碲镉汞PIN结构雪崩器件的I区材料晶体质量研究

本文对中波红外PIN结构的碲镉汞(HgCdTe)雪崩器件关键雪崩区域的材料晶体质量进行研究。通过在实验材料上对PIN结构雪崩器件的全过程工艺模拟,采用微分霍尔、微分少子寿命等测试手段进行材料表征,评估获得了关键雪崩区域的真实材料晶体质量。研究发现,现有优化工艺下雪崩区域的晶体质量良好,拟合材料的SRH寿命最好能达到20.7μs,可达到原生材料SRH寿命的相当水平,满足高质量中波碲镉汞雪崩器件的研制要求。同时,我们以获得的雪崩区域SRH寿命为基础,对HgCdTe APD结构器件进行相应2维数值模拟,获得理论最优的暗电流密度8.7×10^(-10) A/cm^(2)。

通过成结模拟器研究n^(+)-n^(-)-p碲镉汞高温探测器

第三代红外探测器发展的一个重要方向是高工作温度探测器。对于碲镉汞n-on-p探测器而言,n^(+)-n^(-)-p结构以及良好的钝化工艺能够有效的抑制暗电流的产生,从而在高工作温度条件下获得较好的探测器性能。基于自行开发的成结模拟器,对n^(+)-n^(-)-p结构地高温器件进行了工艺仿真和器件仿真,获得成结过程的制备参数,并结合抑制表面漏电的组分梯度钝化工艺,将高工作温度下的暗电流抑制至理论极限,研制出可以在更高温度工作下的碲镉汞n-on-p红外焦平面探测器。经测试,中波n-on-p红外焦平面器件在不同工作温度下性能优异,在80 K工作温度下噪声等效温差(NETD)达到了6.1 mK,有效像元率为99.96%;而在150 K工作温度下噪声等效温差(NETD)为11.0 mK,有效像元率为99.50%,达到了同类器件的理论极限。

基于VLPE技术的碲镉汞p-on-n双层异质结材料与器件研究进展

本文对比分析了碲镉汞p-on-n器件四种制备方式的优劣,其中,VLPE(Vertical Liquid Phase Epitaxy)技术具有原位As掺杂与高激活率的技术优势,是制备高性能p-on-n双层异质结器件的重要方式。针对该技术,从材料生长、器件工艺和器件性能方面回顾了国内外研究进展,讨论了国内外差距,明确了制约该技术发展的关键问题和技术难点,并提出了解决思路。最后,展望了VLPE技术pon-n异质结器件的发展趋势。

中国电科11所碲镉汞薄膜材料制备技术进展

碲镉汞材料具有响应速度快、量子效率高、带隙连续可调等优点,广泛应用于红外探测领域,本文报道了近年来中国电科11所在碲镉汞薄膜材料制备方面的技术进展。在碲锌镉衬底材料制备方面,已突破Φ135mm碲锌镉晶体生长技术,碲锌镉衬底平均位错腐蚀坑密度(EPD)<1×10^(4)cm^(-2),具备了80mm×80mm规格碲锌镉衬底的批量生产能力。在液相外延碲镉汞薄膜制备方面,富碲水平液相外延碲镉汞薄膜平均位错腐蚀坑密度EPD<4×10^(4)cm^(-2),具备80mm×80mm规格碲镉汞薄膜的制备能力;富汞垂直液相外延实现高质量双层异质结碲镉汞薄膜材料批量化制备,该种材料的半峰宽(FWHM)控制在(20~40)arcsec范围内,碲镉汞薄膜厚度极差≤±06μm。在分子束外延碲镉汞薄膜方面,实现了6 in硅基碲镉汞材料制备,组分标准偏差≤00015,表面宏观缺陷密度≤100cm^(-2);碲锌镉基碲镉汞材料已具备50mm×50mm制备能力,组分标准偏差为0002,厚度标准偏差为0047μm。从探测器验证结果来看,基于富碲水平液相外延碲镉汞薄膜实现了1 k×1 k、2 k×2 k等规格红外焦平面探测器的工程化制备;采用双层异质结碲镉汞薄膜实现了高温工作、长波及甚长波探测器的制备;使用分子束外延制备的碲镉汞薄膜实现了27 k×27 k、54 k×54 k、8 k×8 k等规格红外焦平面探测器研制,在宇航领域有巨大的应用潜力。

