昆明物理研究所碲镉汞红外探测器研究进展

碲镉汞是一种近乎理想的红外探测器材料，吸收系数高、量子效率高、载流子寿命长、工作温度高，而且通过调整组分能够覆盖1 μm ~ 30 μm波段的红外辐射。此外，碲镉汞还具有载流子浓度可调、高电子迁移率和低介电常数等特点。尤其是随着组分的变化，晶格常数几乎不变，非常适合于制备多层异质结构等复杂结构的复合薄膜。碲镉汞可以用于研制多种类型的探测器，如光导、光伏和MIS探测器等，形成了覆盖近红外、短波、中波、长波及甚长波红外波段各种规格（32 × 1 ~ 8000 × 8000）、各种应用的全系列探测器，支撑起从一代至三代的整个现代红外技术体系。

据麦姆斯咨询报道，近期，昆明物理研究所的科研团队在《中国科学》期刊上发表了以“昆明物理研究所碲镉汞红外探测器研究进展”为主题的文章。该文章第一作者为赵俊，通讯作者为孔金丞和姬荣斌。

基于碲镉汞材料已经发展了三代红外探测器。第一代红外探测器的主要特点是一维光导探测器线列，通过光机扫描获得目标二维空间图像，得到广泛应用；第二代红外探测器的主要特点是二维光伏探测器焦平面阵列，集成读出电路完成凝视成像；第三代红外探测器的主要特点是在第二代基础上进一步提出了百万像素高分辨率、双/多色等高性能、低成本要求。随着红外探测器技术的发展，在雪崩模式、甚长波、双/多色、偏振、小尺寸像元等探测机理，能带工程、分子束外延、金属有机物化学气相沉积和液相外延等材料设计与制备，工作温度、片上数字化等信号处理，组件级、片上封装等领域均取得显著技术突破。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，但到目前为止，碲镉汞仍是性能领先的红外探测器材料。

第一代红外探测器技术研究

1960~1970年，半导体微电子领域开发的光刻技术成功引入红外探测器制造过程，发展了第一代光导型多元线列红外探测器。第一代多元光导红外探测器工作在液氮温度，由像元完成光电信号转换，然后使用室温工作的前置放大器对每个像元输出电信号进行预处理及模拟信号放大输出。每一个像元都必须通过独立信号线穿过液氮低温环境的真空杜瓦壁连接由分立电子元件组成的低噪声前置放大器，输出一个瞬态模拟电压或电流信号。在给定光学视场中，过多的金属线必然增加了杜瓦的热负载，导致微型制冷机的制冷能力无法承受，因此需要限制红外探测器像元的引出电极、信号传输线数量，导致第一代红外探测器的像元数量非常有限，一般不超过200元。美国采用60元、120元和180元的光导型红外探测器作为热像仪通用组件。英国发明了新颖的SPRITE红外探测器，它把普通的碲镉汞光导红外探测器技术与时间延迟积分技术相结合，在一个长条探测像元中完成信号的时间延迟积分。

第一代红外探测器主要基于体晶碲镉汞材料研制。1959年开始，先后发展了布里奇曼法、碲溶剂法、固态再结晶法、移动加热法等工艺手段，进行了大量的研究工作，尝试了三十多种制备技术，并取得了阶段性研究结果。截至1969年，只能生长Φ10 mm左右的碲镉汞晶锭，而且均匀性差，结果不稳定；到了1980年，碲镉汞体晶生长的几种主要技术都已成为生产技术，制备的优质碲镉汞体晶材料已可以制备性能良好的光导型探测器器件。如美国主要采用固态再结晶技术，法国主要采用碲溶剂技术，英国主要采用布里奇曼技术，乌克兰采用加压布里奇曼技术，均可生长直径40 mm的晶体。

国内多家单位开展了碲镉汞体晶材料的生长研究，如昆明物理研究所、中国科学院上海技术物理研究所、航天科工集团三院8358所、华北光电技术研究所等，相继取得较好结果。昆明物理研究所从1970年开始碲镉汞体晶材料的生长研究，到1989年，布里奇曼法、碲溶剂法、固态再结晶法等工艺成熟，可以批量提供满足光导型红外探测器需要的优质碲镉汞体晶材料。同时，为了扩展应用范围，还发展了生长管外加压平衡方法，防止生长管爆炸，成功生长了Φ40 mm的大直径碲镉汞晶体，组分均匀性、结构参数、电学参数均满足光导器件使用要求。

