摘要：基于當(dāng)前紅外探測器技術(shù)的發(fā)展方向，從高工作溫度紅外探測器應(yīng)用需求的角度分析了碲鎘汞高工作溫度紅外探測器在組件重量、外形尺寸、功耗、環(huán)境適應(yīng)性及可靠性方面的優(yōu)勢。總結(jié)了歐美等發(fā)達(dá)國家在碲鎘汞高工作溫度紅外探測器研究方面的技術(shù)路線及研究現(xiàn)狀。從器件暗電流和噪聲機制的角度分析了碲鎘汞光電器件在不同工作溫度下的暗電流和噪聲變化情況及其對器件性能的影響；總結(jié)了包括基于工藝優(yōu)化的Hg空位p型n-on-p結(jié)構(gòu)碲鎘汞器件、基于In摻雜p-on-n結(jié)構(gòu)和Au摻雜n-on-p結(jié)構(gòu)的非本征摻雜碲鎘汞高工作溫度器件、基于nBn 勢壘阻擋結(jié)構(gòu)的碲鎘汞高工作溫度器件及基于吸收層熱激發(fā)載流子俄歇抑制的非平衡模式碲鎘汞高工作溫度器件在內(nèi)的不同技術(shù)路線碲鎘汞高工作溫度器件的基本原理，對比分析了不同技術(shù)路線碲鎘汞高工作溫度器件的性能及探測器制備的技術(shù)難點。在綜合分析不同技術(shù)路線高溫器件性能與技術(shù)實現(xiàn)難度的基礎(chǔ)上展望了碲鎘汞高工作溫度器件技術(shù)未來的發(fā)展方向，認(rèn)為基于低濃度摻雜吸收層的全耗盡結(jié)構(gòu)器件具備更好的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

0引言

目前，新一代紅外探測器的核心聚焦于更小尺寸(Size)、更小重量(Weight)、更低功耗(Power consumption)、更高性能(Performance)和更低成本(Price)，即“SWaP3”。對于高性能光子探測器而言，提高探測器組件的工作溫度是其中的關(guān)鍵之一。

1959年，英國人Lawson發(fā)明的碲鎘汞(Hg1?xCdxTe或MCT)材料是一種閃鋅礦結(jié)構(gòu)的直接帶隙三元化合物半導(dǎo)體，材料的吸收系數(shù)大，禁帶寬度連續(xù)可調(diào)，通過改變Cd組分x可實現(xiàn)1~3 μm、3~5 μm和8~14 μm三個大氣窗口的紅外探測。碲鎘汞紅外焦平面探測器因其優(yōu)異的光電性能在高性能紅外光子探測領(lǐng)域一直占據(jù)著主導(dǎo)地位。

窄帶隙的碲鎘汞材料，隨著工作溫度的升高本征熱激發(fā)載流子濃度指數(shù)增大，從而使得器件暗電流呈指數(shù)上升。碲鎘汞紅外探測器的暗電流水平及相關(guān)噪聲是決定其探測性能的關(guān)鍵要素，決定了紅外系統(tǒng)對目標(biāo)的探測、跟蹤和識別能力。因此，高性能的碲鎘汞紅外焦平面探測器需要工作在77 K的液氮溫區(qū)以抑制器件的暗電流，其較大的制冷量需求使得制冷機的費用占到了整個探測器組件的約1/3。同時，探測器組件的外形尺寸、質(zhì)量和功耗較大，探測器組件的系統(tǒng)適應(yīng)性降低。隨著工作溫度降低到液氮溫度，碲鎘汞與硅讀出電路之間熱膨脹系數(shù)較大的差異導(dǎo)致芯片發(fā)生較大的翹曲形變，使得焦平面像元穩(wěn)定性降低，陣列規(guī)格越大熱失配相關(guān)問題也越嚴(yán)重，最終使得探測器組件的可靠性下降。

因此，在保證碲鎘汞紅外探測器性能的前提下提高探測器組件的工作溫度，可以兼顧紅外系統(tǒng)小尺寸、低功耗、低成本、高靈敏度和高響應(yīng)速度等優(yōu)點，是目前新一代紅外焦平面探測器技術(shù)的重要發(fā)展方向之一。

