陳正超，唐利斌，郝 群，王善力，莊繼勝，孔金丞，左文彬，姬榮斌

〈綜述與評論〉

HgCdTe多層異質結紅外探測材料與器件研究進展

陳正超1,2，唐利斌2,3，郝 群1，王善力2，莊繼勝2，孔金丞2，左文彬2,3，姬榮斌2

（1. 北京理工大學 光電學院，北京 100081；2. 昆明物理研究所，云南 昆明 650223；3. 云南省先進光電材料與器件重點實驗室，云南 昆明 650223）

HgCdTe多層異質結技術是未來主流紅外探測器發(fā)展的重要技術方向，在高工作溫度、雙/多色和雪崩光電管等高性能紅外探測器中扮演著重要的角色。近年來基于多層異質結構的HgCdTe高工作溫度紅外探測器得到了快速發(fā)展，尤其是以勢壘阻擋型和非平衡工作P+-π(ν)-N+結構為主的器件受到了廣泛的研究。本文系統(tǒng)介紹了勢壘阻擋型和非平衡工作P+-π(ν)-N+結構HgCdTe紅外探測器的暗電流抑制機理，分析了制約兩種器件結構發(fā)展的關鍵問題，并對國內外的研究進展進行了綜述。對多層異質結構HgCdTe紅外探測器的發(fā)展進行了總結與展望。

碲鎘汞；多層異質結；勢壘；非平衡工作；焦平面器件

0 引言

碲鎘汞（Hg1－CdTe）是紅外光子型探測器中最重要的一種材料，材料的禁帶寬度可隨組分的變化在0～1.6 eV范圍內連續(xù)調節(jié)，從而實現(xiàn)對整個紅外波段的探測，且具有高量子效率的優(yōu)勢，因此在高性能制冷型紅外探測器中占有重要的地位[1-3]。

基于窄禁帶半導體的光電二極管中產生暗電流的主要機制有4種[4]：①耗盡區(qū)與產生-復合（Shockley-Read-Hall，SRH）過程相關的電流；②器件準中性區(qū)的擴散電流；③與界面陷阱相關的表面漏電流；④隧穿電流：帶間隧穿和陷阱輔助隧道電流。紅外探測器的最高工作溫度通常由其暗電流決定，它隨溫度呈指數(shù)增長[5-7]。探測器工作時，暗電流的任何波動都直接轉化為探測器中的噪聲，從而限制了可實現(xiàn)的探測能力。雖然通過制冷使HgCdTe探測器工作于接近液氮溫度的低溫下可以提高探測器的信噪比，但是對制冷技術的依賴限制了HgCdTe探測器的廣泛應用[8-9]。

和同質結相比，異質結具有更高的注入效率[10]，且異質結兩側材料禁帶寬度以及其他特性的不同，使得基于異質結的器件可以實現(xiàn)某些同質結不具有的功能[11]。隨著金屬有機氣相沉積（Metal Organic Chemical Vapor Deposition，MOCVD）和分子束外延（Molecular Beam Epitaxy，MBE）制備技術水平的提升，基于多層復雜異質結構的紅外探測器得到了極大的發(fā)展。當前主流的紅外探測器產品為第三代探測器[12]，并已出現(xiàn)第四代探測器的概念[13]。第三代探測器產品中[14]，雪崩探測、高工作溫度探測和多色探測等技術的發(fā)展均依賴于組分異質結構的多層外延材料和器件技術。在不降低器件性能的前提下，提高探測器的工作溫度，實現(xiàn)小尺寸、低重量、低功耗、高性能和低價格（Size, Weight, and Power, Performance and Price，SWaP3）成為制造新一代紅外探測器的主要目標[13,15-16]。最近幾十年來，為實現(xiàn)高工作溫度（High Operating Temperature，HOT）器件，研究人員提出了不同的策略，主要包括：采用光學浸沒以提高探測器光學面積[17]，提升材料制備質量以降低探測器中的漏電流[16]，非平衡Auger抑制結構的探測器設計[17]，勢壘結構探測器[18-19]，超晶格探測器[17]，紅外量子級聯(lián)探測器[17,20]，以及光子陷阱探測器[17,21]等。

隨著多層異質結構材料和器件的發(fā)展，高工作溫度探測技術得到了長足的發(fā)展。在高工作溫度探測技術中，針對準中性區(qū)的擴散電流分量和空間電荷區(qū)的SRH電流分量，分別發(fā)展了基于非平衡工作（Non-Equilibrium Operating）模式的P+-π(ν)-N+結構[22]（其中π為p型輕摻雜，ν為n型輕摻雜）和基于勢壘阻擋結構[9,23]的多層異質結紅外探測器。

