摘要：近十年碲鎘汞第二代紅外焦平面探測器應(yīng)用呈現(xiàn)爆發(fā)式增長，也是第三代焦平面技術(shù)快速發(fā)展的十年。文中對近十年來碲鎘汞紅外焦平面探測器技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行了簡單的回顧，并結(jié)合碲鎘汞紅外焦平面探測器的應(yīng)用，對在碲鎘汞紅外焦平面探測器技術(shù)方面的研究工作和工程應(yīng)用進(jìn)行了總結(jié)，最后，對未來碲鎘汞紅外焦平面探測器技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行了展望。

0引言

近年來，國際上碲鎘汞第二代焦平面探測器的日趨成熟，性能趨于理論限，得到廣泛應(yīng)用。基于小像素、雙色、甚長波、雪崩探測（APD）和高溫工作等技術(shù)的三代焦平面探測器取得了實(shí)質(zhì)性的突破，2015年后，在第三代焦平面探測器技術(shù)的基礎(chǔ)上，技術(shù)發(fā)展的方向又轉(zhuǎn)向了稱之為Swap3（小尺寸、低重量、高性能、低功耗和低成本集為一體）的先進(jìn)紅外焦平面探測器技術(shù)。在國內(nèi)，近十年是第二代碲鎘汞紅外焦平面應(yīng)用技術(shù)發(fā)展最為迅速的十年，基于CdZnTe基的長波碲鎘汞材料和Si或GaAs基異質(zhì)襯底碲鎘汞中/短波材料的技術(shù)達(dá)到了實(shí)用化應(yīng)用的水平，幾千元的長線列和中大規(guī)模面陣探測器實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用。近十年也是三代紅外焦平面技術(shù)快速發(fā)展的十年，小像素、甚長波、多譜段、數(shù)字化和APD紅外焦平面探測器技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)取得了突破，為今后碲鎘汞紅外器件技術(shù)的發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)。文中將就碲鎘汞紅外焦平面探測器技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀做一扼要的介紹，并以第二代焦平面技術(shù)在航天領(lǐng)域中的應(yīng)用來反映該技術(shù)在國內(nèi)的進(jìn)展，并對紅外焦平面探測器技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展給出了展望。

1碲鎘汞焦平面近十年的發(fā)展

近十年，碲鎘汞紅外焦平面技術(shù)發(fā)展主要圍繞超大規(guī)模、甚長波、雙色、APD和高工作溫度（HOT）探測等技術(shù)來展開的，其中，產(chǎn)品級中/短波紅外焦平面器件規(guī)模做到了2048 × 2048，最大規(guī)模為4096 × 4096；長波紅外焦平面器件規(guī)模為1280 × 1024；長波640 × 512紅外焦平面的截止波長超過了11 μm@80 K；中/長波雙色碲鎘汞紅外焦平面的規(guī)模達(dá)到1280 × 768；APD焦平面器件則實(shí)現(xiàn)了單光子探測和雪崩探測模式成像；HOT紅外焦平面探測器的工作溫度提高了30 ~ 50 以Sofradir中波紅外焦平面探測器的產(chǎn)品為例，探測器的工作溫度從90 K提高到130 K（室溫背景和f數(shù)為2的條件下），實(shí)驗(yàn)室演示的水平更是達(dá)到175 K，2020年的研究目標(biāo)已定在了200K。

上述技術(shù)進(jìn)步的取得主要得益于紅外探測器陣列芯片小像素加工技術(shù)的突破和探測器陣列漏電流的大幅度降低。為了實(shí)現(xiàn)超大規(guī)模的焦平面探測器，產(chǎn)品級的探測器像元中心尺寸已從以前的30 μm降低到了10 μm，漏電流密度并未受到表面漏電的影響而增加，新的研究成果是中心距5 μm紅外焦平面已實(shí)現(xiàn)演示成像，其漏電流甚至低于傳統(tǒng)探測器漏電流所遵循的“07定律”。探測器漏電流的降低一是得益于p+-on-n芯片技術(shù)的日趨成熟，二是得益于材料工藝和芯片加工工藝的不斷完善，法國Sofradir和德國AIM的長波面陣、甚長波和高溫的紅外焦平面器件都已采用了基于As＋離子注入的p+-on-n技術(shù)，通過完善材料質(zhì)量和芯片工藝，有效地解決了焦平面器件高溫下噪聲盲元增殖的問題。

