高工作温度红外探测器的研究进展及趋势

张坤杰

高工作温度红外探测器的研究进展及趋势

张坤杰

（昆明物理研究所，云南 昆明 650223）

基于高工作温度探测器的热成像系统的典型特征是体积小、重量轻、功耗低，其性能在降低成本的同时与低温制冷型热成像系统的性能相当，有着重要的应用价值和批量生产的前景。本文介绍势垒型探测器的结构特点，阐述构建势垒型探测器的材料结构类型与其对系统性能的影响，总结其他相关技术实现的高温探测器。最后对势垒型探测器目前的研究进展进行归纳，提出了几个高温探测器技术未来的研究方向。

势垒型结构；高工作温度探测器；材料制备；热成像系统；光电器件

0 引言

与传统的光电系统相比，现代化光电系统逐渐向着体积更紧凑、功耗更低、成本更低的方向设计，也就是低SWaP（size, weight and power）应用。对于固态探测器来说，低SWaP指标的需求通常与每个像元中暗电流的显著减少相对应。因为暗电流指数一般依赖于探测器工作温度，所以在暗电流与光电流可比之前，暗电流越低，越可提高更多的工作温度。当探测器达到背景限性能（background limited performance，BLIP）温度时，温度的再升高会导致图像质量的大幅衰减。基于上述考量，焦平面工作温度实际上被定义为暗电流比光电流低一到两个数量级的温度，因此使得探测器对任何微小的温度变化都不敏感，从而实现探测器的高工作温度环境[1-2]。这有助于降低制冷机的制冷功率、增加工作寿命、最终降低红外系统的整体尺寸、重量和功耗，符合低SWaP指标。因此，高温（high operating temperature，HOT）探测器一方面具有与非制冷型探测器可比的尺寸、体积和重量，另一方面，也满足在节约成本的同时具有与传统制冷型红外系统可比的光电性能[3]。目前，国外一些公司，如Leonardo DRS公司、美国Raytheon公司、美国Teledyne公司、法国Lynred公司、Selex Galileo公司、德国AIM公司和以色列SCD公司都已陆续推出HOT探测器，应用领域多样，如卡装式武器热瞄镜、便携式手持战术热像仪、小型无人机、遥控狙击手和遥控武器站、导弹导引头等空间受限的红外系统。

1 基于势垒型结构的HOT探测器

1.1 nBn势垒型结构特点

异质结nBn单极势垒型探测器在2006年被提出，单极势垒这一词就是描述能阻挡一个载流子类型（电子或空穴）同时保持其他载流子自由通过的一个势垒层[4]。n代表同一窄禁带半导体中的掺杂，B代表无掺杂的中心势垒层[4]。这种结构与传统的PN结有些类似，结（空间电荷区）被电子阻挡单极势垒层B所替代，p型接触层被n型接触层所替代，所以nBn探测器也可以被理解为光导器件与光伏器件的混合[4]。

nBn探测器通过排除窄禁带光子吸收层材料中的耗尽电场来完全抑制大量的产生-复合（generation -recombination，G-R）电流，G-R电流对来自光子吸收层的暗电流的贡献受到全部抑制，以此呈现出较低的暗电流，所以nBn探测器又被称作没有耗尽区的器件[4-10]。

图1所示的是nBn结构禁带图，在势垒层一侧的n型半导体形成一层接触层用于偏压器件，同时势垒层另一侧的n型窄禁带半导体是一层光子吸收层，其厚度应与光在器件中的吸收长度可比，典型值为几微米。为了避免势垒层阻挡光生少数载流子（又称光生空穴）穿过器件，其位置的准确性很重要，势垒层应该接近少数载流子接触层，且距离光学吸收区域较远，这种势垒型结构的安排允许光生少数载流子流向接触层的同时阻挡住多数载流子暗电流、再次注入的光电流和表面漏电流[4,11]。因此，以图2为例，nBn结构允许光生少数载流子即使在非常低的偏压下也能流向未受阻的接触层，同时使导带中大量的势垒阻挡住与SRH（Shockley-Read-Hall）过程相关的暗电流[4,10]。换句话说，多数载流子（电子）的扩散被耗尽区的势垒阻挡，同时热产生或光吸收产生的光生少数载流子实现了相对自由地穿过器件，这样可确保一个高的内部量子效率[5-6,12]。

1.2 XBn结构特点

以nBn结构为基础衍生出XBn、XBnn等多种势垒型结构[13]。其中，XBn结构又被称为Bariode（势垒型二极管）[5-7,12,14]，X表示n型或p型接触层，B表示n型宽禁带势垒层，n表示n型窄禁带吸收层，也就是光子吸收层和势垒层被掺杂了电子施主[6,8]。如果是XBp结构，则表示掺杂了电子受主[6]。