1 勢壘型HgCdTe紅外探測器

1.1 勢壘型探測器的工作原理

1983年，White[24]第一次提出了作為高阻抗光電導器件的勢壘探測器。該器件中，一個薄的寬帶隙半導體兩端耦合n型窄帶隙半導體，并假設在整個異質結構中存在導帶偏移（Conduction Band Offset，CBO）Dc，而幾乎無價帶偏移（Valence Band Offset，VBO）DE，這樣只允許少數(shù)載流子在光導體中流動，從而構成單極勢壘阻擋（Unipolar Barrier），即只能阻擋一種載流子（電子或空穴）但允許另一種載流子暢通無阻的勢壘。2003年，以色列Semiconductor Device（SCD）公司的Klipstein[25]提出了一種新型的異質結器件結構，其特點是窄帶隙吸收層中不存在耗盡區(qū)，從而抑制SRH電流與噪聲。美國紐約羅徹斯特大學的Maimon和Wicks[18]在2006年也提出了類似的器件結構，并給出了nBn的名稱，其中n表示窄間隙半導體中的摻雜，B表示寬帶隙勢壘阻擋層。nBn器件類似于典型的p-n結型光電二極管，不同之處為結區(qū)（空間電荷區(qū)）被勢壘阻擋層B所取代，p接觸層被n接觸層所取代，從而形成單極勢壘紅外探測器（Unipolar Barrier Infrared Detector，UBIRD）。隨后，Klipstein進一步將無耗盡的新型異質結器件結構命名為XBn[5]，且根據(jù)吸收層摻雜類型的不同可分為XBn和XBp[19]，其中，如果接觸層所用的材料與光子吸收層所用的材料有不同的帶隙，則X代表p或n，下標表示接觸層的摻雜類型；如果X型接觸層和光子吸收層中都使用相同的材料，則X表示p或n。

上述所有器件結構中，其中的一種窄帶隙半導體作為器件的偏置接觸層，另一種窄帶隙半導體為吸收層（有源層），其厚度兼容光的吸收長度，通常為幾個μm[26-28]。nBn器件的能帶結構[28]如圖1(a)所示。理想條件下，器件結構中不存在耗盡區(qū)域，且勢壘層采用寬帶隙的半導體材料，從而抑制了SRH過程對暗電流的貢獻。轉換溫度c[28]（Crossover Temperature）定義為擴散電流分量和SRH電流分量相等的溫度，如圖1(b)所示。探測器工作溫度高于轉換溫度時，擴散暗電流起主導作用；低于轉換溫度c時，SRH暗電流起主導作用。由此，當探測器的工作溫度低于轉換溫度c時，單極勢壘器件結構具有兩方面優(yōu)勢[17]：①在相同工作溫度下，和常規(guī)p-n結光電探測器相比，其具有更低的暗電流；②在相同的暗電流水平下，其具有更高的工作溫度，從而降低對制冷條件的需求。

表面漏電流是常規(guī)窄帶隙p-n結光電探測器中暗電流的重要來源，而單極勢壘型器件結構對表面漏電流也會產生重要影響[29-31]，如圖1(c)～(e)所示。通常，表面漏電流對溫度的依賴不顯著，因而無法通過對探測器的制冷來抑制其對器件性能的影響[29]，需要采用鈍化處理等以抑制表面漏電流。單極勢壘阻擋器件結構為抑制表面漏電流提供了一種解決方法，即通過選擇性的刻蝕保留寬帶隙的勢壘層，從而使勢壘層同時也是鈍化層，無需額外的鈍化處理，從而簡化制備工藝[18]。如圖1(f)所示為nBn焦平面器件陣列結構圖[32]。在紅外探測器中，半導體表面雜散電場引起的能帶彎曲和表面費米能級釘扎效應均會引入表面漏電流[33]。根據(jù)半導體材料表面導電類型的不同，器件結構可采用不同的結構形式。對于HgCdTe[34]和InAs[33,35]等探測器，由于表面的費米能級釘扎于禁帶或者導帶中形成n型導電類型，故采用nBn結構可抑制表面漏電流；而表面導電類型為p型時，則可采用pBp結構[27,36]。

圖1 單極勢壘型紅外探測器：(a)～(e)分別為nBn器件的能帶結構[28]、Arrhenius曲線特性[28]、暗電流抑制特性[30]、體能帶結構與表面能帶結構對比[31]和表面漏電流通道的阻擋[31]；(f) nBn焦平面器件陣列結構[32]

1.2 HgCdTe勢壘型紅外探測器的發(fā)展

對于HgCdTe材料，nBn結構與典型的p-n結型光電探測器相比具有顯著的優(yōu)勢，它消除了通過離子注入或MBE原位p型可控摻雜的相關問題[37-38]，并消除了p型摻雜激活所需的處理步驟[39]，因而促進了HgCdTe nBn器件的研究。

2011年，美國密歇根大學Itsuno等首次將nBn型勢壘阻擋器件結構應用于HgCdTe材料體系，采用數(shù)值分析的方法對比了長波紅外（Long Wavelength Infrared，LWIR）HgCdTe的nBn和p-n結器件結構在50～300 K范圍的響應特性[40]。分析結果表明，在50～95K的溫度范圍內，nBn HgCdTe器件的暗電流、響應率和探測率等特性參數(shù)與p-n結相當。隨后，該研究團隊采用MBE系統(tǒng)在CdZnTe（2 1 1）B襯底上制備了In摻雜的nBn器件[39]，并采用ZnS作為器件表面的鈍化層。在高于180 K時，總暗電流受材料內部的Auger過程主導；而低于180 K時，總暗電流趨于飽和，這歸因于通過表面陷阱復合產生的漏電流，如圖2(a)和2(b)所示。該HgCdTe nBn探測器的開啟電壓為bias≈－0.8V，和“07規(guī)則”相比，其暗電流大幾個數(shù)量級。