1碲鎘汞HOT器件應(yīng)用分析

1985年，英國的T. Ashley等人首次提出了高工作溫度(High OperationTemperature， HOT)紅外探測器的概念。隨著高晶體質(zhì)量碲鎘汞外延薄膜制備技術(shù)、碲鎘汞材料與器件相關(guān)基礎(chǔ)理論及器件制備工藝研究的深入，碲鎘汞高溫器件技術(shù)的研究也得到了較好的發(fā)展。碲鎘汞HOT器件得到了包括法國Sofradir公司、德國AIM 公司、英國Selex公司、美國DRS公司、美國Teledyne公司在內(nèi)的歐美發(fā)達(dá)國家的重點研發(fā)。

法國Sofradir公司基于開發(fā)的碲鎘汞HOT探測器，對比了陣列規(guī)格640×512、像元間距15 μm的中波碲鎘汞探測器組件在不同工作溫度時探測器組件參數(shù)，如圖1所示。采用相同制冷機的情況下，將non-p結(jié)構(gòu)器件工作溫度從80 K提升到110 K，探測器組件功耗降低了20%，制冷時間縮短了20%，平均失效時間提高了30%；采用小型化制冷機的情況下，探測器組件尺寸減小了15%，質(zhì)量降低了20%。工作溫度達(dá)到150K的p-on-n結(jié)構(gòu)HOT器件，探測器組件尺寸和功耗分別減小了約40%。

圖1 中波探測器不同工作溫度下參數(shù)對比

圖2 所示為昆明物理研究所中波紅外碲鎘汞640×512(15 μm)焦平面組件在不同工作溫度下制冷機的穩(wěn)態(tài)功耗測試結(jié)果及制冷到相應(yīng)工作溫度所需的制冷時間對比。隨探測器組件工作溫度的提高，制冷機的功耗和降溫時間顯著下降。

圖2 不同工作溫度時制冷機的穩(wěn)態(tài)功耗和降溫時間

同時，由于Si讀出電路(ROIC)與碲鎘汞材料之間的熱膨脹系數(shù)的不同，導(dǎo)致低溫工作時存在較大的熱失配，從而影響探測器組件的探測率、相應(yīng)均勻性及噪聲等性能，嚴(yán)重時甚至導(dǎo)致芯片的互連銦柱脫開和芯片斷裂。在大面陣的碲鎘汞紅外焦平面探測器中，熱失配導(dǎo)致失效的現(xiàn)象會更加明顯。因此，提高探測器組件的工作溫度可以顯著降低由于熱失配帶來的影響，提高探測器組件的可靠性。

得益于探測器組件工作溫度的提升，由此帶來了探測器組件的可靠性提升、制造成本的下降，探測器組件外形尺寸和重量的降低使得探測器組件的環(huán)境適應(yīng)性得到有效提升。

2碲鎘汞HOT器件研究現(xiàn)狀

提高薄膜材料的晶體質(zhì)量，降低缺陷密度，優(yōu)化器件制備工藝，采用非本征摻雜技術(shù)等能夠有效提升碲鎘汞器件的工作溫度。法國Sofradir公司和德國AIM公司通過優(yōu)化基于Hg空位的n-on-p器件工藝，中波紅外器件在120 K 時仍具備優(yōu)異的光電性能。

非本征摻雜方面，德國AIM公司采用Au摻雜P型碲鎘汞開發(fā)了基于n-on-p結(jié)構(gòu)的碲鎘汞HOT器件，第一代中波碲鎘汞HOT器件工作溫度達(dá)140 K。將Au摻雜濃度從中系數(shù)1016cm?3降低到低系數(shù)1015 cm?3，并優(yōu)化器件鈍化工藝后工作溫度達(dá)到160 K。

