碲鎘汞（HgCdTe，MCT）紅外焦平面器件結構包括本征汞空位摻雜n-on-p、非本征摻雜n-on-p、n-on-p臺面結器件、n?/p高密度垂直集成光電器件（HDVIP）、As離子注入p-on-n平面結、原位As摻雜p-on-n臺面結、非平衡全耗盡p-π(ν)-n以及nBn 器件等。典型的MCT紅外焦平面器件結構可以概括為n-on-p和p-on-n兩種類型，如圖1所示。n-on-p器件結構的低暗電流性能優勢需要低濃度P型吸收層作為支撐，低濃度P型材料的穩定可控制備一直是MCT材料研究中不變的主題。隨著紅外探測器向長波/甚長波、高工作溫度等方向發展，對器件暗電流提出了更高的要求，p-on-n型器件由于其在工程實現上的性能優勢已成為重要的技術路線。

據麥姆斯咨詢報道，昆明物理研究所科研團隊分析了p-on-n器件幾種制備方式的優劣，報道了基于VLPE技術的p-on-n雙層異質結器件（DLHJ）在材料生長、器件工藝和器件性能方面的研究進展。重點分析了p-on-n DLHJ器件的國內外差距以及制約該技術發展的關鍵問題和技術難點，并提出了解決思路，最后對基于VLPE技術的p-on-n DLHJ器件的發展進行了展望。相關研究內容以“基于VLPE技術的碲鎘汞p-on-n雙層異質結材料與器件研究進展”為題發表在《紅外技術》期刊上。

p-on-n器件制備方式對比分析

影響p-on-n型器件性能的因素主要有：①N型吸收層的材料質量；②P型cap層的組分，以及同N型吸收層之間的界面狀態。N型吸收層材料質量直接決定了輻射吸收和器件性能；寬帶隙cap層形成的組分梯度有利于抑制熱激發，降低耗盡區漏電流，同時近表面低阻區形成理想的金屬接觸。p-on-n器件的幾種制備方式如圖2所示。

圖2(a)所示為基于As離子注入的p-on-n平面結器件，圖2(b)所示為基于MBE技術的p-on-n臺面結器件，圖2(c)所示為基于MOVPE技術的p-on-n臺面結器件，圖2(d)所示為基于VLPE技術的p-on-n雙層異質臺面結器件。

基于VLPE技術，N型MCT吸收層可采用LPE或VLPE原位摻In生長，P型cap層采用VLPE原位摻As生長，經臺面刻蝕、表面/側壁鈍化、電極開孔、金屬電極沉積和倒裝互連等工藝完成紅外焦平面器件制備。相比基于As離子注入的p-on-n平面結器件，一方面避免了離子注入引入的損傷，理論上可減少界面缺陷密度，從而抑制產生復合電流以及缺陷輔助隧穿電流；表面高組分層有利于進一步抑制表面漏電流、耗盡區產生的復合電流和隧穿電流；同時，極大地簡化了器件制備的工藝流程，規避了離子注入、激活退火、損傷修復等過程。與基于MBE和MOVPE技術制備的p-on-n異質結器件相比，在獲得更高的As激活率的同時減少了高溫激活退火過程，有利于獲得晶體質量更優越的材料。綜合以上分析，基于原位As摻雜與激活的VLPE技術制備p-on-n臺面結器件有望在更簡單的器件制備工藝下實現更低暗電流，為高性能HOT、長波以及甚長波MCT紅外焦平面器件的研制提供技術方向。

基于VLPE技術的p-on-n DLHJ技術研究進展

材料生長

材料的厚度和組分均勻性、晶體質量、組分梯度的構建以及摻雜濃度的有效控制是實現高性能p-on-n DLHJ器件的基礎，從前文分析可知，VLPE技術具有高晶體質量以及原位As摻雜與激活等優勢，是制備p-on-n DLHJ器件重要技術。圖3為Raytheon公司DLHJ器件結構和摻雜元素分布以及材料均勻性。

表面缺陷也是影響MCT紅外焦平面器件性能的重要因素。Raytheon通過優化Cd飽和度實現了較好的表面缺陷抑制。圖4為Cd飽和度對VLPE MCT材料表面缺陷的影響。

組分梯度的構建是p-on-n DLHJ器件實現漏電流抑制的關鍵。BAE在文獻中多次報道了組分梯度與價帶勢壘和器件量子效率的關系。研究表明，組分梯度調控是消除價帶勢壘進而提高量子效率的關鍵。圖5為BAE公司p-on-n DLHJ器件結構示意圖和摻雜濃度分布。

p-on-n雙層異質結材料的界面缺陷對器件缺陷輔助隧穿電流、產生復合電流、響應均勻性等關鍵性能有重要影響。BAE建立了器件漏電流與生長過程中引入的C顆粒之間的關系。圖6為對p-on-n雙層異質結材料pn結界面處C顆粒對器件性能影響，C顆粒位置與輸出電壓異常點具有較好的對應關系。

器件工藝

臺面刻蝕和表面/側壁鈍化是p-on-n臺面結器件的關鍵制備工藝。臺面刻蝕實現像元隔離形成焦平面陣列，制備工藝包括干法刻蝕、濕法腐蝕、干法刻蝕與濕法腐蝕相結合等方法，各研究機構在長期的工藝探索中形成了獨具特色的工藝路線，但都在圍繞高深寬比、低損傷等目標展開。表面/側壁鈍化則實現表面漏電的抑制，制備工藝包括熱壁外延（HWE）、MBE、磁控濺射（MS）、熱蒸發（TE）等。