針對nBn HgCdTe器件結構存在暗電流較大的問題，Itsuno等[41-42]進一步提出了NBνN器件結構，如圖2(c)和2(d)所示。在nBn器件中，和勢壘層B相對應，n型吸收層的另一端耦合寬帶隙的N型層形成排斥結（Exclusion Junction），從而構成空穴勢壘。NBνN器件結合了nBn和非平衡工作Auger抑制器件的優(yōu)點，即抑制耗盡區(qū)的SRH和準中性區(qū)的Auger過程。分析結果表明，和常規(guī)nBn和雙層平面異質結（Double Layer Planner Heterojunction，DLPH）器件相比，暗電流有數(shù)量級的降低。NBνN結構集成了空穴勢壘和電子勢壘，該結構與美國噴氣推進實驗室（Jet Propulsion Laboratory，JPL）Ting等[43]提出的互補勢壘紅外探測器（Complementary Barrier Infrared Device，CBIRD）相類似。2013年，波蘭軍事技術大學的Martyniuk等[44-45]對電子勢壘和空穴勢壘層均為n型摻雜的HgCdTe nBnN/CBIRD器件分析表明，勢壘層B的摻雜濃度和組分對器件的性能影響顯著，通過調控摻雜濃度和組分可調節(jié)Dc和Dv的高度。同時，勢壘層N應重摻雜（D＞1016cm－3）以獲得良好的探測性能。

圖2 HgCdTe勢壘型探測器：(a)和(b)分別為nBn探測器的能帶結構和暗電流的Arrhenius曲線[39-40]；(c)和(d)分別為互補勢壘探測器NBνN的能帶結構和暗電流的Arrhenius曲線[41]；(e)和(f)分別為p型摻雜勢壘的能帶結構和J-V特性曲線[48]

和III-V族紅外材料不同，HgCdTe材料的I型能帶配置結構在寬帶隙的勢壘層和窄帶隙的吸收層界面存在較大的Dv，限制了器件的性能，是制約勢壘阻擋器件結構在HgCdTe材料體系中應用的關鍵問題[4,23,37,46]。Dv的存在引入的問題包括[26]：①低溫工作時，由于光吸收產生的低能量少子空穴無法克服能量勢壘，器件表現(xiàn)出較差的響應和探測性能；②為了將Dv限制在合理的水平，Dc的高度受到限制，導致高溫工作時多數(shù)載流子形成暗電流，從而降低響應率；③為了有效收集光生載流子，需降低或者消除Dv，根據(jù)器件的工作波長，需要施加大于帶隙能量的反向偏壓，常規(guī)的nBn器件工作時需施加小的反向偏置[28]，而當施加過高的反向偏置電壓會使界面上的耗盡區(qū)延伸至窄帶隙吸收層中，從而引入與耗盡區(qū)相關的暗電流[47]。

2014年，波蘭軍事技術大學Kopytko對HgCdTe n+BnN+器件結構的分析表明，p型摻雜的勢壘層Bp可降低Dv而提升Dc，從而優(yōu)化器件性能[48]，如圖2(e)和2(f)所示。文獻[49]分析指出，和nBnn結構相比，具有p型蓋接觸層（cap contact layer）的pBnn結構可實現(xiàn)低工作偏置電壓的要求。結合pBnn結構和p型勢壘層Bp，并針對＝0.36（230K，cut-off＝3.6mm）時摻雜類型不同吸收層，Kopytko[6,50-51]等分析了不同蓋層/勢壘層（cap/barrier，p+Bp、n+Bp和nBp）結構和吸收層摻雜的影響形式。其中底面接觸層（Bottom Contact Layer）均為重摻雜的N+。材料的制備采用MOCVD技術，從而可以避免非原位退火產生的問題[52]。分析表明：①近室溫時，n型吸收層受Auger過程相關的擴散電流主導，p型吸收層則為產生-復合電流機制；②蓋層/勢壘層p+Bp結構可實現(xiàn)價帶對齊，實現(xiàn)零偏置或低反向偏置工作條件；③和P+p同型異質結相比，p+Bpp具有更優(yōu)的排斥效應；④p+BpnN+可獲得低于“07規(guī)則”一個數(shù)量級的暗電流；⑤p+BppN+的p-n結空間電荷區(qū)位于pN+結，勢壘層Bp沒有取代空間電荷區(qū)，該結構類似于Savich等提出的單極勢壘光電二極管（Unipolar Barrier Photodiode，UBP）。和p+BpnN+相比，p+BppN+結構對Auger過程的抑制更顯著，在高溫時暗電流更低，提升材料的質量可進一步提升器件的性能，而在低溫工作時，p+BpnN+器件表現(xiàn)出更好的性能。然而，當進一步將截止波長拓展至6mm（230 K）時，兩種結構的暗電流均增大2～3個數(shù)量級，其值略高于“07規(guī)則”預測的值，且在較低的偏壓（bias≈－0.2V）下即表現(xiàn)出顯著的隧穿電流[26]。

當前，HgCdTe勢壘阻擋型探測器的發(fā)展策略是降低甚至消除勢壘層/吸收層異質結界面上的Dv，以實現(xiàn)更低的反向偏置、更低的暗電流以及更高溫度下的工作能力[46]。針對HgCdTe勢壘型探測器，相關研究人員已提出了基于帶隙工程的消除Dv的方法。