AIM公司與Sofradir公司都開發(fā)了基于LPE原位In摻雜結(jié)合As離子注入技術(shù)的p-on-n結(jié)構(gòu)碲鎘汞器件，其中波探測器工作溫度達(dá)到160 K。美國雷神公司采用垂直液相外延技術(shù)開發(fā)了原位p-on-n技術(shù)。圖3為AIM公司20 μm中心距、640×512規(guī)格陣列中波紅外p-on-n探測器組件成像效果，在較高的工作溫度下探測器組件仍然具有較好的成像分辨率。

圖3 AIM公司p-on-n中波探測器成像效果

通過能帶調(diào)控設(shè)計新結(jié)構(gòu)來抑制暗電流可有效提升探測器的工作溫度，主要包含以下兩條技術(shù)路線：(1)基于非平衡模式的碲鎘汞器件，采用P+/π(v)/N+結(jié)構(gòu)(見圖4)；(2)基于nBn勢壘阻擋結(jié)構(gòu)的碲鎘汞器件(見圖5)。

圖4 P+/π(v)/N+器件結(jié)構(gòu)

圖5 碲鎘汞nBn器件能帶結(jié)構(gòu)

1985年，英國人Elliot提出的P+/π(v)/N+結(jié)構(gòu)器件，得到了包括英國Selex公司、美國陸軍實驗室(ArmyResearch Laboratory)、DRS公司、EPIR公司、伊利諾伊大學(xué)芝加哥分校(University of Illinois at Chicago)、密歇根大學(xué)(Universityof Michigan)、TIS公司、波蘭華沙軍事技術(shù)大學(xué)(MilitaryUniversity of Technology)等眾多科研機構(gòu)或公司的研究。2006年，英國Selex公司報道了陣列規(guī)格為320×256、像元間距30 μm、工作溫度200 K 的P+/π/N+中波碲鎘汞探測器。

2010年，美國DRS公司報道了基于HDVIP結(jié)構(gòu)的非平衡模式中波紅外碲鎘汞高溫器件，包括P+/π/N+和P+/v/N+兩種結(jié)構(gòu)(見圖6)。優(yōu)化工藝后的中波器件在170K(λC=4.8 μm)工作溫度下NETD仍然小于25 mK。

圖6 美國DRS公司非平衡模式器件結(jié)構(gòu)

美國ARL采用As離子注入結(jié)合擴散激活退火實現(xiàn)了P+/π/N+結(jié)構(gòu)器件的制備(見圖7)。

圖7 As離子注入分布及擴散后分布

美國Teledyne公司采用吸收層摻雜濃度為2~5×1013 cm?3的P+/v/N+結(jié)構(gòu)(見圖8)，低摻雜濃度使得吸收層在較低的偏壓下實現(xiàn)全耗盡，從而有效抑制Aguer-1過程，器件暗電流水平達(dá)到背景輻射限。其中波紅外探測器工作溫度達(dá)到250 K，長波紅外探測器工作溫度達(dá)到160 K。

2011年，密歇根大學(xué)的A. M. Itsuno首次報道了nBn勢壘型碲鎘汞器件。之后，基于勢壘阻擋型的碲鎘汞器件得到了歐美等眾多公司和科研機構(gòu)的研究，并在中波、長波HOT器件的研制中取得了一定的成果。由于碲鎘汞異質(zhì)結(jié)Type-I型能帶配置導(dǎo)致nBn器件需要較高的工作偏壓，因此能帶調(diào)控是目前研究的重點。波蘭華沙軍事技術(shù)大學(xué)基于MOCVD技術(shù)開發(fā)了As摻雜勢壘型器件，包括pBn和pBp型器件，并推出了基于熱電致冷的單元器件樣品(見圖9)。

圖8 Teledyne公司P+/v/N+碲鎘汞器件結(jié)構(gòu)

圖9 華沙軍事技術(shù)大學(xué)勢壘型碲鎘汞單元器件樣品

澳大利亞的西澳大學(xué)與華沙軍事技術(shù)大學(xué)合作開發(fā)了基于HgTe/CdTe三類超晶格勢壘的nBn型器件。由于能帶調(diào)控及材料制備方面存在的技術(shù)難題，目前尚無成熟的nBn 勢壘型碲鎘汞焦平面器件報道。

