張 姍，沈益銘，劉 丹，鐘艷紅，魏彥鋒，廖清君，陳洪雷，林 春，2，丁瑞軍，何 力

(1.中國(guó)科學(xué)院 上海技術(shù)物理研究所 紅外成像材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200083；2.上?？茖W(xué)技術(shù)大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海 201210)

引言

超光譜技術(shù)是多色或多波段成像技術(shù)的一種，通過(guò)將傳感器的光譜分辨率持續(xù)細(xì)分，在獲得空間信息的同時(shí)，還能獲得包含隨波長(zhǎng)分布的光譜信息，由于在極窄譜段內(nèi)提高了目標(biāo)與背景的對(duì)比度，超光譜技術(shù)可以增強(qiáng)圖像的可讀性和目標(biāo)的識(shí)別度[1-3]?？梢?近紅外(Vis/NIR)超光譜探測(cè)器是提供從可見光到近紅外譜段(0.4 μm～2.4 μm)光譜信息的探測(cè)器，由于Vis/NIR超光譜探測(cè)器的工作溫度較高，同時(shí)可滿足可見和近紅外波段的高靈敏探測(cè)成為超光譜探測(cè)的一個(gè)主要研究方向。在空間對(duì)地觀測(cè)應(yīng)用中，可以觀測(cè)水循環(huán)、植被和礦物質(zhì)，還可以分析地球大氣中的CO2、N2成份，提高目標(biāo)的精準(zhǔn)分析[4-6]。

法國(guó)紅外公司(Sofradir)和法國(guó)原子能委員會(huì)下屬的信息技術(shù)和電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)室——紅外實(shí)驗(yàn)室(CEA/LETI-LIR)是最早研究Vis/NIR探測(cè)器的研究機(jī)構(gòu)。研究發(fā)現(xiàn)，碲鎘汞材料除了具有極高的量子效率、電子遷移率和適中的介電常數(shù)等優(yōu)點(diǎn)外，最突出的特點(diǎn)是禁帶寬度可調(diào)，通過(guò)調(diào)節(jié)材料組份，響應(yīng)范圍可以覆蓋整個(gè)紅外波段及可見光波段，非常適合制備Vis/NIR探測(cè)器。Sofradir和CEA/LETI-LIR在碲鎘汞常規(guī)制備技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展了可見光拓展的近紅外碲鎘汞探測(cè)器，通過(guò)采用一種獨(dú)特的紅外焦平面列陣背面減薄技術(shù)來(lái)去除襯底，最終實(shí)現(xiàn)可見和紅外2個(gè)波段的同時(shí)探測(cè)，一個(gè)器件同時(shí)實(shí)現(xiàn)了2個(gè)探測(cè)器的功能，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)[7-9]。

在超光譜可見-近紅外碲鎘汞探測(cè)器的研制過(guò)程中需要解決的關(guān)鍵技術(shù)主要有：1)高信噪比大面陣碲鎘汞探測(cè)器制備技術(shù)。探測(cè)器的規(guī)模決定了超光譜應(yīng)用時(shí)圖像維和光譜維的劃分精度，因此探測(cè)器的面陣規(guī)模一般大于512×512，才可以實(shí)現(xiàn)Δλ/λ在0.001左右的超光譜應(yīng)用。為了特殊的應(yīng)用需求如天文觀測(cè)，信號(hào)的強(qiáng)度很小，需要探測(cè)器具有很高的信噪比，主要通過(guò)提高探測(cè)器的量子效率來(lái)實(shí)現(xiàn)。2)襯底的無(wú)損去除技術(shù)。作為一種三元化合物材料，汞原子與碲原子的鍵和力很小，任何機(jī)械損傷都會(huì)造成材料缺陷，形成產(chǎn)生復(fù)合中心，降低載流子壽命，降低量子效率，因此無(wú)損襯底去除技術(shù)對(duì)于探測(cè)器的可見波段拓展至關(guān)重要。3)可見-近紅外增透技術(shù)。針對(duì)不同的應(yīng)用和光學(xué)系統(tǒng)，增透膜方案有分區(qū)和寬光譜覆蓋兩種。

本文針對(duì)Vis/NIR探測(cè)器研制過(guò)程中面臨的幾個(gè)問(wèn)題，對(duì)上海技術(shù)物理研究所研制的超光譜Vis/NIR探測(cè)器的研究進(jìn)展、制備工藝和探測(cè)器性能進(jìn)行介紹。

1 焦平面制備和測(cè)試技術(shù)

1.1 高信噪比大面陣Vis/NIR碲鎘汞探測(cè)器制備技術(shù)

液相外延技術(shù)能夠獲得低位錯(cuò)密度的高質(zhì)量碲鎘汞材料，依然是制備碲鎘汞外延材料的主流技術(shù)之一[10-15]。為了實(shí)現(xiàn)低噪聲探測(cè)選擇液相外延材料制備大面陣探測(cè)器，首先要獲得能夠與碲鎘汞材料晶格匹配的CdZnTe襯底材料。采用VGF法[11-12]生長(zhǎng)了大直徑的CdZnTe晶錠，通過(guò)提高工藝穩(wěn)定性、襯底熱處理等加工工藝降低了CdZnTe晶體中的孿晶缺陷，使Φ90 mm晶體的單晶率達(dá)到70%，制備出尺寸達(dá)到(30×40) mm2的(111)CdZnTe單晶襯底，襯底位錯(cuò)密度(EPD)小于5×104cm-2，沉淀物缺陷尺寸小于5 μm×5 μm，表面夾雜缺陷密度小于50 cm-2。