對勢壘層進行p型摻雜后，將在n型吸收層和勢壘層B的界面上引入p-n結，從而增強與耗盡區(qū)相關的暗電流[53-54]。采用HgTe/HgCdTe超晶格結構作為勢壘層，可實現(xiàn)價帶的對齊，且無需采用p型摻雜的勢壘層[55]，見圖3(a)和3(b)所示。同年，西澳大利亞大學的Akhavan等[56]提出了依靠摻雜調制技術，同時對勢壘層兩端的組分和n型/p型摻雜濃度進行梯度調控，從而實現(xiàn)價帶對齊，見圖3(c)和3(d)所示。該方法同樣引入了p型摻雜帶來的問題，且n型和p型摻雜的梯度調控將增加工藝的復雜性。2018年，該研究團隊[57]對勢壘層兩端進行δ摻雜，并結合組分的梯度調控，以實現(xiàn)降低Δv。計算結果表明，采用δ摻雜調控的方法，可使Δv低于20 meV，且Δc仍高于1eV，見圖3(e)和3(f)所示。由于無需對n型和p型摻雜進行梯度調控，該方法在MBE生長工藝中更容易實施[53]。

表1列舉了幾種勢壘阻擋結構的HgCdTe多層異質結探測器的主要性能指標。由于制備單極勢壘阻擋的HgCdTe多層異質結構器件的技術路線過于復雜，基于能帶調控技術降低Dv的技術不成熟，研究內容仍然聚焦于Dv的降低或者消除，因此，當前仍未有焦平面器件見諸報道。

表1 勢壘阻擋型HgCdTe紅外探測器的結構及性能對比

圖3 HgCdTe勢壘型探測器降低DEv的方法：(a)和(b)分別為HgTe/CdTe能帶對準示意圖和超晶格勢壘能帶結構圖[55]；(c)和(d)分別為勢壘層兩端的x組分梯度和n型/p型摻雜梯度[56]；(e)和(f)分別為勢壘層兩端δ摻雜調控結構和能帶結構[57]

2 非平衡工作模式HgCdTe紅外探測器

2.1 非平衡工作載流子耗盡原理

高質量窄帶隙半導體中，如室溫下的HgCdTe，Auger機理對產生-復合過程起著主要作用[61]。一個由Auger-1復合過程限制的理想的p-on-n光電探測器的暗電流密度可描述為[13,62]：

式中：為單位電荷；為電子濃度；為吸收區(qū)的厚度；i為本征載流子濃度；A為Auger-1壽命。在n型HgCdTe材料中，Auger-1壽命和空穴、電子和本征載流子濃度以及本征Auger-1壽命Ai等參數(shù)相關。其表達式如下所示[62-63]：

式中：為空穴濃度。將Auger-1壽命A表達式帶入暗電流密度Auger后，暗電流密度Auger可在兩種極限條件下進行計算。對于本征或者高工作溫度限時，有≈＝i，從而可得[63]：

而在非本征或者低工作溫度限時，有<<≈d，式中：d是吸收層的摻雜水平，從而可得到[63]：

對于這兩種情況，可以觀察到Auger限暗電流密度與本征Auger-1壽命成反比。在近室溫工作條件下，HgCdTe紅外探測器中的暗電流是由Auger過程主導的擴散限電流，此時高濃度的本征載流子在降低少數(shù)載流子壽命中起主導作用，電流密度與摻雜無關。在非本征工作區(qū)，暗電流密度與摻雜密度成正比，這對HgCdTe來說可以做得很低。對于Auger限探測器，較大的本征Auger-1壽命允許在稍高的溫度下工作；但與暗電流隨溫度升高呈指數(shù)增長相比，影響相對較小[63]。通常，采用制冷的方式使探測器工作于低溫下是抑制Auger產生-復合暗電流和噪聲的有效方法[61]。

1985年，英國科學家Ashley和Elliott[22]提出了利用探測器的非平衡工作模式來降低本征載流子濃度，使自由載流子濃度降低到其平衡值以下，從而達到抑制Auger產生-復合過程的目的，降低Auger產生-復合過程對器件性能的不利影響。非平衡工作的器件結構及載流子濃度變化[64]見圖4(a)所示。該方法建立在Auger產生-復合過程與自由載流子濃度存在依賴關系的基礎上?；诜瞧胶夤ぷ鞯妮d流子抑制策略提供了抑制暗電流的有效方法，該方法在本征工作溫度范圍尤其有效，因此得到了廣泛的研究。

最簡單的非平衡Auger產生-復合過程抑制探測器結構為三層異質結構P+-π(ν)-N+。反型異質結P+-ν和N+-π為抽取結（extracting junction），同型異質結N+-ν和P+-π作為排斥結（excluding junction）。在反偏電壓下，器件準中性區(qū)電子和空穴準費米能級產生差異，反型異質結的p-n結中多數(shù)載流子的擴散和少數(shù)載流子的漂移動態(tài)平衡過程被破壞，少數(shù)載流子的漂移得到加強，而多數(shù)載流子的擴散受到抑制。同型異質結阻擋少數(shù)載流子流入π或ν準中性區(qū)。隨著反偏電壓的上升，抽取結從附近的準中性區(qū)π或ν中抽取少數(shù)載流子的作用增強，在排斥結的作用下，準中性區(qū)域少數(shù)載流子得不到補充，從而使其濃度低于熱平衡值，為使準中性區(qū)保持電中性條件，該區(qū)域中的多數(shù)載流子濃度將下降到熱平衡值以下，且在非本征摻雜濃度水平飽和，從而實現(xiàn)載流子濃度的非平衡耗盡[61]。在強耗盡時，準中性區(qū)域中多數(shù)載流子的濃度可降低幾個數(shù)量級。