XBn探测器的耗尽区是由带有大的导带偏移的宽禁带势垒材料制成，又因为只有宽禁带势垒层材料被耗尽才会对G-R电流产生贡献，但因禁带太大，所以其贡献比来自吸收层的扩散电流的贡献小。因此，XBn探测器的电子性质就像一个宽禁带器件，但光学性质像一个窄禁带器件[8,14]。

图1 nBn势垒型结构的禁带示意图

图2 nBn结构的各种电流成分的空间构成和势垒阻挡

红外探测器的最大工作温度通常由随温度呈指数增长的暗电流决定[5-7]。基于异质结材料的XBn探测器具有与标准同质PN结探测器相似的能带形状，但区别是XBn探测器的任意窄禁带区都不存在耗尽区，耗尽区被限制在一个宽禁带势垒材料内，因此，G-R电流对暗电流的贡献几乎被完全抑制，暗电流由此变为扩散限的。与相同材料的传统PN结探测器相比，XBn探测器中以扩散限为主导的暗电流可实现工作温度的升高，且性能基本没有损失[5,8,14]。另外，因为宽禁带耗尽的势垒层可为相邻台面提供隔离，同时窄禁带吸收层的任意部分都没有暴露在空气中，所以XBn探测器的制备更简单，更有可能实现较好的焦平面均匀性[5]。

如图3所示，黑色实线代表标准PN结探测器中的暗电流，其下部的斜率约为上部斜率的一半，它们分别对应G-R电流和扩散限电流的激活能。黑色虚线代表XBn探测器中的暗电流，是高温扩散限电流向温度在0以下的延伸，表示XBn探测器中不包含G-R电流的暗电流的变化过程[5-6]。图中探测器暗电流的温度依赖性与温度的导数成正比。

假设0被定义为扩散电流和G-R电流相等时的交叉点温度（如图3灰色垂直虚线所示）。根据文献[4-5,7]的研究结果，在标准PN结探测器中，当工作温度低于0时，对暗电流的贡献来自耗尽层的G-R中心。在XBn探测器中，温度在0以下时，它呈现出两个趋势，一是当温度相同时，XBn探测器呈现出高于标准PN结探测器工作时的信噪比（如图3黑色垂直箭头所示）。二是当暗电流相同时，根据文献[5-6, 15]的观点，假设将G-R电流的激活能抑制为扩散电流的一半，也就是G-R斜率是扩散电流的一半，焦平面工作温度向左水平移动（如图3黑色水平箭头所示），说明XBn结构焦平面工作温度高于标准PN结焦平面的工作温度。这是因为XBn探测器的窄禁带半导体没有耗尽区，所以可忽略G-R电流对暗电流的贡献，在高于或低于0时，XBn探测器中的暗电流都以扩散限为主导进行工作（如图3黑色实线和虚线所示），这一性质使其对反向偏压更不敏感，有助于降低焦平面的空间噪声[7, 14]。

根据图3的解释，文献[6]提到的XBn探测器（截止波长为4.1mm）在光学参数为F/3、焦平面工作温度为160K的条件下具有良好的背景限性能，与标准探测器焦平面相比，其工作温度提升两倍，所需制冷功率降低了50%以上，同时大幅减小集成式探测器制冷机组件（integrated detector cooler assembly，IDCA）的尺寸和重量。

2 基于多种材料的势垒型HOT探测器

从探测器材料的角度来讲，势垒型探测器可在不同的半导体材料中实现，它的实际应用已经在碲镉汞（HgCdTe）三元合金材料和HgCdTe的替代材料，如InAs、InAsSb和InAs/GaSb二类超晶格材料中实现[3-4]。

2.1 基于HgCdTe材料的势垒型中波红外HOT探测器

在势垒型结构探测器中，因为在吸收层与势垒层交界面处存在一个价带不连续性（势垒），所以势垒型结构不能在HgCdTe三元合金材料体系中直接实现[11]。基于HgCdTe的势垒型中波红外探测器中的非零价带偏移是限制其性能的关键因素，尤其在低温条件下，由光学吸收产生的低能量少数载流子不能克服价带能量势垒，所以器件呈现较低的灵敏度和探测率。但是，根据文献[11]的分析，通过MOCVD（metalorganic chemical vapor deposition，金属有机化合物化学气相沉淀）生长的势垒型HgCdTe探测器可以提供零价带偏移，由于势垒层的作用，暗电流被有效减小的同时保持了高灵敏度和探测率。MOCVD技术的优点是可以选用传统衬底的替代材料，如GaAs或者Si衬底，它们可以替代非常昂贵的碲锌镉（CdZnTe）衬底[4,11]。