富汞开管热处理对碲镉汞性能影响的研究

本文采用富汞开管热处理设备对中波MCT材料进行N型退火,研究并解决了如何控制汞蒸气回流的问题。在相同的退火温度和退火时间,使用开管退火工艺和闭管退火工艺进行了对比实验,研究发现随退火时间的增加,两种工艺处理的芯片霍尔浓度呈下降趋势,载流子迁移率呈上升趋势。当退火温度和退火时间相同时,开管退火工艺的载流子迁移率更高。对开管退火工艺的芯片进行I V测试和器件组件最终测试,其性能较好。

分子束外延碲镉汞探测器的变结面积Ⅰ-Ⅴ测试研究

碲镉汞红外探测器的表面钝化处理对器件暗电流有较大影响,决定了器件的探测性能。为了研究表面钝化层不同生长方式对暗电流的抑制效果,使用分子束外延(Molecular Beam Epitaxy, MBE)系统在Si基衬底上生长碲镉汞材料,分别通过磁控溅射和原位钝化方法生长CdTe/ZnS钝化膜层。采用半导体工艺在碲镉汞材料上制备了变面积光伏探测器。通过测试不同钝化膜层器件的暗电流,分析零偏电阻和面积乘积(R0A)与周长面积之比(p/A)的关系。结果表明,磁控溅射生长钝化层的Si基碲镉汞器件存在较大的隧穿电流,而原位钝化生长钝化层的Si基碲镉汞器件能更有效地抑制表面漏电流。拟合器件R0A因子随PN结面积的变化,得出原位生长钝化层的器件具有更好的钝化效果。变面积器件的制备和测试能够有效且直观地反映器件性能。

碲镉汞高温红外探测器组件进展

高工作温度红外探测器组件是第三代红外探测器技术的重要发展方向,可用于高工作温度红外探测器的基础材料主要有锑基和碲镉汞两大类。介绍了昆明物理研究所在高工作温度红外焦平面探测器组件方面的最新研究进展,其中基于碲镉汞材料p-on-n技术研制的高工作温度中波640×512探测器组件在150 K温区性能优异,探测器的噪声等效温差(NETD)小于20 mK,配置了高效动磁式线性制冷机的高温探测器组件(IDDCA结构),质量小于270 g,探测器组件光轴方向长度小于70 mm(F4),室温环境下组件稳态功耗小于2.5 Wdc,降温时间小于80 s,声学噪声小于27 dB,探测器光轴方向自身振动力最大约1.1 N。目前正在进行环境适应性和可靠性验证,完成后就可实现商用量产。

昆明物理研究所大面积水平推舟液相外延碲镉汞薄膜技术进展

报道了近年来昆明物理研究所在富碲水平推舟液相外延碲镉汞外延薄膜制备技术方面的进展。2019年以来,突破了Ф120 mm碲锌镉晶体定向生长技术,使碲锌镉衬底沉积相和夹杂相密度≤5×103 cm^(-2),位错腐蚀坑密度(EPD)≤4.0×10^(4)cm^(-2),Ф120 mm(111)晶圆衬底的Zn组份分布极差≤0.36%。基于碲锌镉衬底技术的进步,液相外延碲镉汞薄膜的最大生长尺寸达到了70 mm×75 mm,薄膜位错腐蚀坑密度均值为5×10^(4)cm^(-2),X射线双晶回摆曲线半峰宽(DCRC-FWHM)≤35 arcsec,部分可控制到25 arcsec以下;50 mm×60 mm尺寸长波碲镉汞薄膜的厚度极差≤±1.25μm,室温截止波长极差≤±0.1μm,中波碲镉汞薄膜相应指标分别为≤±1μm、≤±0.05μm。材料技术的进展促进了制冷型碲镉汞探测器产能提升和成本的降低,也支撑了高性能长波/甚长波探测器、高工作温度(HOT)探测器以及2048×2048、4096×4096等甚高分辨率高性能探测器的研制。