在具有非平衡Auger抑制的探測器中，其顯著的特點是特性曲線上，隨著反偏電壓的上升，暗電流存在明顯的負差分阻抗（negative differential resistance，NDR）區(qū)域。對于P+-π-N+結構，暗電流最小值遵循下式[61]：

式中：為單位電荷；g為禁帶寬度，單位為eV；B為玻爾茲曼常數(shù)；為溫度。上式表明min是截止波長的函數(shù)。當波長＞6mm時，對Auger效應有顯著的抑制。通常，非平衡抑制的效果以暗電流的峰谷值之比（max/min）來表征[64]，見圖4(b)所示。

2.2 非平衡工作單元器件的發(fā)展

基于HgCdTe的室溫或者近室溫工作的中波和長波紅外探測器是紅外技術的研究熱點之一[65]。最近20年來，波蘭的Vigo System S. A.公司對快速響應和高靈敏的非制冷或者熱電制冷HgCdTe紅外探測器進行了廣泛的研究[66-69]。

近室溫或室溫工作時，由于高的熱激發(fā)載流子濃度，p-n結的動態(tài)電阻很低，同時吸收區(qū)的少子擴散長度小且對入射輻射吸收弱，從而顯著降低了量子效率[17]。只有在距離結的長度小于擴散長度的光生電荷載流子才能被收集[70]。因此，只有有限部分的光生電荷對量子效率有貢獻。長波紅外（＞5mm）的吸收深度大于擴散長度[62]。對波長為10.6mm的非制冷長波光電二極管的計算表明，雙極擴散長度小于2mm，而吸收深度為13mm。這將一次輻射通過探測器的量子效率降低到～15%[17]。而在電子和空穴的遷移率之比較高的材料中，雙極性效應會進一步降低電阻。

圖4 HgCdTe P+-π-N+單元紅外探測器：(a)和(b)為非平衡工作器件結構及暗電流曲線[64]；(c)-(f)分別為零偏及反偏時的能帶結構[71]、反偏時的頻率響應特性[70]、多層異質單元器件結構和器件封裝形式[52]

此類器件和前置放大器耦合時，前置放大器噪聲和寄生電阻噪聲甚至可能超過器件本身的熱產生-復合噪聲，從而嚴重劣化器件的性能，通常不具有實際應用意義[69]。解決以上問題的策略是采用多層異質結光伏器件結構[71]，見圖4(c)所示?；贏uger抑制的P+-π-N+多層異質結構，波蘭Vigo Systems S. A.公司提出了集成光學、探測和電子功能的單片三維HgCdTe光電探測器概念，這類器件在沒有低溫制冷或者熱電制冷的情況下獲得了很好的性能[17,52]。

p型摻雜的HgCdTe表現(xiàn)出很高的雙極遷移率（e/h≈100），這對于通過漂移和/或擴散傳輸過程快速和有效地收集載流子至關重要，因此吸收層p型摻雜的HgCdTe是快速響應器件的優(yōu)選材料[70,72]。同時，通過將摻雜濃度調控至A≈3i，可實現(xiàn)Auger過程的抑制[73]。

制備多層異質結器件時，波蘭Vigo Systems S. A.公司采用MOCVD技術。MOCVD技術制備工藝溫度高（350℃～360℃），由于互擴散多層工藝（inter-diffused multilayer process，IMP）的影響，生長的異質結界面上存在顯著的組分梯度和摻雜濃度梯度層[46,72,74]。于是，制備后的器件結構通常可表示為P+-G-π-G-N+（G表示梯度層）[75]。在P+-G-π-G-N+器件結構中，吸收層的摻雜濃度、厚度和載流子壽命等對器件的性能起著重要作用[76]。作為排斥層，N+層起到紅外傳輸窗口的作用，允許能量低于帶隙的光子入射到吸收層。N+層應足夠厚，以使反向偏壓時接觸注入的任何載流子既不能擴散也不能漂移到排斥結，同時其禁帶寬度足夠寬，以抑制電子-空穴對的生成，盡量減少Auger生成和少子空穴的濃度[76]。重摻雜的寬帶隙N+和P+層阻擋少子注入吸收層，并保護器件不受表面暗電流產生的影響。此外，重摻雜可獲得低的接觸電阻[17]π型吸收層的厚度對探測器暗電流、光吸收和響應時間起著決定性的作用[77]。通常，吸收層的厚度是高吸收率、低熱激發(fā)以及快速響應要求之間的折中[65,78]。2013年，Kopytko等[72]對P+-G-π-G-N+結構吸收層π的摻雜濃度和厚度的分析表明，在非平衡工作模式時，隨著反向偏壓的升高，時間常數(shù)減小，電流響應率提升。在0.8V的反向偏壓時，為獲得0.1ns的時間常數(shù)，摻雜濃度為8.0×1015cm－3的吸收區(qū)的厚度應小于5mm。同時，輕摻雜的吸收層在反向偏壓下完全被耗盡，從而使載流子的傳輸時間取決于漂移時間（dr）。然而，吸收層的p型摻雜濃度應實現(xiàn)對材料施主背景濃度的過度補償，避免吸收區(qū)的摻雜類型轉變?yōu)閚型。