國內(nèi)中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所、中國電子科技集團(tuán)公司第十一研究所及昆明物理研究所都開展了低功耗、小型化碲鎘汞高工作溫度紅外探測器組件的研制，目前還處于技術(shù)研發(fā)階段，尚無成熟的產(chǎn)品報道。

3碲鎘汞HOT器件原理與技術(shù)路線

3.1暗電流及噪聲分析

碲鎘汞器件性能受到器件暗電流水平的限制，其中器件的暗電流主要包括：擴散電流、SRH產(chǎn)生-復(fù)合電流、直接隧穿電流、陷阱輔助隧穿電流及表面漏電流等。暗電流的有效抑制是提升探測器組件工作溫度的基礎(chǔ)。

隨著工作溫度的升高，由于高的熱激發(fā)載流子，本征載流子在近室溫碲鎘汞材料中起主導(dǎo)作用，尤其是長波紅外波段。碲鎘汞材料的本征載流子濃度與溫度之間滿足如下關(guān)系：

圖10和11分別為組分x=0.3和x=0.22、n型摻雜濃度1×1015 cm?3時本征載流子濃度、電子濃度和空穴濃度與溫度之間的關(guān)系。

圖10 x=0.3時本征載流子濃度與溫度的關(guān)系

圖11 x=0.22時本征載流子濃度與溫度的關(guān)系

俄歇復(fù)合速率與電子和空穴濃度成正比，高的俄歇復(fù)合速率導(dǎo)致高的暗電流和噪聲。隨著工作溫度的升高，俄歇復(fù)合過程占據(jù)主導(dǎo)地位，探測器暗電流隨本征載流子濃度的增大而快速增大。圖12所示為截止波長為10 μm(78 K)的長波碲鎘汞器件暗電流密度隨工作溫度的變化關(guān)系。

圖12 探測器暗電流密度與工作溫度的關(guān)系

碲鎘汞器件的優(yōu)質(zhì)因子R0A與器件的暗電流之間的關(guān)系如下：

器件的探測率D*滿足如下的關(guān)系：

碲鎘汞探測器工作溫度升高，暗電流增大導(dǎo)致器件的R0A快速減小，

，探測率D*可化簡為：

因此，高工作溫度下抑制器件的暗電流是實現(xiàn)探測器高性能的基礎(chǔ)。

碲鎘汞器件的噪聲水平?jīng)Q定了探測器組件的探測靈敏度，即器件的噪聲等效溫差(NETD)。碲鎘汞光伏器件噪聲主要有熱噪聲(Johnson或Nyquist噪聲)、散粒噪聲(Shot噪聲)、1/f噪聲及隨機電報噪聲(RTS)等。

熱噪聲是由器件中電荷載流子的隨機熱運動引起，噪聲電流與溫度關(guān)系為：

式中：Td為探測器工作溫度；Rd為結(jié)電阻；Δf為電子學(xué)帶寬，一般取Δf=1/2Tint，Tint為積分時間。

散粒噪聲源于載流子輸運過程中的離散性，噪聲均方電流與器件的電流直接相關(guān)：

在碲鎘汞器件中，1/f噪聲是限制器件性能的重要因素之一，尤其對于長波紅外探測器。1/f噪聲與器件的表面態(tài)直接相關(guān)。除表面態(tài)之外，外延層中的貫穿位錯也是1/f噪聲的重要來源。Tobin研究指出，1/f噪聲電流與探測器暗電流密度之間存在經(jīng)驗的線性關(guān)系，具體為：

式中：f為頻率；α、β為擬合參數(shù)，根據(jù)擬合數(shù)據(jù)α=1×10-3、β=1。在低頻區(qū)域，1/f噪聲是光電器件的主要噪聲形式。根據(jù)公式(7)可知，碲鎘汞器件工作溫度升高導(dǎo)致器件暗電流增大，使得1/f噪聲也隨工作溫度的升高而增大。