图3 标准PN结探测器和XBn探测器中暗电流温度依赖性的对比，标准PN结探测器暗电流的扩散限和产生-复合限部分做了标记

Fig.3 A comparison of temperature dependence of the dark current in standard p-n detector and XBn detector, the diffusion and G-Rlimited portions of the dark current in p-n detector are labeled

波兰Vigo系统公司目前已经实现了HgCdTe探测器势垒型结构的研发，该公司选用典型的5.08cm GaAs作为其生长衬底，为了减小晶格失配引起的应力作用，在HgCdTe的生长之前、在GaAs衬底和HgCdTe外延层结构之间沉积一层3～4mm厚的CdTe薄膜作为缓冲层[11]。文献[4]认为对于HgCdTe势垒型中波红外探测器来说，未来的研制工作应集中在减少甚至消除势垒层中的价带偏移，以使其具备在较低工作偏压、较低暗电流和较高温度下工作的性能。

2.2 基于III-V族材料的势垒型中波红外HOT探测器

在XBn势垒型探测器材料的制备中，III-V族材料起到决定性作用，它具备较高的设计灵活性、直接的能隙和较稳固的光学吸收等优点[4]。以InAs、GaSb和AlSb三种材料为例，当室温能量在0.36eV（InAs）～1.61eV（AlSb）范围内时，3种材料形成的晶格匹配组合约为6.1Å，XBn探测器目前采用了6.1Å III-V族材料[4, 16-17]。

以色列SCD公司是生产基于III-V族材料的XBn探测器的典型代表，其XBn探测器生产线的主要程序包括晶片生长；晶圆级蚀刻和金属/介质沉积；切割和反装晶片混合；背面抛光和蚀刻；防反射镀膜；安装和引线连接[14]。该公司一般采用一个7.62cm的晶片来制备XBn结构焦平面，在该晶片上需要进行的步骤多于生产一个平面注入型焦平面所需的步骤，但其XBn生产线的成品产量与其更成熟的平面注入型InSb生产线的成品产量相当[14]。两种结构的主要区别是，平面注入工艺的主要损失来源于生产工艺过程中造成的缺陷，而XBn工艺损失的根本原因与具有衬底缺陷和其它晶片缺陷的晶片生长有关。

SCD公司研制的第一款满足低SWaP应用的III-V族XBn探测器是Kinglet（640×512，15mm）中波红外IDCA组件，其晶片主体层是一层厚的n型InAsSb光子吸收层、一层薄的n型AlSbAs势垒层和一层薄的n型InAsSb接触层，焦平面工作温度为150K，功耗3W，重量小于300g[14]。另外，该公司研制的百万像元级（1280×1024，15mm）XBn-InAsSb IDCA组件的工作温度可达150K[1,12,18]。

在SCD公司的XBn中波红外探测器中，器件的接触层材料X不是n-InAsSb就是p-GaSb，势垒层材料Bn由n型AlSbAs制成，吸收层材料由n型InAsSb制成。这些探测器的像元间距为15mm或30mm，光电性能类似，也较充分地说明XBn结构的通用性[6, 14]。以其XBn探测器Blue Fairy（320×256）和Pelican（640×512）为例，它们的生长衬底是GaSb或GaAs，两种探测器都呈现出一个4.1mm的禁带波长，且在光学参数为F/3时，通过分子束外延（molecular beam epitaxy，MBE）生长的两种探测器的性能一直到160K都是背景限的[6, 10, 14]。

为了满足市场需求，该公司还研制了Blackbird系列中波红外数字探测器，像元间距为10mm，基于1920×1536，1280×1024和640×5123种不同的读出电路格式，都使用了0.18mm CMOS技术，且都呈现出具有较低功耗和较高光电性能的特点。Blackbird系列支持两种10mm像元间距的焦平面类型，一种是基于SCD公司平面结技术的中波红外InSb焦平面，工作温度为77K。另一种是XBn-InAsSb势垒型探测器，其光电性能等同于平面结InSb探测器，但工作温度达150K[19]。

另外，斯洛文尼亚DAT-CON公司也研制了基于XBn-InSb探测器的CLRT系列中波红外（640×512，15mm）和CLRT高清系列中波红外热像仪（1280×1024，10mm），其中，CLRT系列的热灵敏度为23mK，CLRT高清系列的热灵敏度为25mK，两种系列的制冷机平均故障时间均为20200h[20]。

与HgCdTe材料相比，一方面，III-V族材料比HgCdTe更能提供较强的化学键，而且能带边缘对组分的依赖性较弱，所以比HgCdTe的化学稳定性更高[4]。另一方面，从探测器材料成本的角度讲，因为CdZnTe衬底对于大面阵探测器的制备非常昂贵，而InSb的生长晶片可用直径达到10.16cm，所以InSb比HgCdTe更易生成较大面积和较高均匀性，从而提高制造大面阵探测器的经济规模[4,6,14]。

