據(jù)麥姆斯咨詢(xún)報(bào)道，近期，昆明物理研究所的科研團(tuán)隊(duì)在《紅外與激光工程》期刊上發(fā)表了以“Au摻雜碲鎘汞長(zhǎng)波探測(cè)器技術(shù)研究”為主題的文章。該文章通訊作者為孔金丞正高級(jí)工程師，主要從事紅外材料與器件的研究工作。該文章第一作者為宋林偉高級(jí)工程師，主要從事紅外材料與器件的研究工作。

該文章基于昆明物理研究所Au摻雜碲鎘汞材料穩(wěn)定性控制、器件暗電流控制等技術(shù)，報(bào)道了昆明物理研究所非本征Au摻雜長(zhǎng)波碲鎘汞器件研制進(jìn)展。

Au摻雜碲鎘汞長(zhǎng)波材料的參數(shù)控制

由于Au摻雜原子在碲鎘汞材料中為快擴(kuò)散雜質(zhì)，在熱處理及工藝過(guò)程中，很容易往缺陷區(qū)及界面擴(kuò)散富集，因而在Au摻雜器件工藝中，首先需控制Au摻雜材料穩(wěn)定性。由于富Te液相外延生長(zhǎng)的碲鎘汞薄膜中會(huì)有大量汞空位（VHg）存在，摻雜Au原子在此條件下很容易占據(jù)汞格點(diǎn)實(shí)現(xiàn)受主摻雜，可實(shí)現(xiàn)較高的摻雜濃度材料的生長(zhǎng)，昆明物理研究所采用富Te水平液相外延技術(shù)實(shí)現(xiàn)了摻雜濃度可控的Au摻雜長(zhǎng)波材料的生長(zhǎng)。

Au摻雜碲鎘汞材料外延生長(zhǎng)后，材料中有較多的汞空位存在，因而此時(shí)的原生材料呈現(xiàn)高濃度P型，汞空位起主導(dǎo)作用，需將Au摻雜原生材料進(jìn)行汞飽和熱處理，以填充材料中的汞空位，使材料中Au摻雜原子占主導(dǎo)，呈現(xiàn)P型導(dǎo)電。然而Au摻雜原子為快擴(kuò)散雜質(zhì)，熱處理過(guò)程中趨向于向界面和缺陷處擴(kuò)散富集，材料內(nèi)部Au摻雜原子濃度降低，Au摻雜原子的快擴(kuò)散特點(diǎn)導(dǎo)致熱處理后材料電學(xué)參數(shù)不可控，嚴(yán)重影響外延材料成品率以及后續(xù)工藝的穩(wěn)定性。

對(duì)于Au原子快擴(kuò)散特性導(dǎo)致的Au摻雜碲鎘汞材料穩(wěn)定性控制問(wèn)題，研究發(fā)現(xiàn)，熱處理時(shí)引入一定的汞空位有助于提高Au摻雜原子穩(wěn)定性，從而提高Au材料碲鎘汞材料電學(xué)參數(shù)控制。制備P型材料時(shí)Au摻雜濃度可穩(wěn)定控制在1.0×101?~4.0×101?cm?3，熱處理后碲鎘汞外延材料載流子濃度基本可控制在1.0×101?~4.0×101?cm?3之間，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定性較好的Au摻雜碲鎘汞長(zhǎng)波材料的制備。

Au摻雜n-on-p型碲鎘汞長(zhǎng)波探測(cè)器的暗電流

器件暗電流是反映探測(cè)器本質(zhì)的特征參數(shù)，暗電流的大小決定了器件性能。碲鎘汞器件各種暗電流中，擴(kuò)散電流和產(chǎn)生-復(fù)合電流由材料電學(xué)性能及復(fù)合機(jī)制決定，隧道電流與材料缺陷性能有關(guān)。擴(kuò)散電流是PN結(jié)空間電荷區(qū)兩端載流子在電場(chǎng)作用下發(fā)生擴(kuò)散和漂移而形成的電流，是熱平衡下由空間電荷區(qū)兩端少子擴(kuò)散長(zhǎng)度內(nèi)的載流子所形成的電流。

載流子濃度相同的情況下，碲鎘汞器件的擴(kuò)散電流與少子壽命成反比，因此提高材料的少子壽命可以降低器件擴(kuò)散電流。采用非本征Au摻雜原子代替本身就為深能級(jí)復(fù)合中心的本征汞空位，有助于降低碲鎘汞材料中深能級(jí)缺陷，提升P型碲鎘汞材料少子壽命，降低器件暗電流，從而達(dá)到提升n-on-p型器件性能的目的。

昆明物理研究所采用Au摻雜技術(shù)制備的載流子濃度為1.5×101?cm?3的Au摻雜長(zhǎng)波碲鎘汞（10.5μm@80K）材料，少子壽命達(dá)到0.25μs，與目前報(bào)道的采用相同技術(shù)路線材料少子壽命最高水平相當(dāng)。

圖1為采用非本征Au摻雜技術(shù)與本征汞空位型長(zhǎng)波256×256（30μm）碲鎘汞焦平面器件暗電流對(duì)比。80K下截止波長(zhǎng)為10.6μm本征汞空位長(zhǎng)波256×256碲鎘汞器件暗電流為1980pA，而相同溫度下截止波長(zhǎng)為10.5μm非本征Au摻雜器件暗電流僅為171pA，采用Au摻雜技術(shù)可有效降低n-on-p型長(zhǎng)波焦平面器件暗電流，長(zhǎng)波器件的暗電流密度從2.2×10??A·cm?2降低至1.9×10??A·cm?2，R?A從31.3Ω.cm2提升到了363Ω·cm2。