2第二代碲鎘汞紅外焦平面研究與應(yīng)用

在紅外探測器技術(shù)發(fā)展中，碲鎘汞材料在紅外探測器技術(shù)領(lǐng)域一直處于主流地位，碲鎘汞材料制備的探測器能夠覆蓋了整個(gè)紅外波段，從短波到甚長波（1 ~ 16 μm），各個(gè)波段的探測器都體展現(xiàn)出了很高的性能。空間應(yīng)用是紅外探測發(fā)展碲鎘汞紅外探測器技術(shù)的主要推動力之一，中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所（SITP）長期致力于空間用碲鎘汞材料與紅外焦平面成像器件的研究，針對空間遙感的需求發(fā)展了各大氣窗的成像焦平面探測器，產(chǎn)品主要分為用于推掃成像的線列焦平面和凝視成像的面陣焦平面兩大類型。

2.1碲鎘汞外延材料

根據(jù)工程應(yīng)用的不同需求，SITP重點(diǎn)發(fā)展了基于碲鋅鎘襯底的碲鎘汞液相外延（LPE）和異質(zhì)襯底的大面積碲鎘汞分子束外延（MBE）的材料制備技術(shù)，其中，位錯(cuò)密度較低的碲鎘汞LPE材料主要用于長波紅外焦平面探測器的研制，而大尺寸的碲鎘汞MBE材料則用于滿足大規(guī)模的中/短波碲鎘汞紅外焦平面的應(yīng)用和雙色紅外焦平面探測器研制的需求。

為了獲得低缺陷密度的碲鎘汞LPE材料，SITP研發(fā)了碲鋅鎘襯底材料技術(shù)，Ф90 mm的晶錠已成為目前的主流技術(shù)，最大晶錠尺寸為Ф120 mm，襯底最大尺寸已達(dá)到80 mm × 80 mm（見圖 1(a)）。通過對移動爐體法的Bridgman生長技術(shù)的反復(fù)優(yōu)化，并結(jié)合新開發(fā)的碲鋅鎘材料熱處理技術(shù)，掌握了位錯(cuò)密度低于5 × 104cm-2、沉淀物尺寸小于1μm的襯底材料制備技術(shù)。為了滿足更大尺寸襯底材料的應(yīng)用需求，開發(fā)了基于移動溫場的VGF技術(shù)，已獲得可切襯底片的碲鋅鎘晶錠材料。

為了滿足工程應(yīng)用對材料批量化制備能力提出的需求，研發(fā)了垂直富碲液相外延技術(shù)，材料的尺寸從30 mm × 20 mm擴(kuò)大到了目前的40 mm × 40 mm和50 mm × 50 mm（見 圖 1(b)），單爐日產(chǎn)外延片從1片提高到了4片，材料各項(xiàng)參數(shù)達(dá)到了國際上公認(rèn)的性能水平。為了滿足截止波長12.5 μm探測器對材料電學(xué)特 性的要求，SITP開發(fā)了Au摻雜LPE材料的制備技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了Au摻雜濃度分布的定量可控。

圖1 碲鋅鎘襯底和碲鎘汞外延材料

碲鎘汞分子束外延基于GaAs基和Si基襯底，通過改進(jìn)ZnTe/CdTe緩沖層的生長技術(shù)，GaAs基和Si基中波/短波碲鎘汞外延材料已經(jīng)達(dá)到了與CdZnTe基碲鎘汞外延材料相當(dāng)?shù)男阅芩健Ｔ谶M(jìn)一步解決組分精確控制技術(shù)、材料大面積均勻性技術(shù)和批生產(chǎn)相關(guān)技術(shù)的基礎(chǔ)上，并利用Si襯底與焦平面讀出電路之間能夠?qū)崿F(xiàn)良好熱匹配特性，成功地將Si基碲鎘汞外延材料應(yīng)用于大規(guī)模紅外焦平面探測器的研制。結(jié)合芯片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和加工工藝，在不去除襯底的條件下，成功地規(guī)避了GaAs或CdZnTe基材料與讀出電路之間熱失配所引發(fā)的應(yīng)力導(dǎo)致探測器失效的問題。與此同時(shí)，MBE碲鎘汞材料生長的主流技術(shù)從3 in（1 in=2.54 cm）成功地切換到4 in（見圖 1(c)），通過優(yōu)化外延工藝，MBE外延材料表面缺陷密度的平均值從1 000 cm-2降低到了200 cm-2以下（見圖2），一次裝高純汞源可連續(xù)生長材料的片數(shù)提高了一倍左右，達(dá)到了工程應(yīng)用對碲鎘汞MBE材料制備技術(shù)提出的各項(xiàng)指標(biāo)要求。