Raytheon采用濕法腐蝕和等離子體耦合（ICP）干法刻蝕相結合制備臺面，圖7為美國陸軍實驗室和Raytheon公司制備的臺面隔離結構。BAE則采用無損傷濕法腐蝕制備臺面結構，MBE技術沉積CdTe鈍化層，圖8為BAE公司采用無損傷濕法腐蝕制備的臺面結構和MBE技術制備的CdTe鈍化層側壁SEM形貌圖。

器件性能

材料生長和器件制備工藝是實現p-on-n DLHJ器件的基礎，器件性能則是檢驗材料生長和器件工藝的最終標準。品質因子R?A和量子效率（QE）是衡量器件性能的兩個關鍵性指標。R?A為器件零偏電阻R?和結面積A的乘積，消除了結面積A的影響，能夠很好地表征紅外探測器的品質。QE為某一特定波長下單位時間內產生的平均光電子數與入射光子數之比，是描述光電轉換能力的一個重要參數。

Raytheon基于VLPE技術制備的p-on-n DLHJ器件，圖9為Raytheon公司基于VLPE技術制備的p-on-n DLHJ器件性能及應用組件。BAE基于LPE和VLPE制備的p-on-n DLHJ器件，圖10為BAE基于LPE和VLPE技術發展的DLHJ器件性能及其所應用的組件。

相比國外，國內VLPE技術起步較晚，發展緩慢。華北光電技術研究所（NCRIEO）在2018年報道了基于VLPE技術的p-on-n長波雙層異質結材料生長與器件制備，實現了器件研制，但尚未產品化，主要存在臺面器件工藝不成熟、臺面刻蝕與表面鈍化引起的漏電較大等問題。昆明物理研究所開展了VLPE單層MCT材料表面缺陷抑制、均勻性提升及原位As摻雜等研究，實現了p-on-n雙層異質材料的制備，但尚未實現產品的工程化研制。

通過研究國內外現狀及發展趨勢可以發現，國外已實現p-on-n DLHJ器件的產品化，國內尚處于研制階段，初步實現了p-on-n DLHJ材料的生長與器件研制，對于Cd組分梯度的調控、摻雜元素擴散還鮮有研究，臺面刻蝕、表面鈍化等關鍵工藝尚未成熟。

基于VLPE技術的p-on-n DLHJ器件性能優勢與技術難點

圖11為MCT紅外焦平面器件幾種器件結構的性能對比。從圖中可以看出，國外技術路線包括主要為以美國Raytheon為代表的基于VLPE技術p-on-n DLHJ器件和以法國DEFIR為代表的本征汞空位摻雜和非本征摻雜n-on-p器件，國內則主要發展了基于LPE技術的本征汞空位摻雜和非本征Au摻雜n-on-p器件以及As離子注入p-on-n器件。

綜合以上分析，基于VLPE技術的p-on-n DLHJ器件在對暗電流要求較高的長波、甚長波紅外探測器方面具有一定的性能優勢，是高性能紅外探測器的重要發展方向。但目前國內尚未實現產品化，限制器件性能的關鍵問題和技術難點主要有以下幾方面：

1）cap層組分梯度構建。cap層組分梯度的構建是p-on-n DLHJ器件實現表面漏電抑制的關鍵，如前文所述（圖4），需要實現兩個區域的組分梯度構建：近界面組分突變陡增區和近表面組分遞減區。

2）界面控制。p-on-n雙層異質結材料涉及Cd、In、As三種元素的擴散遷移控制，Cd元素的擴散是構建cap層兩個組分梯度區的關鍵，As元素和In元素的擴散則影響pn結的位置。

3）器件臺面刻蝕與表面鈍化。p-on-n DLHJ器件的臺面刻蝕與側壁鈍化是發揮其性能優勢的關鍵制備工藝，臺面刻蝕引入的損傷、鈍化膜質量的好壞都會影響器件的最終性能。

綜上，在傳統n-on-p標準工藝基礎上，針對材料生長與器件制備的關鍵工藝進行研究，探究成熟穩定的p-on-n制備工藝，提高其可靠性、重復性及技術成熟度，是實現高性能p-on-n DLHJ器件產品化的重要一環。

結論與展望

MCT是新一代高性能紅外探測器的首選材料，暗電流降低是紅外焦平面器件性能提升的重要方向。p-on-n型器件是降低器件暗電流的重要發展方向，在p-on-n器件的幾種制備方式中，基于VLPE技術的p-on-n DLHJ器件采用原位生長成結，避免了離子注入損傷，實現了原位As摻雜與高激活率的同時，可獲得較高晶體質量，表面高組分層可有效降低近漏電流，是高性能紅外探測器的重要發展方向，有望成為長波/甚長波以及HOT器件的支撐技術。

然而，目前p-on-n DLHJ器件國內外發展仍存在一定差距，為實現器件的產品化研制與工程化應用，亟需解決的問題包括：1）突破VLPE生長技術，實現低缺陷密度、高均勻性原位As摻雜cap層材料的生長和組分梯度構建；2）研究p-on-n DLHJ器件界面控制技術，兼顧暗電流與量子效率兩個關鍵性能指標；3）研究低損傷、高深寬比臺面刻蝕技術，降低刻蝕損傷，減小表面漏電；4）提升鈍化層質量，減小側壁鈍化表面漏電；5）在傳統的成熟n-on-p器件制備工藝上探索一套適用于p-on-n雙層異質結臺面器件的工藝，充分發揮p-on-n雙層異質結臺面器件的工藝簡化和低暗電流優勢。

論文信息：

http://hwjs.nvir.cn/article/id/c1af70e9-c67d-42df-907f-303188fd7512

審核編輯：劉清