在低頻區(qū)域，除了1/f噪聲外，隨機電報噪聲也是限制器件性能的一個重要因素。研究認(rèn)為隨機電報噪聲主要是由于半導(dǎo)體材料中的缺陷引起的。碲鎘汞器件中的位錯、Hg空位缺陷等是隨機電報噪聲的重要來源。缺陷在禁帶中形成深能級陷阱，陷阱隨機俘獲釋放載流子從而調(diào)制器件的電流，形成隨機電報噪聲。其特征為電流或電流在兩個(或多個)分離的位置隨機跳來跳去，脈沖頻率大都小于100 Hz。圖13所示為工作溫度為140K的中波碲鎘汞p-on-n器件噪聲功率譜密度測試結(jié)果，可以看到在低頻區(qū)域1/f噪聲和隨機電報噪聲占據(jù)主導(dǎo)地位。

隨探測器組件探測波長或工作溫度的提升，隨機電報噪聲的幅度和頻度都隨之增加。圖14所示為不同溫度下隨機電報噪聲像元數(shù)對比。

圖13 140 K時中波紅外p-on-n器件噪聲功率譜密度

圖14 中波器件隨機電報噪聲像元數(shù)與工作溫度的關(guān)系

對于高工作溫度碲鎘汞紅外探測器，熱噪聲隨工作溫度的升高而快速增大；高工作溫度下暗電流快速增大使得暗電流相關(guān)噪聲和1/f噪聲快速增大；同時，高濃度的本征熱激發(fā)載流子使得位錯缺陷等對載流子的俘獲和發(fā)射概率增大，隨機電報噪聲也隨之增大。因此，暗電流及噪聲的有效抑制是碲鎘汞高工作溫度紅外探測器研制的基礎(chǔ)。其中，高工作溫度下高濃度本征熱載流子的有效抑制(俄歇抑制)是暗電流抑制從而提升探測器工作溫度的關(guān)鍵。

3.2非本征摻雜碲鎘汞HOT器件

液氮溫區(qū)工作的碲鎘汞器件本征載流子濃度得到了有效抑制，器件性能受到SRH產(chǎn)生-復(fù)合電流的限制。對于基于本征Hg空位p型的碲鎘汞n-on-p結(jié)構(gòu)器件而言，Hg空位本身為一種結(jié)構(gòu)缺陷，除了呈現(xiàn)p型受主特性的淺能級外，還呈現(xiàn)出深能級特性。Hg空位的深能級為SRH過程提供了通道，使得SRH電流增大；同時，深能級陷阱也為陷阱輔助隧穿電流提供了通道，使得陷阱輔助隧穿電流增大(見圖15)。因此，基于本征Hg空位的n-on-p結(jié)構(gòu)器件很難用于低暗電流高工作溫度碲鎘汞探測器組件的研制。

采用非本征摻雜技術(shù)能夠有效降低Hg空位缺陷所帶來的深能級缺陷密度，從而使得SRH電流和陷阱輔助隧穿電流密度降低。器件暗電流密度的降低使得器件可以工作在更高的溫度。

圖15 (a)SRH產(chǎn)生-復(fù)合電流；(b)陷阱輔助隧穿電流

目前，基于非本征摻雜的碲鎘汞器件主要包括基于LPE技術(shù)的Au摻雜n-on-p結(jié)構(gòu)器件和In摻雜pon-n結(jié)構(gòu)器件。隨工作溫度的升高，器件性能由SRH產(chǎn)生-復(fù)合電流限制轉(zhuǎn)到擴散電流限制，少子壽命由俄歇復(fù)合壽命主導(dǎo)。

對于p-on-n器件，N型碲鎘汞材料中俄歇復(fù)合壽命由Auger-1過程主導(dǎo)：

式中：TA1i為本征俄歇壽命。

式中 ：ε為介電常數(shù)；μ = (me=mh)；F1F2估算值為0.25。圖16和圖17分別為組分0.3和0.22時不同N型摻雜濃度情況下碲鎘汞材料的俄歇壽命隨溫度的變化關(guān)系。