圖2 碲鎘汞外延材料宏觀缺陷密度平均水平

2.2線列碲鎘汞探測器

經(jīng)過十多年發(fā)展，第二代線列碲鎘汞探測器技術(shù)日趨成熟，主要集中在控制n+-on-p型二極管結(jié)構(gòu)和工藝。掃描型焦平面器件的規(guī)模從1 000元發(fā)展到8 000元，以及超過萬元，拼接基本模塊由原來的256元發(fā)展到512元和1024元，以及512 × 8TDI焦平面，探測波段涵蓋了短波1 ~ 3 μm、中波3 ~ 5μm、長波8 ~ 10 μm及長波11 ~ 12.5 μm。焦平面像元中心距從46 μm發(fā)展到28 μm以及14 μm，探測器的溫度分辨率NEDT目前達(dá)到小于10 mK。線列碲鎘汞紅外焦平面器件已在空間掃描型紅外遙感系統(tǒng)中得到成功應(yīng)用。圖3 為1500元長波紅外焦平面探測率統(tǒng)計(jì)直方圖和遙感成像圖片。

盡管不同應(yīng)用背景對探測器陣列提出不同波段要求，由于碲鎘汞材料具有截止波長大范圍可調(diào)的優(yōu)勢，能符合各種紅外應(yīng)用系統(tǒng)需求。在碲鎘汞材料、探測器陣列工藝、讀出電路、無盲元精密拼接等關(guān)鍵技術(shù)突破基礎(chǔ)上，探測率和噪聲等效溫差得到進(jìn)一步提升，碲鎘汞長波紅外焦平面探測率大于1 × 1011cm Hz1/2/W，噪聲等效溫差小于10 mK。

圖3 碲鎘汞1500元長波焦平面探測率和遙感熱成像

2.3面陣碲鎘汞探測器

近十年來，面陣碲鎘汞紅外焦平面器件發(fā)展所采用的主要技術(shù)路線為CdZnTe基、GaAs基和硅基HgCdTe焦平面技術(shù)，面陣規(guī)模從320 × 256的面陣發(fā)展到中大規(guī)模的640 × 512、1k × 512和1k × 1k焦平面器件，以及2k × 512和2k × 2k焦平面器件。與此同時(shí)，面陣焦平面像元尺寸從30、25、18 μm發(fā)展到15 μm。

隨紅外焦平面陣列規(guī)模不斷擴(kuò)大，傳統(tǒng)CdZnTe襯底尺寸限制，使Si基HgCeTe成為突破襯底尺寸的限制、發(fā)展大規(guī)格面陣焦平面的一條有效途徑，為此，在GaAs碲鎘汞分子束外延技術(shù)的基礎(chǔ)上，SITP重點(diǎn)發(fā)展了3 in/4 in硅襯底上分子束外延生長的碲鎘汞材料制備技術(shù)，在芯片工藝中采用芯片級應(yīng)力釋放結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，精確控制了pn結(jié)耗盡區(qū)位置，降低了芯片表面處理對pn結(jié)漏電的影響，還同時(shí)采用了硅基碲鎘汞材料組分緩變結(jié)構(gòu)、精確控制芯片腐蝕深度等措施，降低了耗盡區(qū)漏電，從而改善了pn結(jié)特性，獲得了25 ~ 30 μm中心距的640 × 512紅外焦平面器件和18 μm中心距1024 × 1024紅外焦平面器件，短波/中波紅外焦平面平均探測率分別大于1×1012 cm Hz1/2/W 、5×1011cmHz1/2/W，噪聲等效溫差小于15 mK，響應(yīng)非均勻性小于5%。圖4為640 × 512碲鎘汞中波紅外焦平面組件和成像。

圖4 640 × 512中波紅外焦平面組件和成像

硅基碲鎘汞短波/中波512 × 512、短波2k × 512凝視焦平面器件已在航天紅外系統(tǒng)中應(yīng)用。硅基碲鎘汞短波紅外焦平面器件暗電流密度小于10-10A/cm-2，2k × 512最高幀頻大于250 Hz，讀出電路噪聲小于195e，50000光子入射條件下探測器信噪比大于120，在空間遙感儀器的高光譜紅外相機(jī)中成功應(yīng)用。圖5為碲鎘汞短波紅外焦平面器件高光譜相機(jī)成像。