圖1 CdZnTe/HgCdTe液相外延材料實(shí)物圖Fig.1 Photograph of CdZnTe/HgCdTe materialsgrown by LPE

在制備出的大尺寸CdZnTe襯底上采用垂直浸積式液相外延技術(shù)[13-14]獲得了(30×40) mm2的大面積P型Hg空位HgCdTe外延材料，材料組分：0.44，均方差為0.000 4，厚度均方差為0.4 μm，表面缺陷密度小于5 cm-2。利用霍爾測(cè)試得到載流子濃度：10～20×1015cm-3，載流子遷移率：>200 cm2/Vs。

經(jīng)過(guò)材料生長(zhǎng)后，在Hg空位型CdZnTe基HgCdTe材料上制作了焦平面器件。圖2為探測(cè)器結(jié)構(gòu)剖面圖，從圖中可以看出器件采用常規(guī)的n-on-p型平面結(jié)結(jié)構(gòu)[15]，在CdZnTe襯底與外延層HgCdTe之間有一層緩變界面，緩變區(qū)具有較高的吸收系數(shù)，能夠防止表面復(fù)合，從而獲得較高的量子效率。通過(guò)B+注入的方法在P型HgCdTe外延材料上形成p-n結(jié)，采用CdTe/ZnS雙層鈍化，鈍化后制備金屬電極和銦柱用于信號(hào)的輸出。

圖2 CdZnTe / HgCdTe 探測(cè)器結(jié)構(gòu)剖面圖Fig.2 Cross-section schematic of CdZnTe/HgCdTe detector

將制備好的640×512 25 μm中心距的CdZnTe/HgCdTe焦平面探測(cè)器與配套電路通過(guò)銦柱進(jìn)行倒焊互連，電路采用CTIA輸入級(jí)結(jié)構(gòu)，電容大小為10 fF。最后將倒焊好的模塊貼在寶石基板上實(shí)現(xiàn)焦平面信號(hào)的輸出處理。貼裝后的焦平面模塊實(shí)物圖如圖3所示。

圖3 640×512CdZnTe/HgCdTe焦平面探測(cè)器模塊圖Fig.3 Photograph of640×512CdZnTe/HgCdTe FPAsdetector module

對(duì)于背照射式碲鎘汞焦平面，襯底CdZnTe的禁帶寬度約為1.6 eV，波長(zhǎng)小于775 nm的光會(huì)完全被襯底所吸收，為了拓展短波碲鎘汞焦平面探測(cè)器在可見光波段的探測(cè)能力，需要尋找適合背照射式碲鎘汞模塊的無(wú)損襯底去除技術(shù)。我們采用的是機(jī)械拋光加選擇性濕法腐蝕工藝進(jìn)行襯底的完全去除。

圖4為襯底去除前后碲鎘汞芯片在可見光波段的響應(yīng)光譜對(duì)比。從圖中可以看出，襯底去除前探測(cè)器的響應(yīng)光譜在小于830 nm的可見光區(qū)域急劇下降，當(dāng)波長(zhǎng)小于800 nm時(shí)光輻射全部被吸收。當(dāng)襯底完全去除后探測(cè)器的響應(yīng)光譜從紅外波段一直延伸至可見光波段400 nm，這表明無(wú)損襯底去除技術(shù)實(shí)現(xiàn)了將探測(cè)器透射光譜拓展的目的，實(shí)現(xiàn)了可見/紅外區(qū)域的寬光譜探測(cè)。

圖4 襯底去除前、后探測(cè)器的響應(yīng)光譜圖Fig.4 Relative response spectra of detector before andafter substrate removal

1.2 焦平面性能的測(cè)試與評(píng)價(jià)

利用焦平面測(cè)試平臺(tái)對(duì)襯底去除后的焦平面性能進(jìn)行了測(cè)試，探測(cè)器的工作溫度為100 K，F(xiàn)數(shù)為1.1，黑體測(cè)試溫度為293 K～308 K。測(cè)試內(nèi)容包括響應(yīng)率、非均勻性、噪聲、盲元率和歸一化響應(yīng)光譜。

從圖5、6、7和表1的640×512 HgCdTe焦平面性能測(cè)試結(jié)果可以看出：由于冷屏的影響造成中間和邊緣光敏元接收光子數(shù)存在差異，導(dǎo)致響應(yīng)非均勻性為9.8%，焦平面中心位置處的響應(yīng)約68.0 mV/K。平均噪聲為3.29 mV，中間區(qū)域噪聲為3.55 mV，利用中間區(qū)域的響應(yīng)和噪聲可以計(jì)算得到探測(cè)器的信噪比為287，能滿足高圖像質(zhì)量探測(cè)的需求[10]。