圖16 x=0.3時碲鎘汞俄歇壽命與溫度的關(guān)系

圖17 x=0.22時碲鎘汞俄歇壽命與溫度的關(guān)系

可以看到，相同溫度下?lián)诫s濃度越低，材料的俄歇壽命越高。隨著工作溫度的升高，中波碲鎘汞在約130 K 以上時俄歇壽命快速減小；長波碲鎘汞在約90 K以上時快速減小。

對于Au摻雜P型碲鎘汞材料而言，材料的俄歇壽命由Auger-7過程占據(jù)主導(dǎo)地位，俄歇壽命與摻雜濃度和溫度之間的關(guān)系如圖18所示(材料組分x=0.3)。

圖18 x=0.3時碲鎘汞俄歇壽命與溫度的關(guān)系

目前Au摻雜濃度只能控制到5×1015 cm?3的水平，較高的摻雜濃度使得材料的俄歇壽命較短。常規(guī)Au摻雜n-on-p器件不能很好實現(xiàn)對本征載流子濃度俄歇復(fù)合過程的有效抑制。對于Au摻雜碲鎘汞non-p結(jié)構(gòu)器件而言，最好完全消除材料中的Hg空位，但實際上AuHg是伴隨VHg而存在的，且擴散速率非常快。Au摻雜n-on-p結(jié)構(gòu)器件存在的這些技術(shù)問題限制了其工作溫度的提高。

In摻雜p-on-n器件采用As離子注入或原位摻雜成結(jié)技術(shù)實現(xiàn)p-n結(jié)的制備，相對于Au摻雜器件而言，更容易獲得可控的吸收層低濃度摻雜。但常規(guī)的碲鎘汞p-on-n結(jié)構(gòu)器件在高工作溫度下同樣不能對吸收層的俄歇過程形成有效的抑制，高工作溫度下器件的暗電流噪聲和1/f噪聲逐漸占據(jù)主導(dǎo)，成為制約器件NETD的主要因素，限制了器件工作溫度的進(jìn)一步提升。

3.3勢壘型結(jié)構(gòu)碲鎘汞HOT器件

碲鎘汞p-n結(jié)型光伏器件通過空間電荷區(qū)將電子空穴對分離，而nBn勢壘阻擋型碲鎘汞器件通過寬帶隙勢壘層的引入實現(xiàn)電子空穴對的分離。勢壘層對多數(shù)載流子(電子)起到阻擋作用，但是允許少數(shù)載流子(空穴)的移動，從而將光生電子和空穴從空間上分開。勢壘層足夠的厚度使得器件可以忽略隧穿電流，勢壘的高度足以忽略熱電子的激發(fā)。

圖19 nBn結(jié)構(gòu)器件反向偏壓下載流子輸運示意圖

碲鎘汞p-n結(jié)器件在77 K低溫工作時性能主要受到SRH產(chǎn)生-復(fù)合電流的限制。SRH電流與禁帶寬度之間有如下關(guān)系：

可以看到SRH電流隨禁帶寬度的增加而指數(shù)減小。勢壘型器件工作時外加偏壓時分壓主要分布在勢壘層，吸收層幾乎沒有空間電荷區(qū)的形成。寬帶隙勢壘層使得SRH產(chǎn)生-復(fù)合電流得到有效抑制。同時，寬帶隙勢壘層對器件表面漏電流有抑制作用。因此，勢壘型器件從本質(zhì)上降低了SRH電流和表面漏電流對器件性能的影響。理想的nBn器件性能為擴散電流限性能，更低的暗電流密度使得nBn勢壘型器件同p-n結(jié)器件相比在相同工作溫度時具備更高的性能，相同性能下具有更高的工作溫度。

理論上nBn勢壘型碲鎘汞器件對SRH產(chǎn)生-復(fù)合電流和隧穿電流具有較好的抑制效果，器件的暗電流水平由擴散電流決定，通過引入類似非平衡模式碲鎘汞器件的排斥結(jié)構(gòu)來抑制吸收層的俄歇復(fù)合過程，降低擴散電流可以進(jìn)一步提升器件性能。

碲鎘汞nBn 勢壘器件研制面臨的主要問題在于碲鎘汞異質(zhì)結(jié)構(gòu)Type-I型能帶配置(見圖20)，使得器件存在較大的價帶帶階ΔEV。價帶帶階對光生少子(空穴)的輸運起到阻擋作用，器件需要外加較大的反向偏壓以提升少子的收集效率。

