件暗电流水平明显低于本征汞空位n-on-p型器件，并且随着工作温度的升高，Au掺杂长波器件暗电流越接近Rule07 p-on-n型器件理论值，在110K时Au掺杂长波器件暗电流控制与Rule07 p-on-n器件控制水平接近。

图2 Au掺杂长波碲镉汞器件暗电流随温度变化

图3为昆明物理研究所Au掺杂长波器件暗电流控制水平与国际先进水平对比图，Au掺杂长波器件R₀A值较常规汞空位n-on-p型器件提升了至少一个数量级，与p-on-n型器件R₀A值控制水平接近，昆明物理研究所Au掺杂长波器件暗电流控制接近国际先进水平，为高性能长波焦平面器件的研制奠定基础。

图3 Au掺杂长波器件暗电流控制水平

Au掺杂碲镉汞长波探测器

昆明物理研究所基于Au掺杂技术对碲镉汞器件暗电流控制方面的优势，先后研制出了Au掺杂碲镉汞256×256（30μm）、640×512（25μm）、640×512（15μm）等规格型号的长波器件（如图4至图7所示），性能与国外报道的器件水平相当，实现了非本征Au掺杂长波碲镉汞器件系列化发展，达到了批量化的生产水平。几种器件典型性能指标如表1所示。

图4 长波256×256（30μm pitch）探测器：a）组件实物图；b）响应信号图；c）NETD直方图

图5 长波640×512（25μm pitch）探测器：a）组件实物图；b）响应信号图；c）NETD直方图

图6 长波640×512（15μm pitch）探测器：a）组件实物图；b）响应信号图；c）NETD直方图

图7 长波1024×768（10μm pitch）探测器：a）组件实物图；b）响应信号图；c）NETD直方图

Au掺杂碲镉汞探测器的长期稳定性

在前期的研究中，法国Sofradir公司认为，由于Au原子为快扩散杂质原子，可能会对器件长期稳定性有一定的影响。针对该问题昆明物理所开展了Au掺杂碲镉汞器件高低温存储、高低温循环（+70℃~-40℃）及长期贮存等稳定性的研究，Au掺杂器件经高低温存储、高低温循环后器件性能无明显变化。如图8所示为Au掺杂碲镉汞长波256×256器件NETD和盲元随存储时间变化图，该支组2015年封装后，在室温下至今贮存时间超过7年，在贮存期间约6个月间隔进行性能测试，试验数据表明Au掺杂器件经历7年长期贮存过程中器件性能无明显变化。

图8 Au掺杂长波256×256器件NETD和盲元随存储时间变化图

总结

昆明物理研究所多年来持续开展了Au掺杂碲镉汞材料、器件结构设计、可重复的工艺开发等研究，突破了Au掺杂碲镉汞材料电学可控掺杂、器件暗电流控制等关键技术，将n-on-p型碲镉汞长波器件品质因子（R₀A）从31.3Ω·cm²提升到了363Ω·cm²（λcutoff=10.5μm@80K），器件暗电流较本征汞空位n-on-p型器件降低了一个数量级以上。研制的非本征Au掺杂长波探测器经历了超过7年的时间贮存，性能无明显变化，显示了良好的长期稳定性。基于Au掺杂碲镉汞探测器技术，昆明物理研究所实现了256×256（30μm）、640×512（25μm）、640×512（15μm）、1024×768（10μm）等规格的长波探测器研制和批量能力，实现了非本征Au掺杂长波碲镉汞器件系列化发展。非本征Au掺杂n-on-p型技术可作为高灵敏度、高分辨率等高性能长波及高工作温度碲镉汞器件研制的一种有效的技术途径。

编辑：黄飞