圖5 碲鎘汞短波紅外焦平面高光譜成像

基于分子束外延技術(shù)具有制備多層材料的優(yōu)勢，發(fā)展了碲鎘汞中波/長波雙色焦平面器件。在雙色材料能帶調(diào)制、同向pn結(jié)成結(jié)、深臺面成形和金屬化、信號同時(shí)讀出，同時(shí)積分的讀出電路的研究基礎(chǔ)上，研制出中波/長波碲鎘汞雙色焦平面器件。圖6為雙色器件的光譜響應(yīng)，圖7為手持前截止波長為6.5 μm濾光片阻擋電烙鐵中波輻射成像，但不影響電烙鐵長波輻射成像的實(shí)驗(yàn)照片。

圖6 中波/長波碲鎘汞雙色焦平面光譜響應(yīng)曲線

圖7 中波/長波碲鎘汞雙色焦平面器件成像

長波和甚長波紅外焦平面探測器在空間有著重要的應(yīng)用，為了滿足應(yīng)用的需求，重點(diǎn)發(fā)展了摻雜型的n+-on-p HgCd e焦平面芯片技術(shù)，在探測器芯片加工技術(shù)中采用了低損傷探測器陣列芯片工藝及襯底去除技術(shù)。獲得了截止波長為16 μm的32 × 32焦平面器件，在50K溫度下器件的平均峰值探測率為4.9×1010cm Hz1/2/W。圖8是參考文獻(xiàn)中報(bào)道的各種工藝技術(shù)路線研制的HgCd e紅外探測器的R0A所達(dá)到的水平，以及SITP甚長波探測器的性能（圖中五角星），結(jié)果表明：器件性能已經(jīng)達(dá)到了同類工藝技術(shù)的較好水平。

圖8 不同工藝的HgCdTe探測器的R0A水平

3碲鎘汞紅外焦平面的發(fā)展展望

碲鎘汞紅外探測器經(jīng)過六十多年的發(fā)展，從第一代發(fā)展到第三代，從2015年開始，碲鎘汞紅外焦平面技術(shù)進(jìn)入了先進(jìn)紅外焦平面探測器技術(shù)的發(fā)展時(shí)代，該技術(shù)具有三個(gè)主要的特征。

3.1性能和功能的集成

國際上紅外焦平面探測器的功能和性能集成通常用Swap3來描述，目標(biāo)是制造出同時(shí)具有高靈敏度、高空間分辨率、高光譜分辨率且適用范圍更廣的紅外焦平面探測器，通過提高探測器的工作溫度，實(shí)現(xiàn)探測器組件的小型化、低功耗和低成本，以滿足紅外焦平面探測器在新技術(shù)（信息化和智能化）領(lǐng)域和新興產(chǎn)業(yè)中的發(fā)展需求和應(yīng)用范圍。圖9是一款A(yù)IM公司基于Swap3理念研發(fā)的高工作溫度（140 ~ 160 K）超緊湊1024 × 768中波紅外焦平面成像原型樣機(jī)，其外形尺寸做到了60 mm × 60 mm × 50 mm。

圖9 AIM公司超緊湊中波紅外焦平面成像原型樣機(jī)

3.2技術(shù)集成

為了實(shí)現(xiàn)Swap3紅外焦平面探測器，必須將第三代焦平面探測器研究的技術(shù)集成在一起。為制備超大規(guī)模的紅外焦平面并維持產(chǎn)品的可靠性和低功耗，必須采用超小像素技術(shù)，小像素帶來的MTF降低的問題需要通過減小吸收層厚度或增加反向偏置來解決，吸收層厚度減小所導(dǎo)致的光吸收效率（直接影響器件量子效率）降低的問題需通過減小材料禁帶寬度，或利用雪崩效應(yīng)產(chǎn)生的增益來彌補(bǔ)，降低禁帶寬度和增加反向偏置所導(dǎo)致的漏電流增加需依靠第三代紅外焦平面技術(shù)中甚長波和高溫紅外焦平面器件所研發(fā)的低漏電流技術(shù)（取決于材料與器件的備工藝）制來解決，即只有依靠所有先進(jìn)技術(shù)的集成，才能制備出先進(jìn)的Swap3紅外焦平面探測器。目前小像素的尺寸已從第三代技術(shù)的10 μm進(jìn)一步減小至5 μm，碲鎘汞中波HOT器件的工作溫度已從120 K進(jìn)一步提高到近200 K，近期的研究目標(biāo)已指向200 K以上，相關(guān)技術(shù)的難度也在不斷的增加，并給技術(shù)集成帶來了更大的挑戰(zhàn)。