除了吸收層參數(shù)外，異質結界面梯度層對器件性能的影響同樣起著重要作用。2016年，Martyniuk等[77]對N+-π-P+-p+-n+器件中N+-π異質結與暗電流的影響形式進行了分析，結果表明，為抑制與隧穿機制相關的暗電流，需降低異質結界面上的電場。通過組分梯度和摻雜濃度梯度的調控，可降低N+-π界面陷阱輔助隧穿機制對暗電流的影響，從而在低的反向偏置（bias≈200 mV）時獲得～150 ps的時間常數(shù)。

無偏壓工作時，探測器的時間常數(shù)通常為幾個ns[74]。和反向偏置時相比，時間常數(shù)高約一個數(shù)量級[70]，見圖4(d)所示。然而反向偏置工作時，器件的相對較高的偏置電流要求和過量的1/噪聲降低了偏置探測器的性能，1/噪聲室溫拐點頻率從1 MHz左右（5mm截止波長）到100 MHz（10mm截止波長）不等[64]，因此促進了對無偏壓工作探測器時間常數(shù)改進的研究[79]。

零偏壓時，除N+-π和π-P+異質結界面附近存在較強電場外，吸收層π的大部分處于無電場狀態(tài)，能帶沒有產生彎曲，為準中性區(qū)域。因此，探測器的時間常數(shù)主要受載流子從產生位置處向空間電荷區(qū)的擴散時間[74]和RC時間常數(shù)的限制[70]。在零偏壓的平衡條件下，輕摻雜HgCdTe材料（A＝3×1016cm－3）具有低的雙極性遷移率和擴散系數(shù)，導致載流子輸運緩慢。同時，受Auger過程的影響，載流子的復合時間相當短，從而很大一部分載流子會在到達接觸層之前復合。因此，零偏置器件也受到低響應率的影響[70]。通常，工作于零偏壓探測器的性能可以通過適當?shù)钠骷Y構設計、吸收層摻雜到A≈3i水平、使用最佳吸收層厚度以及降低寄生電容和電阻來提高[70]。

和反向偏置時相比，無偏壓工作時探測器的探測率*要低幾個數(shù)量級，但此時探測器處于熱平衡狀態(tài)，探測率*受熱Johnson-Nyquist噪聲的限制[80]，可忽略1/噪聲的影響，從而在包括低頻響應在內的較寬工作頻率范圍內可獲得良好的性能。且通過實施光學浸沒，可進一步提升探測器的響應率[80-81]。光學浸沒結構及封裝形式[52]見圖4(e)和4(f)所示。在超快響應頻率需求的應用領域，探測器則需采用反向偏壓時的非平衡工作模式，以獲得約數(shù)十至數(shù)百ps的時間常數(shù)。表2列舉了HgCdTe多層異質結快速響應器件的主要性能指標。

表2 HgCdTe多層異質結快速響應單元紅外探測器性能對比

2.3 非平衡工作焦平面器件的發(fā)展

使用寬帶隙P接觸層是一種消除p型區(qū)域有害熱激發(fā)的直接方法。真正實現(xiàn)這類器件需要成熟的多層外延生長技術，這樣才能生長具有復雜帶隙和摻雜剖面的高質量異質結構。

由于LPE不適合生長多層摻雜的異質結構，且需采用晶格匹配的CdZnTe襯底，其價格昂貴，因而在MBE摻雜問題得到解決以前，英國Selex公司選擇金屬有機氣相外延（metal-organic vapour phase epitaxy，MOVPE）技術來生長HgCdTe多層異質結構，且MOVPE可以在多種不同的襯底上生長HgCdTe[82-83]。為了使臺面結構像元頂端的接觸層保持良好的歐姆接觸，該公司采用n-on-p結構[17,82]，見圖5(a)～(b)所示。焦平面陣列結構[17]如圖5(c)所示。

2003年，英國Hipwood等[84]采用MOVPE在GaAs襯底上生長P+-P-p-N-N+多層HgCdTe異質外延層，利用臺面刻蝕技術制作可變臺面尺寸的像元結構，采用CdTe進行鈍化，與CMOS讀出電路采用In柱倒裝互連，從而形成320×256（30mm）尺寸規(guī)格的焦平面陣列，其截止波長為4.0mm。對于#2.0的視場和20℃的黑體背景，器件實現(xiàn)接近背景限性能（background limit infrared performance，BLIP）的溫度可達180K，噪聲等效溫差（noise equivalent temperature difference，NETD）中值優(yōu)于12 mK。隨著溫度的升高，器件仍能正常工作，但噪聲像素數(shù)目呈指數(shù)增長，且中值NETD比散粒噪聲預測的下降更快。這種行為與在較高溫度下增加的低頻1/噪聲相一致[85]，見圖5(d)所示。

2006年，Gordon等[86]進一步的分析結果表明，當探測器與周圍環(huán)境處于熱平衡時，對其施加零偏壓后，器件中不存在低頻噪聲。因此，使探測器工作于零偏壓時，器件可以在更高的溫度下獲得更好的性能。對P+-p-N+器件性能的理論分析表明，在零偏壓下工作時，僅考慮Johnson噪聲和背景噪聲，而忽略1/噪聲，器件實現(xiàn)BLIP的溫度可達200K，且在200～240K的溫度范圍內，仍然可以預測有用的性能。然而，對320×256（30mm）焦平面陣列施加一致的零偏壓后，210K時器件的中值NETD的測量值為50 mK，高于理論預測的21mK。分析認為[87]，在焦平面陣列中，不同像元的最優(yōu)偏置電壓在0V附近存在差異。對每個像元施加最優(yōu)偏置后，可進一步提升器件的性能。然而，這使器件的結構更加復雜。同時，施加零偏置時，器件處于熱平衡工作狀態(tài)，p-n結中多子的擴散過程和少子的漂移過程處于平衡狀態(tài)，p-n結不具有對少子的抽取作用，因而無法抑制高溫下由Auger過程產生的擴散電流。