圖20 碲鎘汞異質(zhì)結(jié)能帶配置示意圖

較大的反向偏壓下吸收層靠近勢壘層的區(qū)域能帶發(fā)生較大彎曲，形成一定寬度的空間電荷區(qū)，從而使得器件的SRH 電流和隧穿電流等暗電流增大，降低了器件性能。因此，nBn勢壘型碲鎘汞器件的研究重點在于價帶帶階的調(diào)節(jié)。目前，主要采用了以下方法：

(1) 摻雜調(diào)控，主要通過在勢壘層中引入梯度As摻雜調(diào)平價帶。

(2) CdTe/HgTe三類超晶格勢壘層，通過調(diào)節(jié)超晶格層的厚度調(diào)節(jié)電子微帶和空穴微帶的位置來消除價帶帶階。

上述方法中，對于MBE生長而言都具備較大的技術(shù)難度。這也是目前制約nBn勢壘型碲鎘汞器件發(fā)展的重要因素。

3.4非平衡模式碲鎘汞HOT器件

隨探測器工作溫度的升高，碲鎘汞器件中SRH產(chǎn)生-復(fù)合電流主導(dǎo)的器件暗電流會逐漸過渡到以擴散電流為主導(dǎo)。采用N型碲鎘汞吸收層的p-on-n器件中擴散電流有如下關(guān)系：

式中：τdiff為吸收層少子壽命；ND為吸收層摻雜濃度；d為吸收層厚度；ni為本征濃度。少子壽命τdiff在高溫下主要受俄歇壽命限制，因此：

式中：τAi為本征俄歇壽命。對于本征或高工作溫度器件，p=n=ni>Nd，擴散電流化簡為：

圖21 P+/v/N+、P+/π/N+器件結(jié)構(gòu)、能帶及載流子分布示意圖

由公式(13)可知，在高溫本征區(qū)域，擴散電流密度與摻雜濃度無關(guān)，而由本征載流子濃度決定。因此，本征載流子濃度的有效抑制是實現(xiàn)器件高工作溫度的基礎(chǔ)。P型吸收層器件分析與上述分析過程類似。

非平衡模式碲鎘汞器件采用P+/π(v)/N+結(jié)構(gòu)。在P+/π/N+結(jié)構(gòu)中，P+-π形成排斥結(jié)，π-N+作為抽取結(jié)；在P+/v/N+結(jié)構(gòu)中，v-N+形成排斥結(jié)，P+-v作為抽取結(jié)。圖21分別為P+/v/N+和P+/π/N+器件結(jié)構(gòu)、能帶及載流子分布示意圖。

非平衡模式碲鎘汞器件利用少數(shù)載流子的排斥與抽取現(xiàn)象使得吸收層電子和空穴濃度耗盡，在高工作溫度下低于本征載流子濃度。隨器件反向偏壓的增大，吸收層多數(shù)載流子濃度最終達(dá)到非本征摻雜水平，從而使得俄歇復(fù)合過程得到有效抑制，降低器件的暗電流。理論上3~5 μm波段探測器能夠提升到近室溫，而8~12 μm波段探測器能夠采用熱電致冷。

對于P+/v/N+結(jié)構(gòu)器件，P+層的寬帶隙可以有效降低隧穿電流，重?fù)诫s可以使得耗盡區(qū)寬度擴展到整個吸收層，寬帶隙重?fù)诫s的N+層使得吸收層中空穴少子得不到補充而耗盡。P+/π/N+結(jié)構(gòu)器件的分析也類似。

根據(jù)上述分析，非平衡模式碲鎘汞器件的吸收層摻雜濃度越低，相同偏壓下吸收層耗盡寬度越寬，俄歇抑制效應(yīng)越明顯，最終器件的擴散電流密度也越小。器件的耗盡區(qū)寬度表示如下：