1990年，昆明物理研究所基于大直径碲镉汞晶体材料在国内开展第一代红外探测器技术研究，先后研制了32元I型、SPRITE II型碲镉汞光导器件，形成批量生产能力。2010年，昆明物理研究所采用薄膜碲镉汞材料替代体晶碲镉汞材料研制第一代光导红外探测器，显著提升探测性能，32元I型产品典型信噪比优于130，探测率优于5.5×10¹⁰ cm Hz1/2 W⁻¹，响应率优于7.0×10⁴ V W⁻¹，如图1所示；SPRITE II型典型信噪比优于880，探测率优于2.0×10¹¹ cm Hz1/2 W⁻¹，响应率优于4.0×10⁵ V W⁻¹，如图2所示。

图1 32元I型碲镉汞光导器件性能

图2 SPRITE II型碲镉汞光导器件性能

第二代红外探测器技术研究

1970~1980年，随着硅电荷耦合器件的发明和集成电路技术进步，像元内实现光电转换和信号读出逐渐成熟，形成以焦平面为主要特征的第二代红外探测器，如图3所示，探测器芯片组由探测器芯片和读出电路信号处理芯片通过铟柱倒装互连形成。面阵红外焦平面探测器技术将像元对信号的积分时间从10⁻⁶ s提高到10⁻³ s，约3个数量级，显著提高灵敏度，使得红外/热成像仪即使工作在红外辐射能量较长波红外波段少得多的中波，甚至短波等红外波段也能获得画质优良的红外/热图像，这是第二代红外/热成像技术将工作波段由长波扩展至中波和短波红外的基础。

图3 红外焦平面探测器芯片组示意

第二代红外焦平面探测器主要基于碲镉汞薄膜研制。1979年，液相外延、金属有机物化学气相沉积碲镉汞成功，1981年，分子束外延碲镉汞成功，推动碲镉汞焦平面阵列研制。目前液相外延碲镉汞技术发展最成熟，基于碲锌镉衬底实现碲镉汞薄膜规模化生产，支撑第二代碲镉汞红外探测器批量生产。

2004年，华北光电技术研究所完成288 × 4碲镉汞长波和320 × 256碲镉汞中波红外焦平面探测器技术突破。2007年，昆明物理研究所实现288 × 4碲镉汞长波红外焦平面探测器工程化，典型探测率优于2.2 × 10¹¹ cm Hz1/2 W⁻¹、典型噪声等效温差（NETD）优于25 mK，盲通道数量为零，如图4所示。

图4 288 × 4碲镉汞长波红外焦平面探测器性能

2008年，昆明物理研究所实现320 × 256碲镉汞中波红外焦平面工程化，典型噪声等效温差优于20 mK，盲元率优于0.5%，非均匀性优于5%，如图5所示。

图5 320 × 256碲镉汞中波红外焦平面探测器性能

目前，昆明物理研究所基于非本征掺杂完成第二代红外焦平面工艺体系升级，研制的1024 × 6碲镉汞长波红外探测器，典型探测率优于1.8×10¹¹ cm Hz1/2 W⁻¹、盲通道为零（如图6所示），与华北光电技术研究所和中国科学院上海技术物理研究所的类似产品性能相当；研制的640 × 512碲镉汞中波红外探测器典型噪声等效温差优于10 mK，盲元率优于0.3%，非均匀性优于5%，如图7所示。与华北光电技术研究所、中国科学院上海技术物理研究所、武汉高德红外股份有限公司和浙江珏芯微电子有限公司的类似产品性能相当。

图6 1024 × 6碲镉汞长波红外焦平面探测器性能

图7 640 × 512碲镉汞中波红外焦平面探测器性能

第三代红外探测器技术研究

1999年，Donald Reago等人提出以百万像素高分辨率、双/多色为主要特征的第三代红外探测器概念。2000年，Norton等人基于第三代红外焦平面探测器的难点分析，明确高性能红外焦平面探测器的发展目标仍是更高灵敏度，并补充了亚毫开尔文高温度灵敏度、近百dB大动态范围等具体内涵。2008年前后，国内开始第三代红外探测器研制，重点围绕高分辨率、双/多色、长波/甚长波、高工作温度红外焦平面等开展相关工作。