Au掺杂碲镉汞长波探测器技术研究

昆明物理研究所多年来持续开展了对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(R_(0)A)从31.3Ω·cm^(2)提升到了363Ω·cm^(2)(λ_(cutoff)=10.5μm@80 K),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 pitch)、640×512(25μm pitch)、640×512(15μm pitch)、1024×768(10μm pitch)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。

高工作温度中波红外碲镉汞焦平面研究

该文报道了昆明物理研究所高工作温度中波红外碲镉汞焦平面探测器器件的研究情况。通过优化焦平面器件结构参数,采用As离子注入形成p-on-n平面结器件技术,在液相外延生长的高质量原位In掺杂的碲镉汞薄膜上制备了阵列规格为640×512@15μm的中波红外焦平面探测器。利用变温杜瓦测试了焦平面芯片在不同工作温度下的光谱响应、器件暗电流、噪声等效温差、有效像元率以及盲元分布等,测试结果表明器件具备180K以上工作温度的能力。

碲镉汞光导器件在风云气象卫星中的应用

风云气象卫星是中国作为世界大国的“标配”之一,高效服务于我国国民经济和社会发展,有效提升了中国作为世界负责任大国的国际形象。红外探测器作为风云气象卫星的“眼睛”,其性能直接关系到风云卫星的应用效果。碲镉汞光导器件作为第一代光子型红外探测器,在我国风云气象卫星事业的发展壮大中起到了关键作用,尤其是作为全国产化高性能红外探测器,在如今风云变幻的国际环境中更是为我国气象卫星事业的继续发展起到了“定海神针”的作用。本文中以目前在轨运行的风云卫星为基础,概述了在我国风云气象卫星中应用的碲镉汞光导器件的最新性能,也为该系列高性能红外探测器的后续商业化推广应用进行了展望。

大气环境监测卫星宽幅成像仪高性能碲镉汞红外探测芯片

宽幅成像仪(WSI)是大气环境监测卫星中的主要载荷之一,可以提供从可见光到长波红外的地球环境成像遥感数据。宽幅成像仪中搭载了从1.3~12.5μm红外波段进行探测的8个波段碲镉汞红外探测器,各波段采用窄带滤光片进行分光,8个波段的碲镉汞探测器封装在短波、中波和长波3个组件中。本文中对8个波段的碲镉汞红外探测器进行了概述,内容涵盖了探测器的设计思想、制备工艺和测试方法,最后给出了目前在轨运行的高性能探测器组件的探测率性能和响应光谱,同时与各波段器件的探测率指标进行了对比。

碲镉汞光子计数型线性雪崩探测器(特邀)