式中：

。圖22 所示為組分x=0.3、P+層濃度5×1017 cm?3、不同吸收層摻雜濃度時耗盡區(qū)寬度與外加偏壓之間的計算關(guān)系。根據(jù)計算結(jié)果可知，吸收層的摻雜濃度越低，形成相同吸收層耗盡寬度所需的偏壓也越小。

圖22 不同摻雜濃度時吸收層耗盡寬度與反向偏壓的關(guān)系

優(yōu)化材料制備工藝獲得接近背景的低濃度摻雜，非平衡模式碲鎘汞器件在較小的偏壓下就能實現(xiàn)吸收層的全耗盡。降低碲鎘汞材料位錯密度，優(yōu)化器件制備工藝降低器件成型過程中應(yīng)力缺陷的引入，使得與深能級相關(guān)的SRH產(chǎn)生-復(fù)合電流足夠低的情況下，非平衡模式碲鎘汞器件性能可以達(dá)到背景輻射限。同樣，對于P+/π/N+結(jié)構(gòu)碲鎘汞器件，如果π 吸收層的摻雜濃度能夠達(dá)到1×1014 cm?3以內(nèi)，器件性能可以達(dá)到背景輻射限性能。

在非平衡模式器件中抽取結(jié)與排斥結(jié)之間的距離足夠接近，可以使得吸收層載流子濃度遠(yuǎn)低于熱平衡值，吸收層足夠薄的P+/π(v)/N+器件可以獲得較好的俄歇抑制效果；然而吸收層太薄使得光子吸收不充分，從而導(dǎo)致器件的量子效率下降。采用低濃度摻雜吸收層可以在較小的偏壓下實現(xiàn)較寬的吸收層耗盡區(qū)，從而可以在保證較好的俄歇抑制效果的同時，保證器件的量子效率。同時，由于非平衡模式器件寬帶隙帽層的引入及對熱激發(fā)載流子濃度的抑制，器件對1/f 噪聲和隨機電報噪聲具有更好的抑制效果。

對于非平衡模式的碲鎘汞器件制備而言，其技術(shù)難度在于低位錯密度高晶體質(zhì)量多層異質(zhì)結(jié)構(gòu)薄膜材料的制備、吸收層接近材料背景濃度的低摻雜濃度控制及低缺陷低應(yīng)力器件成型工藝幾個方面。

3.5碲鎘汞HOT器件發(fā)展方向

根據(jù)前文不同技術(shù)路線的碲鎘汞HOT器件的分析可知，基于Au摻雜的n-on-p結(jié)構(gòu)器件或In摻雜pon-n結(jié)構(gòu)器件等常規(guī)非本征摻雜器件在高工作溫度下缺乏對俄歇復(fù)合過程的有效抑制，從而限制了其工作溫度的進(jìn)一步提升。基于nBn勢壘阻擋結(jié)構(gòu)的碲鎘器件由于Type-I 型能帶配置使得價帶帶階的調(diào)控仍然存在較大的困難，基于MBE原位As摻雜或超晶格勢壘層技術(shù)的成熟度相對較低。基于非平衡模式的碲鎘汞器件不僅具備優(yōu)異的性能，而且技術(shù)成熟度相對較高；通過合理的組分、摻雜調(diào)控可以獲得吸收層內(nèi)熱載流子的深度耗盡，從而有效抑制俄歇復(fù)合過程。其中P+/v/N+器件相對于P+/π/N+器件而言，更容易獲得吸收層低濃度摻雜，且工藝難度相對較低，更具發(fā)展?jié)摿Α?/p>

4結(jié)論

文中從新一代紅外探測器的發(fā)展方向出發(fā)，總結(jié)了碲鎘汞高工作溫度(HOT)紅外探測器的優(yōu)點及當(dāng)前碲鎘汞HOT器件的發(fā)展現(xiàn)狀。在此基礎(chǔ)上，總結(jié)分析了目前碲鎘汞HOT器件的幾條主要技術(shù)路線的基本原理、存在的技術(shù)難點及未來的發(fā)展方向，對碲鎘汞HOT器件相關(guān)技術(shù)的研發(fā)具有一定的指導(dǎo)意義。

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