高分辨率红外焦平面探测器

国内碲镉汞高分辨率红外焦平面探测器的研制始于对标法国Lynred公司的Jupiter组件。2012年，华北光电技术研究所基于碲锌镉衬底液相外延碲镉汞薄膜实现1024 × 1024碲镉汞中波红外焦平面技术突破；2015年，昆明物理研究所基于碲锌镉衬底液相外延碲镉汞薄膜完成1280 × 1024碲镉汞中波红外焦平面组件定型，典型噪音等效温差优于18 mK，盲元率优于0.1%，非均匀性优于5%（图8），实现与法国Lynred公司Jupiter组件插拔互换；2016年，中国科学院上海技术物理研究所基于硅衬底分子束外延碲镉汞薄膜实现1280 × 1024碲镉汞中波红外焦平面样品研制；2017年，武汉高德红外股份有限公司发布1280 × 1024碲镉汞中波红外焦平面产品。

图8 1280 × 1024碲镉汞中波红外焦平面性能

2017年以来，昆明物理研究所基于碲锌镉衬底液相外延碲镉汞薄膜相继完成12 μm、10 μm、7.5 μm像元中心间距1280 × 1024碲镉汞中波红外焦平面产品谱系化拓展，典型性能如图9所示。

图9 不同像元尺寸1280 × 1024碲镉汞中波红外焦平面性能

2018年，昆明物理研究所基于锗衬底分子束外延碲镉汞薄膜完成2000 × 2000碲镉汞中波红外焦平面研制。同期，华北光电技术研究所发布基于硅衬底分子束外延碲镉汞薄膜完成2700 × 2700碲镉汞中波、短波红外焦平面样品。2020年，中国科学院上海技术物理研究所报道基于硅衬底分子束外延碲镉汞薄膜实现2048 × 2048碲镉汞短波红外焦平面研制。2021年，昆明物理研究所基于碲锌镉衬底液相外延碲镉汞薄膜完成2048 × 2048碲镉汞中波、短波红外焦平面批量生产，其中中波噪声等效温差优于20 mK，盲元率优于0.5%，非均匀性优于10%；短波噪声等效温差优于35 mK，盲元率优于0.5%，非均匀性优于10%，典型性能如图10所示。

图10 2048 × 2048碲镉汞中波、短波红外焦平面性能

双/多色红外焦平面探测器

2008年，国内开始碲镉汞双/多色红外焦平面探测器的研制。2013年，中国科学院上海技术物理研究所基于硅衬底分子束外延碲镉汞薄膜完成128 × 128碲镉汞中波/长波双色红外焦平面验证，昆明物理研究所基于锗衬底分子束外延碲镉汞薄膜实现128 × 128碲镉汞中波/长波双色红外焦平面研制，探测率优于1.8×10¹¹ cm Hz1/2 W⁻¹（中波）、1.3×10¹² cm Hz1/2 W⁻¹（短波），盲元率优于0.6%（中波）、0.5%（短波），非均匀性优于8%（中波）、6%（短波），典型性能如图11所示。

图11 128 × 128碲镉汞中波/短波双色红外焦平面性能

2018年中国科学院上海技术物理研究所基于硅衬底分子束外延碲镉汞薄膜实现320 × 256碲镉汞中波/长波双色红外焦平面突破，昆明物理研究所基于锗衬底分子束外延碲镉汞薄膜实现320 × 256碲镉汞中波/长波双色红外焦平面研制，探测率优于3×10¹¹ cm Hz1/2 W⁻¹（中波）、2×10¹² cm Hz1/2 W⁻¹（短波），盲元率优于0.6%（中波）、0.6%（短波），非均匀性优于7%（中波）、7%（短波），成像效果如图12所示。

图12 320 × 256碲镉汞短波（左）/中波（右）双色成像

2021年，昆明物理研究所基于碲锌镉衬底分子束外延碲镉汞薄膜实现640 × 512碲镉汞中波/长波双色红外焦平面研制，噪声等效温差优于20 mK（中波）、30 mK（长波），盲元率优于0.5%（中波）、1.5%（长波），非均匀性优于5%（中波）、10%（长波），成像效果如图13所示。