单光子计数技术在弱信号探测和时间测距中具有重大的应用前景。自从20世纪70年代可见光的光子计数系统研发以来,国际上该领域内的研发小组在不断地发展完善光子计数技术,充分放大光子信号,以降低电子设备的读出噪声。电子倍增电荷耦合器件(Electron Multiplying Charge Coupled Devices,EMCCDs)具有更高的量子效率,可替代传统的可见光光子计数系统,但较大的雪崩噪声阻碍了倍增下入射光子数的准确获取。碲镉汞线性雪崩器件(HgCdTe APD)的过剩噪声因子接近1,几乎无过剩噪声;相对于盖革模式的雪崩器件,没有死时间和后脉冲,不需要淬灭电路,具有超高动态范围,光谱响应范围宽且可调,探测效率和误计数率可独立优化,开辟了红外波段光子计数成像的新应用领域,在天文探测、激光雷达、自由空间通信等应用中具有重要价值。美国雷神(Raytheon)公司和DRS技术公司、法国CEA/LETI实验室和Lynred公司、英国Leonardo公司先后实现了碲镉汞线性雪崩探测器的单光子计数。文中总结了欧美国家在碲镉汞光子计数型线性雪崩探测器研究方面的技术路线和研究现状,分析了吸收倍增分离型(Separation of Absorption and Magnification,SAM)、平面PIN型和高密度垂直集成型(High Density Vertically Integrated Photodiode,HDVIP)三种结构的HgCdTe APD器件性能、光子计数能力以及制备优缺点。雷神公司采用分子束外延(Molecular-Beam Epitaxy,MBE)方式制备了空穴倍增机制的SAM型短波HgCdTe APD器件,增益可达350,光子探测效率达95%以上,工作温度达180 K以上。DRS技术公司采用液相外延(Liquid Phase Epitaxy,LPE)碲镉汞材料制备了电子倍增机制的HDVIP型中波HgCdTe APD器件,在0.4~4.3μm的可见光到中红外波段都能响应,最高增益可达6100,光子探测效率大于70%,可实现110 Mbps的自由空间通信。CEA/LETI实验室和Lynred公司采用分子束外延或液相外延制备了电子倍增机制的PIN型短波和中波HgCdTe APD器件,短波器件增益达2000,中波最高增益可达13000,内光子探测效率达90%,实现了80 Mbps的自由空间通信,在300 K和增益为1时,带宽最高达10 GHz。英国Leonardo公司采用金属有机气相沉积(Metal Organic Vapor Phase Epitaxy,MOVPE)方式制备了电子倍增机制的SAM型短波HgCdTe APD器件,命名为Selex Avalanche Photodiode HgCdTe Infrared Array(SAPHIRA),器件增益可达66@14.5 V,单光子探测率达90%以上,中心距为24μm的320×256阵列的SAPHIRA器件供给法国First Light Imaging公司,研发出了C-RED ONE相机,相机成功应用于美国天文探测的密歇根红外组合器(Michigan Infrared Combiner,MIRC),将MIRC的系统噪声降低了10~30倍,大大提高了条纹探测的信噪比。国内碲镉汞雪崩探测器研究起步比较晚,主要研究机构有中国科学院上海技术物理研究所、昆明物理研究所和华北光电技术研究所,受限于芯片制备技术和电路技术,目前没有实现光子计数方面的应用,但在焦平面研制上取得了一定进展。中国科学院上海技术物理研究所研制了PIN结构的单元、128×128阵列、320×256阵列中波HgCdTeAPD器件,器件增益可达1000以上,增益100以内,增益归一化暗电流密度低于1×10^(−7)A/cm^(2),增益400以内的过剩噪声因子小于1.5,增益133时的噪声等效光子数为12,进行了短积分快速成像演示;单元器件带宽可达300~600 MHz。昆明物理研究所研制了PIN结构的单元和256×256阵列的中波HgCdTe APD器件,单元器件增益可达1000以上;在偏压8.5 V以内,焦平面平均增益归一化暗电流为9.0×10^(−14)~1.6×10^(−13)A,过噪因子F介于1.0~1.5之间。国内主要是研制平面PIN结构的HgCdTe APD器件,技术路径与法国基本相同。因而,我国可借鉴CEA/LETI实验室成功经验和Lynred公司的运营模式,持续推进HgCdTe APD器件的研究,以早日达到国际先进水平,实现单光子探测和光子计数应用。

基于非平衡模式的碲镉汞高工作温度探测器

本文回顾了当前国内外高工作温度碲镉汞红外探测器的技术路线和相应的器件性能,在碲镉汞器件暗电流的温度特性分析的基础上,讨论了基于非平衡工作模式的碲镉汞探测器的基本原理、器件结构设计和暗电流机制,探讨了吸收层全耗尽碲镉汞器件性能与器件结构参数、材料晶体质量的关系,明确了其技术要点和难点,展望了碲镉汞高工作温度器件技术的发展趋势。

高工作温度碲镉汞p-on-n中波1024×768焦平面探测器

提高红外探测器的工作温度对于减小红外系统的尺寸、重量和功耗至关重要,进而实现结构紧凑和成本低廉的红外系统。昆明物理研究所多年来对掺铟和砷离子注入技术的HgCdTe p-on-n技术进行了优化,实现了性能优异的中波红外探测器的研制。本文报道了高工作温度中波1024×768@10μm红外焦平面阵列探测器的最新结果,并介绍了在150 K工作温度下的器件性能。结果标明,器件在150 K下截止波长为4.97μm,并测得了不同工作温度下的NETD、暗电流和有效像元率。此外,还展示了在150 K的工作温度下焦平面器件的红外图像,并呈现了99.4%的有效像元率。

