可见/近红外超光谱碲镉汞焦平面研究

张 姗，沈益铭，刘 丹，钟艳红，魏彦锋，廖清君，陈洪雷，林 春，2，丁瑞军，何 力

(1.中国科学院 上海技术物理研究所 红外成像材料与器件重点实验室，上海200083；2.上海科学技术大学 信息科学与技术学院，上海 201210)

引言

超光谱技术是多色或多波段成像技术的一种，通过将传感器的光谱分辨率持续细分，在获得空间信息的同时，还能获得包含随波长分布的光谱信息，由于在极窄谱段内提高了目标与背景的对比度，超光谱技术可以增强图像的可读性和目标的识别度[1-3]。可见/近红外(Vis/NIR)超光谱探测器是提供从可见光到近红外谱段(0.4 μm～2.4 μm)光谱信息的探测器，由于Vis/NIR超光谱探测器的工作温度较高，同时可满足可见和近红外波段的高灵敏探测成为超光谱探测的一个主要研究方向。在空间对地观测应用中，可以观测水循环、植被和矿物质，还可以分析地球大气中的CO2、N2成份，提高目标的精准分析[4-6]。

法国红外公司(Sofradir)和法国原子能委员会下属的信息技术和电子技术实验室——红外实验室(CEA/LETI-LIR)是最早研究Vis/NIR探测器的研究机构。研究发现，碲镉汞材料除了具有极高的量子效率、电子迁移率和适中的介电常数等优点外，最突出的特点是禁带宽度可调，通过调节材料组份，响应范围可以覆盖整个红外波段及可见光波段，非常适合制备Vis/NIR探测器。Sofradir和CEA/LETI-LIR在碲镉汞常规制备技术的基础上发展了可见光拓展的近红外碲镉汞探测器，通过采用一种独特的红外焦平面列阵背面减薄技术来去除衬底，最终实现可见和红外2个波段的同时探测，一个器件同时实现了2个探测器的功能，简化了系统的结构[7-9]。

在超光谱可见-近红外碲镉汞探测器的研制过程中需要解决的关键技术主要有：1)高信噪比大面阵碲镉汞探测器制备技术。探测器的规模决定了超光谱应用时图像维和光谱维的划分精度，因此探测器的面阵规模一般大于512×512，才可以实现Δλ/λ在0.001左右的超光谱应用。为了特殊的应用需求如天文观测，信号的强度很小，需要探测器具有很高的信噪比，主要通过提高探测器的量子效率来实现。2)衬底的无损去除技术。作为一种三元化合物材料，汞原子与碲原子的键和力很小，任何机械损伤都会造成材料缺陷，形成产生复合中心，降低载流子寿命，降低量子效率，因此无损衬底去除技术对于探测器的可见波段拓展至关重要。3)可见-近红外增透技术。针对不同的应用和光学系统，增透膜方案有分区和宽光谱覆盖两种。

本文针对Vis/NIR探测器研制过程中面临的几个问题，对上海技术物理研究所研制的超光谱Vis/NIR探测器的研究进展、制备工艺和探测器性能进行介绍。

1 焦平面制备和测试技术

1.1 高信噪比大面阵Vis/NIR碲镉汞探测器制备技术

液相外延技术能够获得低位错密度的高质量碲镉汞材料，依然是制备碲镉汞外延材料的主流技术之一[10-15]。为了实现低噪声探测选择液相外延材料制备大面阵探测器，首先要获得能够与碲镉汞材料晶格匹配的CdZnTe衬底材料。采用VGF法[11-12]生长了大直径的CdZnTe晶锭，通过提高工艺稳定性、衬底热处理等加工工艺降低了CdZnTe晶体中的孪晶缺陷，使Φ90 mm晶体的单晶率达到70%，制备出尺寸达到(30×40) mm2的(111)CdZnTe单晶衬底，衬底位错密度(EPD)小于5×104cm-2，沉淀物缺陷尺寸小于5 μm×5 μm，表面夹杂缺陷密度小于50 cm-2。

图1 CdZnTe/HgCdTe液相外延材料实物图Fig.1 Photograph of CdZnTe/HgCdTe materialsgrown by LPE

在制备出的大尺寸CdZnTe衬底上采用垂直浸积式液相外延技术[13-14]获得了(30×40) mm2的大面积P型Hg空位HgCdTe外延材料，材料组分：0.44，均方差为0.000 4，厚度均方差为0.4 μm，表面缺陷密度小于5 cm-2。利用霍尔测试得到载流子浓度：10～20×1015cm-3，载流子迁移率：>200 cm2/Vs。

经过材料生长后，在Hg空位型CdZnTe基HgCdTe材料上制作了焦平面器件。图2为探测器结构剖面图，从图中可以看出器件采用常规的n-on-p型平面结结构[15]，在CdZnTe衬底与外延层HgCdTe之间有一层缓变界面，缓变区具有较高的吸收系数，能够防止表面复合，从而获得较高的量子效率。通过B+注入的方法在P型HgCdTe外延材料上形成p-n结，采用CdTe/ZnS双层钝化，钝化后制备金属电极和铟柱用于信号的输出。

图2 CdZnTe / HgCdTe 探测器结构剖面图Fig.2 Cross-section schematic of CdZnTe/HgCdTe detector

将制备好的640×512 25 μm中心距的CdZnTe/HgCdTe焦平面探测器与配套电路通过铟柱进行倒焊互连，电路采用CTIA输入级结构，电容大小为10 fF。最后将倒焊好的模块贴在宝石基板上实现焦平面信号的输出处理。贴装后的焦平面模块实物图如图3所示。