图13 640 × 512碲镉汞中波（左）/长波（右）双色成像

2021年，昆明物理研究所基于锗衬底分子束外延碲镉汞薄膜实现640 × 512碲镉汞中波/长波双色红外焦平面产品研制，探测率优于3.0×10¹¹ cm Hz1/2 W⁻¹（中波）、1.5×10¹² cm Hz1/2 W⁻¹（短波），盲元率优于0.6%（中波）、0.5%（短波），非均匀性优于6%（中波）、6%（短波），成像效果如图14所示。

图14 640 × 512碲镉汞中波（左）/短波（右）双色成像

长波、甚长波红外焦平面探测器

2000年，中国科学院上海技术物理研究所开始长波、甚长波红外焦平面探测器技术的研究，确定了基于p-on-n器件结构为主发展长波/甚长波红外焦平面探测器的技术方向。2012年，华北光电技术研究所采用汞空位本征掺杂n-on-p结构基于碲锌镉衬底液相外延碲镉汞薄膜完成10.0 μm截止波长320 × 256长波红外焦平面探测器工艺实现。2013年，华北光电技术研究所采用汞空位本征掺杂n-on-p结构基于碲锌镉衬底液相外延碲镉汞薄膜完成12.5 μm截止波长640 × 512长波红外焦平面探测器研制。2015年，昆明物理研究所采用金非本征掺杂n-on-p结构基于碲锌镉衬底液相外延碲镉汞薄膜完成10.5 μm截止波长256 × 256长波红外焦平面探测器研制。2016年，昆明物理研究所采用砷离子注入非本征掺杂p-on-n结构基于碲锌镉衬底液相外延碲镉汞薄膜完成12.5 μm截止波长640 × 512长波红外焦平面探测器研制。2019年，华北光电技术研究所基于碲锌镉衬底液相外延碲镉汞薄膜完成12.5 μm截止波长1000 × 1000长波红外焦平面探测器研制。

2021年，昆明物理研究所采用砷离子注入非本征掺杂p-on-n结构基于碲锌镉衬底液相外延碲镉汞薄膜，相继完成10.0 μm截止波长256 × 256，640 × 512，1024 × 768，2048 × 2048长波红外焦平面探测器谱系产品研制，典型产品噪声等效温差优于15 mK，盲元率优于0.5%，非均匀性优于10%，典型性能如图15所示；完成15.0 μm以上截止波长320 × 256，640 × 512甚长波红外焦平面探测器研制，典型产品噪声等效温差优于30 mK，盲元率优于0.5%，非均匀性优于10%，典型性能如图16所示。

图15 10.0 μm截止波长碲镉汞长波红外焦平面性能

图16 15.0 μm截止波长碲镉汞长波红外焦平面性能

高工作温度红外焦平面探测器

2015年，国内开始高工作温度红外焦平面探测器研制。提高红外探测器工作温度的核心是降低暗电流，2018年，昆明物理研究所采用砷离子注入非本征掺杂p-on-n结构基于碲锌镉衬底液相外延碲镉汞薄膜完成了150 K工作碲镉汞中波红外焦平面探测器技术突破。

2021年，昆明物理研究所采用砷离子注入非本征掺杂p-on-n结构，基于碲锌镉衬底液相外延碲镉汞薄膜完成了高工作温度碲镉汞中波、长波红外焦平面探测器研制，组件重量优于300 g，稳态功耗优于3 W。中波器件工作温度优于150 K，噪声等效温差优于12 mK，盲元率优于0.5%，非均匀性优于5%，典型性能如图17所示；长波器件工作温度优于100 K，噪声等效温差优于22 mK，盲元率优于0.5%，非均匀性优于7%，典型性能如图18所示。

图17 高工作温度碲镉汞中波红外焦平面性能

图18 高工作温度碲镉汞长波红外焦平面性能

新一代红外探测器技术研究

随着第二代红外探测器全面成熟和第三代红外探测器的广泛应用，红外技术进入多元化发展新阶段，至今对新一代红外探测器的概念未达成一致。基于红外探测器更高灵敏度、更多维信息获取等极限追求，结合远距离暗弱目标探测识别、高速隐身目标搜索跟踪等应用需求，新一代红外探测器应具备光子计数级甚高灵敏度、多维信息全光感知等特征。2018年前后，国内开始新一代红外探测器技术探索，重点围绕亿像素级甚高分辨率、线性雪崩甚高灵敏度、动态光谱集成等开展相关研究工作。