碲镉汞线性雪崩焦平面器件评价及其应用(特邀)

碲镉汞线性雪崩焦平面探测器具有高增益、高带宽及低过剩噪声等特点,在航空航天、天文观测、军事装备及地质勘探等领域展现了巨大的应用潜力。目前,国内已经开展了碲镉汞线性雪崩焦平面器件的研制工作,但缺乏评价其性能的方法及标准,同时对其的应用仍然处于探索阶段。首先分析了表征线性雪崩焦平面器件性能的关键参数,同时基于碲镉汞线性雪崩焦平面器件的特点,探讨了雪崩焦平面器件在主/被动红外成像、快速红外成像等领域的应用,最后对碲镉汞雪崩焦平面器件的未来发展进行了展望。

液相外延碲镉汞薄膜缺陷综述

液相外延是碲镉汞(MCT)薄膜生长领域最成熟的一种方法,被众多红外探测器研究机构和生产商所采用。然而由于MCT材料自身属性和具体制备工艺的原因,液相外延生长过程中不可避免地会产生各种缺陷,从而降低红外探测器的性能。为了增加对液相外延MCT薄膜中缺陷的认识,并对具体的生长工艺提供指导性建议,基于已报道的文献总结了液相外延MCT薄膜中所存在一些缺陷的特征以及形成机理和消除方法。对各类缺陷的形成机理和消除方法进行探讨和评估,有助于提高MCT薄膜液相外延的水平,为制造高性能MCT探测器做好材料技术支撑。

碲镉汞表面处理中异常现象的分析及控制

表面处理是碲镉汞(HgCdTe)红外探测器芯片制作流程的开始,其效果会直接影响芯片的良品率。采用金相显微镜、扫描电子显微镜(SEM)和X射线光电子能谱(XPS)分析手段,探究了碲镉汞表面处理工艺中四种典型的表面异常现象的成因,并提出了相应的控制措施。水痕缺陷的形成机理为吸氧腐蚀,通过稳定氮气气流快速将晶片表面吹干可以控制该缺陷的形成;染色现象的成因为腐蚀液被不均匀稀释或腐蚀液被水等杂质污染,工艺中应严格避免杂质的污染,腐蚀结束后快速冲洗表面;圆斑现象是由于缺陷处吸附清洗液引起,采用异丙醇浸泡后再干燥可以降低该缺陷出现的概率;甲苯与HgCdTe表面直接接触时会导致碲镉汞表面粗糙度增大,工艺中需要避免甲苯和HgCdTe表面的直接接触。

液相外延碲镉汞中砷离子注入与激活表征研究

As在HgCdTe材料中具有较小的扩散系数,可以形成较为稳定的结构,广泛应用于HgCdTe的p型掺杂。在p-on-n型碲镉汞红外探测器的制备中As掺杂是重要的制备方法。针对在制备过程中存在无法精确测量As激活率的问题,提出采用低温弱p型退火辅助差分霍尔测试的方法,获得了载流子浓度分布,从而通过与SIMS测试结果对比得到长、中波液相外延HgCdTe样品中As的激活率,并分析了退火等工艺对As掺杂后激活率的影响。

分子束外延In掺杂硅基碲镉汞研究

利用分子束外延(Molecular Beam Epitaxy, MBE)系统生长了In掺杂硅基碲镉汞(Mercury Cadmium Telluride, MCT)材料。通过控制In源温度获得了不同掺杂水平的高质量MCT外延片。二次离子质谱仪(Secondary Ion Mass Spectrometer, SIMS)测试结果表明,In掺杂浓度在1×1015~ 2×1016 cm-3之间。表征了不同In掺杂浓度对MCT外延层位错的影响。发现位错腐蚀坑形态以三角形为主(沿<111>方向排列),且位错密度与未掺杂样品基本相当。对不同In掺杂浓度的材料进行汞饱和低温处理后,样品的电学性能均有所改善。结果表明,In掺杂能够提高材料的均匀性,从而获得较高的电子迁移率。