昆明物理研究所在长波p-on-n碲镉汞红外焦平面器件方面的研究进展

MEMS 2022-12-05 00:00

碲镉汞材料为窄禁带半导体,随着工作温度的升高,材料本征载流子浓度会增加,探测器截止波长会变短,暗电流增加等,会导致器件性能降低。碲镉汞红外探测器通常在77K温度附近工作并获得很好的探测性能,但低温工作会增加探测器的制备成本、功耗、体积和重量等。为了解决这些问题,在保证探测器正常工作性能的前提下,提升探测器的工作温度是碲镉汞红外探测器的重要研究方向。p-on-n结构的碲镉汞红外焦平面器件具有低暗电流、长少子寿命等特点,有利于在高工作温度条件下获得较好的器件性能。

据麦姆斯咨询报道,近期,昆明物理研究所和中国人民解放军63963部队的研究人员在《红外与毫米波学报》期刊上发表了题为“长波p-on-n碲镉汞红外焦平面器件高温工作性能”的论文,在不同工作温度下对p-on-n长波焦平面探测器的性能进行测试分析,在110K时p-on-n长波碲镉汞红外焦平面探测器噪声等效温差(Noise Equivalent Temperature Difference,NETD)为25.3mK,有效像元率为99.48%,在高温条件下具备较优的工作性能。

器件制备

针对p-on-n长波碲镉汞红外焦平面探测器展开研究,器件采用原位掺In的LPE 技术在CdZnTe衬底上生长N型碲镉汞薄膜,通过As离子注入及退火激活实现P掺杂,进而制备得到像元间距25μm,640×512阵列的p-on-n长波焦平面探测器,探测器结构示意图如图1所示,77K工作温度下截止波长为10.2μm。

图1 p-on-n探测器结构示意图

性能测试

为了研究分析不同工作温度下焦平面探测器性能变化,在两个不同的目标黑体辐射(T1=293K,T2=308K)下,对探测器性能进行测试,并通过计算得到电压响应信号、噪声信号、NETD等性能参数,由测试结果分析工作温度变化对探测器性能的影响及其原因。

响应电压及噪声信号

通过对长波焦平面探测器的性能测试,计算得到了不同工作温度下探测器的响应电压(Vs)及噪声信号(Vn),测试结果如图2所示,为在70∼110K不同工作温度下响应电压及噪声信号随工作温度(T)的变化。由图2可知,随着工作温度的升高,长波焦平面探测器的响应电压逐渐降低;另外噪声信号则随工作温度的升高而增大。

图2 响应电压及噪声信号随工作温度的变化

图3所给出的是量子效率为1时响应电压与工作温度的关系。由图3所示,在理想情况下探测器响应电压随工作温度的升高而降低,而实验结果也与之相对应,工作温度的升高会导致探测器截止波长变短,从而引起探测器接收到的目标辐射减少,进而导致探测器响应电压降低。

图3 响应电压随工作温度的变化关系

NETD和有效像元率

实验中通过测试并计算得到了不同工作温度下长波焦平面探测器的NETD,并绘出了NETD随工作温度变化的趋势图,如图4所示。由图4知,随着探测器工作温度的提高,暗电流及1/f噪声的增加,NETD也随之变大,尤其在80K以后,NETD随工作温度的升高增加更明显,NETD与工作温度的变化关系与理论公式相符。从NETD来看,所制备的p-on-n长波碲镉汞焦平面探测器在高温工作条件下具有较高的温度灵敏度,进一步验证了该结构应用于高温器件的可能性与优势。

图4 NETD和有效像元率随工作温度的变化

暗电流及量子效率

为了研究高温工作条件下器件暗电流的变化,根据Rule07经验公式绘制了长波焦平面探测器(截止波长为10.2μm)暗电流随工作温度变化的趋势图,并将实验测试所得器件暗电流与之相比较,结果如图5所示。由图5可知,根据Rule07经验公式所得的长波探测器暗电流随工作温度的提高而增大,尤其在工作温度高于100K时暗电流急剧增大,暗电流已经增大到纳安量级以上。

图5 焦平面探测器暗电流随工作温度的变化

另外在不同工作温度下测试计算得到探测器的量子效率随工作温度变化的结果,如图6所示,由测试结果可知,探测器的量子效率随工作温度的升高而相应降低,从70K到110K的工作温度变化中,量子效率下降了18.39%。量子效率的降低会导致探测器响应信号、探测率等减小,解决量子效率变低也是高温器件发展的关键问题之一。

图6 焦平面探测器量子效率随工作温度的变化

峰值探测率及信号响应图

实验中对碲镉汞光伏探测器的峰值探测率D*p进行了测试分析,在不同工作温度下的D*p测试结果如图7所示。由图7可知,随着探测器工作温度的升高,探测器的D*p逐渐降低,从70K到110K的工作温度变化中,D*p由2.25E+14 cm·Hz1/2/W降低到1.39E+14 cm·Hz1/2/W,降低了38.2%。

图7 焦平面探测器D*p随工作温度的变化

测试了在不同工作温度下长波p-on-n焦平面探测器的电压响应信号,信号响应分布图如图8所示,图中右下角的两个扎堆盲元簇为材料缺陷,另外器件对角线位置存在工艺过程中器件表面受到的部分污染。从测试结果可以直观看出,77K下焦平面探测器盲元少,响应均匀,当工作温度提升到110K时,器件盲元有所增加,且响应信号减小,这与量子效率、探测率的下降有关。

图8 不同工作温度下p-on-n LWIR焦平面信号响应图(左77K,右110K)

结论

低温工作条件下,碲镉汞红外探测器能够获得极佳的探测性能,但在一定程度上会提高探测器成本,增加器件功耗等,而工作温度提高引起的暗电流增加会导致器件性能的相对降低。制备了As注入的长波p-on-n碲镉汞红外焦平面探测器,并通过测试分析在不同工作温度下探测器的相关参数性能。通过研究分析,在110K工作温度下,p-on-n结构的长波碲镉汞焦平面探测器的NETD、D*p、有效像元率以及暗电流等参数依旧可以维持在较好的水平,能够满足应用需求。p-on-n结构的长波探测器可以实现在高温条件下稳定工作,继续提升器件工作温度需要进一步的工艺研究和技术提升,对提高探测器工作温度、降低器件成本及功耗、探测器的空间应用等具有重要意义。

延伸阅读:
《光谱成像市场和趋势-2022版》

《新兴图像传感器技术、应用及市场-2021版》

MEMS 中国首家MEMS咨询服务平台——麦姆斯咨询(MEMS Consulting)
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