图3 640×512CdZnTe/HgCdTe焦平面探测器模块图Fig.3 Photograph of640×512CdZnTe/HgCdTe FPAsdetector module

对于背照射式碲镉汞焦平面，衬底CdZnTe的禁带宽度约为1.6 eV，波长小于775 nm的光会完全被衬底所吸收，为了拓展短波碲镉汞焦平面探测器在可见光波段的探测能力，需要寻找适合背照射式碲镉汞模块的无损衬底去除技术。我们采用的是机械抛光加选择性湿法腐蚀工艺进行衬底的完全去除。

图4为衬底去除前后碲镉汞芯片在可见光波段的响应光谱对比。从图中可以看出，衬底去除前探测器的响应光谱在小于830 nm的可见光区域急剧下降，当波长小于800 nm时光辐射全部被吸收。当衬底完全去除后探测器的响应光谱从红外波段一直延伸至可见光波段400 nm，这表明无损衬底去除技术实现了将探测器透射光谱拓展的目的，实现了可见/红外区域的宽光谱探测。

图4 衬底去除前、后探测器的响应光谱图Fig.4 Relative response spectra of detector before andafter substrate removal

1.2 焦平面性能的测试与评价

利用焦平面测试平台对衬底去除后的焦平面性能进行了测试，探测器的工作温度为100 K，F数为1.1，黑体测试温度为293 K～308 K。测试内容包括响应率、非均匀性、噪声、盲元率和归一化响应光谱。

从图5、6、7和表1的640×512 HgCdTe焦平面性能测试结果可以看出：由于冷屏的影响造成中间和边缘光敏元接收光子数存在差异，导致响应非均匀性为9.8%，焦平面中心位置处的响应约68.0 mV/K。平均噪声为3.29 mV，中间区域噪声为3.55 mV，利用中间区域的响应和噪声可以计算得到探测器的信噪比为287，能满足高图像质量探测的需求[10]。

图5 640×512Vis/NIR HgCdTe焦平面响应Fig.5 Response histogram of640×512Vis/NIR HgCdTe FPAs

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

测试结果平均响应率/(V·W-1)5.13E+07响应 /(mV·K-1)56.8噪声/ (mV)2.68响应率非均匀性 /(%)9.8有效像元率/ (%)98.8

图7 640×512Vis/NIR HgCdTe焦平面的归一化响应光谱图(0.4μm～3.0μm)Fig.7 Normalized spectral response of640 512Vis/NIRHgCdTe FPAs(0.4μm～3.0μm)

在超光谱应用中，为了获得不同谱段的光谱信息，信号光都要经过复杂的光学系统进行光栅分光最后被探测器所接收，造成信号的光强大大衰减，要求探测器必须具有较高的量子效率。我们提出了信号定量化的量子效率测试评价方法。具体测试方法：利用带通滤光片限定入射光子数Qin，测试响应电压Vs，计算获得固定电容Cint下产生的信号电子数Qs=Vs·Cint/q，则器件的量子效率η就可以利用公式计算得到：η=(Qs/Qin)%。对于640元×512元HgCdTe焦平面电路积分电容Cint为10 fF，性能测试时选择的带通滤光片低温100 K下的透射光谱曲线如图8所示，结合黑体辐射率、滤光片透射光谱和入射效率89%，计算可得到当黑体从328 K变化至343 K探测器接收到的辐射总光子数～72 000，由此获得此入射条件下，不同响应的器件的量子效率，如图9所示。

图8 100K时窄带通滤光片的归一化透射光谱Fig.8 Normalized spectral response of narrow band passfilter at100K

图9 计算得到器件的量子效率与响应率的对应关系Fig.9 Relationship between calculated quantum efficiencyand FPAs’ responsivity

因此对于响应为68.0 mV/K的探测器，计算可得器件在(2.32±0.025)μm波段的量子效率为88.4%。根据特定波段的量子效率和归一化响应光谱可以得到不同波段内的量子效率，最终可以获得器件的等光子量子效率谱，如图10所示。可见器件在0.5 μm～2.6 μm波段内的量子效率大于50%，0.4 μm处还有30%的量子效率，很好地实现了短波器件在可见光波段的高效率响应。

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

2 焦平面的应用

为了验证可见/近红外大面阵碲镉汞焦平面的性能，焦平面前配备了光学系统进行了成像，成像效果如图11所示，图11(a)是可见光和近红外融合图像，图11(b)是加了1.5 μm长通滤光片(图中圆形镜头)的成像图像。由于近红外辐射的主要来源是高温物体，因此图11(a)中信号多为反射的可见光，可以看出可见光部分的图像清晰度非常高；在有滤光片的情况下图11(b)中的高温物体的短波红外图像轮廓也很分明。如果将可见/近红外大面阵碲镉汞焦平面与自动光学系统相配合，能够实现可见目标的实时观测及对于高温物体的精确识别功能。

图11 可见/近红外大面阵碲镉汞焦平面拍摄的可见、短波红外图像Fig.11 Visual (left) and NIR (right) images acquiredby640 512,25m HgCdTe FPAs

3 结论

基于超光谱的应用，我们开展了可见/近红外大面阵碲镉汞焦平面的研制工作，通过大面阵低缺陷密度的CdZnTe基碲镉汞材料制备，结合低损伤衬底去除技术获得了满足超光谱应用的640元×512元Vis/NIR碲镉汞焦平面。经测试验证在较高的工作温度下(100 K)焦平面具有很高的信噪比(287)和量子效率(88.4%)，能够获得好的成像分辨率。本焦平面器件将可见与近红外成像技术精密融合，拓展了短波碲镉汞焦平面的应用领域，具有非常广的应用前景。