圖1 a）本征汞空位n-on-p型器件與；b）非本征Au摻雜器件暗電流分布圖對(duì)比

圖2為昆明物理研究所制備的Au摻雜長(zhǎng)波器件暗電流隨工作溫度變化圖。上下兩條趨勢(shì)線分別為n-on-p器件和p-on-n器件暗電流控制理論值，對(duì)比發(fā)現(xiàn)非本征Au摻雜器件暗電流水平明顯低于本征汞空位n-on-p型器件，并且隨著工作溫度的升高，Au摻雜長(zhǎng)波器件暗電流越接近Rule07 p-on-n型器件理論值，在110K時(shí)Au摻雜長(zhǎng)波器件暗電流控制與Rule07 p-on-n器件控制水平接近。

圖2 Au摻雜長(zhǎng)波碲鎘汞器件暗電流隨溫度變化

圖3為昆明物理研究所Au摻雜長(zhǎng)波器件暗電流控制水平與國(guó)際先進(jìn)水平對(duì)比圖，Au摻雜長(zhǎng)波器件R?A值較常規(guī)汞空位n-on-p型器件提升了至少一個(gè)數(shù)量級(jí)，與p-on-n型器件R?A值控制水平接近，昆明物理研究所Au摻雜長(zhǎng)波器件暗電流控制接近國(guó)際先進(jìn)水平，為高性能長(zhǎng)波焦平面器件的研制奠定基礎(chǔ)。

圖3 Au摻雜長(zhǎng)波器件暗電流控制水平

Au摻雜碲鎘汞長(zhǎng)波探測(cè)器

昆明物理研究所基于Au摻雜技術(shù)對(duì)碲鎘汞器件暗電流控制方面的優(yōu)勢(shì)，先后研制出了Au摻雜碲鎘汞256×256（30μm）、640×512（25μm）、640×512（15μm）等規(guī)格型號(hào)的長(zhǎng)波器件（如圖4至圖7所示），性能與國(guó)外報(bào)道的器件水平相當(dāng)，實(shí)現(xiàn)了非本征Au摻雜長(zhǎng)波碲鎘汞器件系列化發(fā)展，達(dá)到了批量化的生產(chǎn)水平。幾種器件典型性能指標(biāo)如表1所示。

圖4 長(zhǎng)波256×256（30μm pitch）探測(cè)器：a）組件實(shí)物圖；b）響應(yīng)信號(hào)圖；c）NETD直方圖

圖5 長(zhǎng)波640×512（25μm pitch）探測(cè)器：a）組件實(shí)物圖；b）響應(yīng)信號(hào)圖；c）NETD直方圖

圖6 長(zhǎng)波640×512（15μm pitch）探測(cè)器：a）組件實(shí)物圖；b）響應(yīng)信號(hào)圖；c）NETD直方圖

圖7 長(zhǎng)波1024×768（10μm pitch）探測(cè)器：a）組件實(shí)物圖；b）響應(yīng)信號(hào)圖；c）NETD直方圖

Au摻雜碲鎘汞探測(cè)器的長(zhǎng)期穩(wěn)定性

在前期的研究中，法國(guó)Sofradir公司認(rèn)為，由于Au原子為快擴(kuò)散雜質(zhì)原子，可能會(huì)對(duì)器件長(zhǎng)期穩(wěn)定性有一定的影響。針對(duì)該問(wèn)題昆明物理所開(kāi)展了Au摻雜碲鎘汞器件高低溫存儲(chǔ)、高低溫循環(huán)（+70℃~-40℃）及長(zhǎng)期貯存等穩(wěn)定性的研究，Au摻雜器件經(jīng)高低溫存儲(chǔ)、高低溫循環(huán)后器件性能無(wú)明顯變化。如圖8所示為Au摻雜碲鎘汞長(zhǎng)波256×256器件NETD和盲元隨存儲(chǔ)時(shí)間變化圖，該支組2015年封裝后，在室溫下至今貯存時(shí)間超過(guò)7年，在貯存期間約6個(gè)月間隔進(jìn)行性能測(cè)試，試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明Au摻雜器件經(jīng)歷7年長(zhǎng)期貯存過(guò)程中器件性能無(wú)明顯變化。

圖8 Au摻雜長(zhǎng)波256×256器件NETD和盲元隨存儲(chǔ)時(shí)間變化圖

總結(jié)

昆明物理研究所多年來(lái)持續(xù)開(kāi)展了Au摻雜碲鎘汞材料、器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、可重復(fù)的工藝開(kāi)發(fā)等研究，突破了Au摻雜碲鎘汞材料電學(xué)可控?fù)诫s、器件暗電流控制等關(guān)鍵技術(shù)，將n-on-p型碲鎘汞長(zhǎng)波器件品質(zhì)因子（R?A）從31.3Ω·cm2提升到了363Ω·cm2（λcutoff=10.5μm@80K），器件暗電流較本征汞空位n-on-p型器件降低了一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。研制的非本征Au摻雜長(zhǎng)波探測(cè)器經(jīng)歷了超過(guò)7年的時(shí)間貯存，性能無(wú)明顯變化，顯示了良好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性?；贏u摻雜碲鎘汞探測(cè)器技術(shù)，昆明物理研究所實(shí)現(xiàn)了256×256（30μm）、640×512（25μm）、640×512（15μm）、1024×768（10μm）等規(guī)格的長(zhǎng)波探測(cè)器研制和批量能力，實(shí)現(xiàn)了非本征Au摻雜長(zhǎng)波碲鎘汞器件系列化發(fā)展。非本征Au摻雜n-on-p型技術(shù)可作為高靈敏度、高分辨率等高性能長(zhǎng)波及高工作溫度碲鎘汞器件研制的一種有效的技術(shù)途徑。

編輯：黃飛

?