隨后，基于P+-p-N+器件結構，Selex發(fā)展了MWIR和LWIR探測器[88-89]。2011年，對標準產品（5.5mm，F(xiàn)/4）的測量表明[85]，工作溫度升至150～160K時，中值NETD仍然保持不變，繼續(xù)升至185 K時，中值NETD翻倍，圖5(e)所示為210K時的成像效果圖。考慮到截止波長的拓展，和前述測試結果相比，MOVPE器件制備技術得到了提升。然而，限制器件在更高溫度下工作的因素仍然為過量的散粒噪聲[90]。針對后續(xù)的產品，該公司主要集中于臺面像元結構、像元尺寸和MOVPE制備技術的優(yōu)化[91-92]。2015年，該公司推出了SuperHawk探測器（MW，1280×1024，8mm），當工作溫度高于150K時，其NETD仍然受過量噪聲的限制[92]，如圖5(f)所示為該產品實物圖[91]。

圖5 P/p(π)/N結構焦平面紅外探測器：(a)和(b)分別為P+-p-N+探測器的像元結構[17]和摻雜以及組分變化曲線[82]；(c)-(f)分別為P+-p-N+焦平面探測器的焦平面陣列結構[17]、NETD曲線[85]、210 K時的成像效果圖[85]和探測器組件產品圖[91]

文獻[93]研究表明，HgCdTe光電二極管中出現(xiàn)的1/噪聲與表面電荷隧穿進入和離開鈍化界面有關。2016年，文獻[63]報道美國了Teledyne Imaging Sensors（TIS）公司聚焦于全耗盡P--N結構焦平面器件的研發(fā)，以實現(xiàn)器件工作溫度的提高。和英國Selex公司采用P-p-N臺面結構不同，TIS公司采用P--N平面結構。其通過將耗盡區(qū)的邊界約束在寬帶隙的蓋層和接觸層，從而降低與耗盡區(qū)邊緣擴散和產生-復合電流調制相關的1/噪聲[63,94]，見圖6(a)～(c)所示。同時，寬帶隙的蓋層可作為鈍化層，從而簡化制備工藝，是類似于pBn器件結構的一種成本更低、重復性更強的工藝，且完全耗盡的P--N結構兼容小像元焦平面結構，滿足低串擾的要求[62]。

對于P--N結構的器件，當施加反向偏壓時，在理想的Auger抑制下，電子濃度與非本征摻雜濃度相等，Auger壽命Auger隨本征和非本征載流子濃度之比的平方而增加。器件在高溫條件工作時，由于本征載流子濃度i遠大于非本征摻雜濃度d，且隨著溫度的升高和非本征摻雜濃度的降低，i和d的差異增大，從而Auger抑制在低摻雜和高溫時更顯著。在Auger抑制時，隨著非本征摻雜濃度d的降低，Auger暗電流密度線性減小[63]，見圖6(d)所示。與殘余雜質和固有缺陷有關的SRH機制決定了輕摻雜n型和p型HgCdTe的載流子壽命[61-62]。因此，為獲得BLIP，器件的SRH暗電流GR需足夠低[63]。

式中：dep為耗盡區(qū)寬度；SRH為SRH過程少子壽命。當SRH壽命大于某一確定的最小SRH壽命時，全耗盡的P--N探測器將受到背景輻射光電流的影響。最小SRH壽命的計算條件為背景輻射光電流等于耗盡區(qū)產生-復合電流：GR＝BLIP。300K時，吸收層為5mm厚的全耗盡P--N探測器，對于SWIR、MWIR和LWIR，BLIP所需的最小SRH壽命分別為15ms、150ms和28ms[62]。TIS公司證實了所制備的高質量的耗盡層限制的P--N探測器，其SRH復合中心的載流子壽命在0.5～10 ms[94]，表明SRH電流不再成為探測器暗電流的限制因素。由此，探測器的性能受到外部背景輻射機制的限制。由于背景輻射限性能是基本的限制機制，因此Lee等[94]建議用“19定律（Law 19）”代替“07規(guī)則（Rule 07）”?！?7規(guī)則”是對摻雜濃度為1×1015cm－3的TIS公司高性能p-on-n器件暗電流的半經驗擬合，它反映了該摻雜濃度下對Auger抑制的效果。因此，在本征區(qū)域內，“07規(guī)則”的性能明顯優(yōu)于Auger限。

在實際工藝中，要想獲得足夠低的非本征摻雜水平存在較大的困難，當前可獲得的低摻雜水平主要為1014～1015cm－3[61,95-96]。TIS公司采用MBE技術可重復性地制備出1013cm－3量級低摻雜濃度的HgCdTe材料[62]。和采用外延薄膜制備技術實現(xiàn)重復獲得的低摻雜水平相比，實現(xiàn)非常低的載流子濃度的最簡單方法是對器件施加足夠高的反向偏壓來將吸收體完全耗盡[13]，如圖6(e)所示。吸收體完全耗盡后，可消除自由載流子和Auger復合。與傳統(tǒng)探測器相比，全耗盡探測器的優(yōu)點隨著波長和溫度的增加而增加。