圖5 640×512Vis/NIR HgCdTe焦平面響應(yīng)Fig.5 Response histogram of640×512Vis/NIR HgCdTe FPAs

圖6 640×512Vis/NIR HgCdTe焦平面噪聲Fig.6 RMS noise histogram of640×512Vis/NIR HgCdTe FPAs

測(cè)試結(jié)果平均響應(yīng)率/(V·W-1)5.13E+07響應(yīng) /(mV·K-1)56.8噪聲/ (mV)2.68響應(yīng)率非均勻性 /(%)9.8有效像元率/ (%)98.8

圖7 640×512Vis/NIR HgCdTe焦平面的歸一化響應(yīng)光譜圖(0.4μm～3.0μm)Fig.7 Normalized spectral response of640 512Vis/NIRHgCdTe FPAs(0.4μm～3.0μm)

在超光譜應(yīng)用中，為了獲得不同譜段的光譜信息，信號(hào)光都要經(jīng)過(guò)復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行光柵分光最后被探測(cè)器所接收，造成信號(hào)的光強(qiáng)大大衰減，要求探測(cè)器必須具有較高的量子效率。我們提出了信號(hào)定量化的量子效率測(cè)試評(píng)價(jià)方法。具體測(cè)試方法：利用帶通濾光片限定入射光子數(shù)Qin，測(cè)試響應(yīng)電壓Vs，計(jì)算獲得固定電容Cint下產(chǎn)生的信號(hào)電子數(shù)Qs=Vs·Cint/q，則器件的量子效率η就可以利用公式計(jì)算得到：η=(Qs/Qin)%。對(duì)于640元×512元HgCdTe焦平面電路積分電容Cint為10 fF，性能測(cè)試時(shí)選擇的帶通濾光片低溫100 K下的透射光譜曲線如圖8所示，結(jié)合黑體輻射率、濾光片透射光譜和入射效率89%，計(jì)算可得到當(dāng)黑體從328 K變化至343 K探測(cè)器接收到的輻射總光子數(shù)～72 000，由此獲得此入射條件下，不同響應(yīng)的器件的量子效率，如圖9所示。

圖8 100K時(shí)窄帶通濾光片的歸一化透射光譜Fig.8 Normalized spectral response of narrow band passfilter at100K

圖9 計(jì)算得到器件的量子效率與響應(yīng)率的對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.9 Relationship between calculated quantum efficiencyand FPAs’ responsivity

因此對(duì)于響應(yīng)為68.0 mV/K的探測(cè)器，計(jì)算可得器件在(2.32±0.025)μm波段的量子效率為88.4%。根據(jù)特定波段的量子效率和歸一化響應(yīng)光譜可以得到不同波段內(nèi)的量子效率，最終可以獲得器件的等光子量子效率譜，如圖10所示?？梢娖骷?.5 μm～2.6 μm波段內(nèi)的量子效率大于50%，0.4 μm處還有30%的量子效率，很好地實(shí)現(xiàn)了短波器件在可見光波段的高效率響應(yīng)。

圖10 640×512Vis/NIR HgCdTe焦平面的量子效率譜Fig.10 Quantum efficiency spectrum of640×512Vis/NIRHgCdTe FPAs

2 焦平面的應(yīng)用

為了驗(yàn)證可見/近紅外大面陣碲鎘汞焦平面的性能，焦平面前配備了光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行了成像，成像效果如圖11所示，圖11(a)是可見光和近紅外融合圖像，圖11(b)是加了1.5 μm長(zhǎng)通濾光片(圖中圓形鏡頭)的成像圖像。由于近紅外輻射的主要來(lái)源是高溫物體，因此圖11(a)中信號(hào)多為反射的可見光，可以看出可見光部分的圖像清晰度非常高；在有濾光片的情況下圖11(b)中的高溫物體的短波紅外圖像輪廓也很分明。如果將可見/近紅外大面陣碲鎘汞焦平面與自動(dòng)光學(xué)系統(tǒng)相配合，能夠?qū)崿F(xiàn)可見目標(biāo)的實(shí)時(shí)觀測(cè)及對(duì)于高溫物體的精確識(shí)別功能。

圖11 可見/近紅外大面陣碲鎘汞焦平面拍攝的可見、短波紅外圖像Fig.11 Visual (left) and NIR (right) images acquiredby640 512,25m HgCdTe FPAs

3 結(jié)論

基于超光譜的應(yīng)用，我們開展了可見/近紅外大面陣碲鎘汞焦平面的研制工作，通過(guò)大面陣低缺陷密度的CdZnTe基碲鎘汞材料制備，結(jié)合低損傷襯底去除技術(shù)獲得了滿足超光譜應(yīng)用的640元×512元Vis/NIR碲鎘汞焦平面。經(jīng)測(cè)試驗(yàn)證在較高的工作溫度下(100 K)焦平面具有很高的信噪比(287)和量子效率(88.4%)，能夠獲得好的成像分辨率。本焦平面器件將可見與近紅外成像技術(shù)精密融合，拓展了短波碲鎘汞焦平面的應(yīng)用領(lǐng)域，具有非常廣的應(yīng)用前景。