亿像素级甚高分辨率红外焦平面探测器

2020年，华北光电技术研究所开始8192 × 8192碲镉汞中波、短波红外焦平面探测器研制。同期，中国科学院上海技术物理研究所开展了6144 × 6144碲镉汞短波红外焦平面探测器研制，受制于碲镉汞薄膜尺寸，焦平面阵列规模被限制在8192 × 8192以下，制约了甚高分辨率红外焦平面的效能。2021年，昆明物理研究所基于Φ120 mm碲锌镉单晶定向生长突破，获得高质量碲锌镉衬底，锌组分均匀性优于0.36%，如图19所示，支撑基于液相外延Φ120 mm碲镉汞薄膜研制10240 × 10240甚高分辨率红外焦平面探测器。

图19 Φ120 mm碲锌镉衬底性能

2022年，昆明物理研究所在Φ120 mm碲锌镉单晶定向生长突破的基础上，体系化开展了Φ150 mm碲锌镉单晶高质量生长、大面积组分均匀性控制、低应力大尺寸单晶切割、低损伤表面处理等系统研究，同步开展了超长液相外延生长温区均匀性控制、超大装载高温度均匀石墨舟设计加工等核心技术攻关。初步结果表明，碲镉汞薄膜相关技术接近国际先进水平，如图20所示，为基于液相外延Φ150 mm碲镉汞薄膜研制12288 × 12288甚高分辨率红外焦平面探测器奠定基础。

图20 碲镉汞薄膜国内外对比

线性雪崩红外焦平面探测器

2018年，中国科学院上海技术物理研究所实现64 × 64碲镉汞线性雪崩红外焦平面探测器研制。2019年，昆明物理研究所研制成功电子倍增主/被动256×256碲镉汞线性雪崩红外焦平面探测器，在−7.1 V偏置电压条件下，平均增益达到73，增益非均匀性优于3.2%，盲元率优于0.5%，如图21所示。

图21 256 × 256碲镉汞线性雪崩红外焦平面探测器性能

2022年，昆明物理研究所研制成功电子倍增320 × 256碲镉汞线性雪崩红外焦平面探测器，在−8.6 V偏置电压条件下, 平均增益达到136，增益非均匀性优于3%，等效噪声光子数优于16，时间分辨优于9.3 ns，如图22所示。

图22 320 × 256碲镉汞线性雪崩红外焦平面探测器性能

动态光谱集成红外焦平面探测器

2018年，中国电科集团信息科学研究院开始集成法布里-珀罗谐振腔动态光谱碲镉汞红外焦平面探测器研制。2019年，昆明物理研究所充分考虑形变、应力等因素，通过对不同红外材料低温光学和结构力学物性的分析，优选单晶硅作为主要基质，优化光学和结构力学设计，采用微机电（MEMS）工艺，研制成功法布里-珀罗谐振腔调谐滤光组件。2022年，昆明物理研究所基于640 × 512碲镉汞中波红外焦平面探测器实现与法布里-珀罗谐振腔集成，法布里-珀罗谐振腔尺寸达到1.2 mm×1.2 mm、光谱范围覆盖3.39 μm ~4.61 μm、中心值透过带宽优于250 nm、中心值峰值透过率优于93%。如图23所示。

图23 640 × 512碲镉汞中波红外动态光谱集成焦平面性能

结论与讨论

第一代红外探测器起始于碲镉汞光电效应的科学发现，以多元光导为主要特征；第二代红外探测器诞生于薄膜制备和集成电路的技术突破，以焦平面为主要特征；第三代红外探测器滥觞于能带剪裁和半导体加工工艺迭代，以高分辨和叠层双色为主要特征。随着量子理论愈发完备、微电子技术体系更替、微纳加工技术快速迭代，新一代碲镉汞红外探测技术将迎来科学的复兴、技术的突破和工艺的蜕变。随着光场信息协同感知理论、可重构成像手段、神经形态视觉方法的发展，以光子计数级极限灵敏度、多维信息全光感知为主要特征，以超越规模、超越像元、超越光伏为主要途径，以看得透、看的住、看得巧为主要目标的具体内涵将在未来一段时期内推动新一代红外光电探测器技术由强度被动探测直视光学成像向多维调制非视域计算成像更新跨代，涵盖亿像素高精度探测、高探测率大面阵长波/甚长波探测、亚mK高温度分辨率、光子级分辨、光场多维自适应感知、可重构智能化等内容。

审核编辑：刘清