器件結構中，蓋層和部分底面接觸層也被低摻雜，使得耗盡區(qū)終止于寬禁帶材料。底面接觸層摻雜N+作為n型導電公共歐姆接觸層。p-n結利用As注入來形成，結之間的間隙須足夠小，以確保反向偏壓工作條件時允許探測器的側向完全耗盡。該結構與TIS公司早期發(fā)展的常規(guī)DLPH非常相似，區(qū)別是吸收層的厚度減小和摻雜濃度降低以實現(xiàn)完全耗盡。

2018年，TIS公司已經在128×128、1280×480和640×512等焦平面規(guī)格上測試了全耗盡的P--N探測器，其中波器件工作溫度可達250 K，和“07規(guī)則”預測的暗電流相比，減小了10倍；長波器件工作溫度可達160K，暗電流減小了100倍，見圖6(f)所示[97]。美國TIS公司在非平衡工作P-ν-N焦平面器件研究領域的進展顯示了此類器件的巨大優(yōu)勢，這將極大地促進基于HgCdTe的高工作溫度探測技術的發(fā)展，為實現(xiàn)高性能HgCdTe紅外探測器的近室溫工作并獲得BLIP提供了解決方案。表3列舉了幾種HgCdTe多層異質結焦平面器件的主要性能指標。

圖6 P-ν-N結構焦平面紅外探測器：(a)和(b)分別為吸收層Auger抑制高于“07規(guī)則”和完全耗盡時的能帶結構圖[94]；(c) P-ν-N焦平面結構及其特征[63]；(d) ν吸收區(qū)的暗電流密度隨著多子（電子）濃度降低而降低并直達BLIP[63]；(e) ν吸收層摻雜水平對全耗盡時所需反向偏壓的影響[13]；(f)不同波長時全耗盡HgCdTe P-ν-N焦平面探測器工作溫度的提升[97]

表3 HgCdTe多層異質結焦平面紅外探測器性能對比

3 小結與展望

當前，HgCdTe是高性能主流紅外探測器的重要材料。HgCdTe多層異質結技術是未來主流紅外探測器發(fā)展的重要技術方向，在高工作溫度、雙/多色和雪崩探測等高性能紅外探測器中扮演著重要的角色。

勢壘阻擋型和非平衡工作HgCdTe紅外探測器的發(fā)展歷程見圖7所示。制約勢壘阻擋型HgCdTe紅外探測器發(fā)展的因素是異質結界面上的Dv。雖然已發(fā)展基于能帶調控的降低或消除Dv的方法，但是技術復雜，且不成熟。和勢壘阻擋型器件結構相比，對于本征或高溫工作的探測器，載流子的非平衡耗盡更顯著，從而極大地抑制擴散電流分量，預期可使探測器工作于更高的溫度。同時，非平衡工作器件結構無需對異質結界面上的Δc和Δv進行折中，從而降低了設計和制備的難度。然而，當前基于多層異質結構的HgCdTe紅外探測器的發(fā)展仍然受到諸多限制，為實現(xiàn)器件的實用化，需解決的問題包括：①提升HgCdTe外延材料制備技術，實現(xiàn)可控的非本征低濃度（＜1014cm－3）摻雜水平，采用MBE技術精確調控多層復雜異質結構；②構建新的焦平面器件結構，降低寄生暗電流和噪聲，改善器件性能；③研究新的多層復雜異質結構，實現(xiàn)暗電流的抑制，持續(xù)提升器件的高溫工作性能。

圖7 勢壘阻擋型和非平衡工作HgCdTe紅外探測器的進展

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Research Progress on Infrared Detection Materials and Devices of HgCdTe Multilayer Heterojunction

CHEN Zhengchao1,2，TANG Libin2,3，HAO Qun1，WANG Shanli2，ZHUANG Jisheng2，KONG Jincheng2，ZUO Wenbin2,3，JI Rongbin2

(1.,,100081,;2.,650223,;3,650223,)

The HgCdTe multilayer heterojunction technology is an important direction for the development of mainstream infrared detectors in the future, playing an important role in high-performance infrared detectors, such as high operating temperature (HOT) detectors, dual/multicolor detectors, and avalanche photodiodes (APDs). Recently, HgCdTe HOT infrared detectors based on multilayer heterojunction technology have been developed, particularly devices based on the barrier and non-equilibrium operating P+-π(ν)-N+ structure have been widely studied. In this review, the dark current suppression mechanisms of P+-π(ν)-N+ structure HgCdTe infrared detectors with barrier and non-equilibrium operations were systematically introduced, the key problems that restrict the development of these two types of devices were analyzed, and the relevant research progress was reviewed. We summarized and assessed the prospects of the development of multilayer heterojunction HgCdTe infrared detectors.

HgCdTe, multilayer heterojunction, barrier, non-equilibrium operating, focal plane arrays device

TN304.054

A

1001-8891(2022)09-0889-15

2022-06-14；

2022-08-30.

陳正超（1987-），男，博士研究生，研究方向為光電探測材料與器件。

唐利斌（1978-），男，正高級工程師，博士生導師，主要從事光電材料與器件的研究。E-mail: scitang@163.com。

郝 群（1968-），女，教授，博士生導師，主要從事光學精密測試與計量。E-mail: qhao@bit.edu.cn。

國家重點研發(fā)計劃（2019YFB2203404）；云南省創(chuàng)新團隊項目（2018HC020）。