3.3智能化處理功能的集成

為了提高探測器的靈敏度和目標(biāo)快速處理能力，讀出集成電路（ROIC）必須具有高靈敏度（18位）和數(shù)字化輸出，以及讀出電路具有片上信息處理的功能，以大幅度壓縮超大規(guī)模紅外焦平面探測器輸出的數(shù)據(jù)量，提高紅外圖像的輸出速率。隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，對片上數(shù)據(jù)處理的需求會越來越大，要求也會越來越高，智能化片上讀出電路勢必要向3D-IC技術(shù)發(fā)展。存在的有利因素是HOT技術(shù)的發(fā)展為智能化讀出電路增加一定的功耗提供了可行性。

在未來5 ~10年時(shí)間內(nèi)，先進(jìn)碲鎘汞紅外焦平面探測器將在空間科學(xué)研究、大氣物理研究和軍事應(yīng)用領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。在空間科學(xué)研究中，5 μm像元尺寸/數(shù)百萬像素的短波紅外焦平面探測器將應(yīng)用于天體物理的研究，高靈敏度的中、長波紅外焦平面探測器則將用于外星球的科學(xué)研究，而甚長波碲鎘汞紅外焦平面探測器將被用于大氣物理的研究。超大規(guī)模的碲鎘汞紅外焦平面探測器將在高分辨率對地觀測、遠(yuǎn)距離目標(biāo)識別、高光譜成像探測等領(lǐng)域應(yīng)用，而大批量的Swap3紅外焦平面探測器則將在戰(zhàn)術(shù)平臺（目標(biāo)告警、精確識別等）和民用遙感技術(shù)中應(yīng)用。

4結(jié)論

近十年來，碲鎘汞第二代紅外焦平面技術(shù)在空間科學(xué)、空間對地觀測和國防領(lǐng)域中獲得了廣泛應(yīng)用，基于第三代焦平面技術(shù)的超大規(guī)模（百萬像素以上）、雙色探測和甚長波（截止波長大于12.5 μm）紅外焦平面探測器實(shí)現(xiàn)了實(shí)用化，高工作溫度（HOT）和雪崩模式的探測器技術(shù)取得重大突破。

在應(yīng)用牽引下，碲鎘汞長線列焦平面和凝視焦平面材器在過去十年中也實(shí)現(xiàn)了快速發(fā)展。在GaAs基和Si基襯底上生長的碲鎘汞分子束外延材料和碲鋅鎘基的液相外延材料均實(shí)現(xiàn)了工程應(yīng)用，異質(zhì)襯底和碲鋅鎘襯底的外延材料尺寸分別做到了4 in和50 mm × 50 mm，碲鋅鎘襯底的最大尺寸已做到80 mm × 80 mm，基于雙層鈍化的n+-on-p平面結(jié)技術(shù)，研制出了面陣規(guī)模達(dá)百萬像數(shù)和線列規(guī)模達(dá)幾千及上萬元的短波、中波和長波紅外焦平面芯片，成功用于多個(gè)空間對地觀測系統(tǒng)和高光譜成像的應(yīng)用系統(tǒng)。在第三代碲鎘汞紅外焦平面探測器技術(shù)方面，突破了多層摻雜組分異質(zhì)結(jié)材料的分子束外延技術(shù)，實(shí)現(xiàn)中/長波雙色紅外焦平面探測器，通過有效地解決了Si基碲鎘汞外延材料因缺陷密度高而無法工程應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)，使Si基2000 × 512短波紅外焦平面探測器在高光譜相機(jī)中獲得了成功應(yīng)用。通過研發(fā)P型材料及其結(jié)成結(jié)工藝，將紅外焦平面探測器的響應(yīng)波段拓展到了12.5 μm。

目前，碲鎘汞紅外焦平面探測器技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)新的發(fā)展時(shí)期，它將第三代焦平面技術(shù)集成起來打造出一種高性能、低成本和超緊湊型的新型紅外焦平面探測器探測器（Swap3），并通過發(fā)展具備片上數(shù)字化和智能化處理功能的讀出集成電路技術(shù)，實(shí)現(xiàn)未來紅外探測技術(shù)發(fā)展所需的Swap3智能化先進(jìn)紅外焦平面探測器。