2.3 基于III-V族二类超晶格材料的势垒型中长波红外HOT探测器

使用内在固有的较低俄歇（Auger）G-R速率的材料来设计探测器材料能够抑制俄歇G-R，以此可以实现探测器较大范围内的稳定性、电子和空穴的更高迁移率等，III-V族InAs/GaSb二类超晶格材料较符合上述要求[4]。在这种III-V族二类超晶格材料的二元化合物中，一般使用带有AlAsSb势垒层的InAs外延层来制备势垒型探测器，因为InAs/GaSb二类超晶格相对于AlAsSb势垒几乎接近于零的价带偏移，所以它们较适合势垒型结构[4]。以中波红外InAs/GaSb二类超晶格为例，当生长晶格与GaSb衬底相匹配时，截止波长为4.1mm时，通过MBE生长的势垒型探测器材料的质量更好[4]。

在波兰Vigo系统公司的中波红外势垒型HOT探测器中，其研制的InAs/GaSb二类超晶格材料结合了通过MBE生长的III-V族材料和人工合成材料二类超晶格的物理性质。与其研制的中波红外HgCdTe材料相比，因为超晶格的有效质量不直接依赖于禁带能量，而是减小超晶格中的隧道电流，电子和空穴的空间分离会引起二类超晶格材料中俄歇复合速率的抑制[4]，所以，根据文献[4]的观点，与具有类似禁带的HgCdTe材料相比，InAs/GaSb超晶格的俄歇复合速率可被抑制若干个数量级。换言之，超晶格的电子性质可能会超越HgCdTe合金材料的电子性质[4]。文献[21]提出采用热电制冷的InAs/GaSb二类超晶格焦平面（截止波长约为10mm）工作温度可达200K，当焦平面工作温度为195K时，其峰值光谱探测率大于6×109cmHz0.5W－1，性能上接近商用HgCdTe探测器。SCD公司也已经对InAs/GaSb二类超晶格探测器结构进行了建模、生长、工艺处理和表征，有望用III-V族二类超晶格材料替代HgCdTe来制造势垒型探测器[22]。

然而，尽管二类超晶格的物理性质重点强调其相对于体晶材料的潜在优势，但高温条件下的俄歇G-R导致少数载流子寿命缩短，以文献[21, 23]的观点为例，当焦平面工作温度为77K时，InAs/InAsSb二类超晶格势垒型探测器在长波红外波段内对应的载流子寿命是400ns，当焦平面工作温度提高到300K时，载流子寿命小于100ns。这也是制约III-V族二类超晶格势垒型探测器性能的主要因素[4]。

2.4 基于III-V族二类超晶格材料的势垒型扩展短波红外探测器

扩展短波红外（extended-short wave infrared，e-SWIR）探测器的波长范围覆盖1.7～2.5mm。文献[24]提出基于AlAsSb/GaSb超晶格的势垒型nBn e-SWIR探测器，使用GaSb作为生长衬底，AlAsSb/GaSb超晶格与GaSb衬底晶格匹配，且都拥有Sb原子，在超晶格的设计中可以提供极大灵活性。因为这种超晶格中的电子量子阱较深，所以可将其调整为nBn e-SWIR探测器所必需的宽禁带电子势垒，这种设计也叫H型结构超晶格，在一层n型接触层和一层n型e-SWIR吸收区域之间加入H型结构超晶格作为电子势垒层，以此构成nBn e-SWIR探测器[24]。

根据文献[24]的研究结果，当焦平面工作温度为150K时，nBn e-SWIR探测器暗电流密度为9.5×10－9A/cm2（使用－400mV偏压）；同质结p-i-n e-SWIR探测器暗电流密度为4.7×10－7A/cm2（使用－50mV偏压）。当工作温度等于室温300K时，nBn e-SWIR探测器暗电流密度为8×10－3A/cm2（使用－400mV偏压）；同质结p-i-n e-SWIR探测器暗电流密度为6.6×10－2A/cm2（使用－50mV偏压）。由此可以看出，工作温度越高，基于nBn结构的e-SWIR探测器呈现出越低的暗电流密度。当工作温度在180K以上时，nBn e-SWIR探测器的暗电流是扩散限的，150K时，为G-R限[24]。当工作温度为室温300K时，nBn势垒型e-SWIR探测器能实现单个人体的成像。根据文献[24]的实验结果，利用nBn势垒型结构有望将e-SWIR探测器的工作温度提升至室温。

3 基于其他技术的HOT探测器

目前，除了上述势垒型探测器的研究，国外一些公司，如DRS公司和Selex公司使用了基于带有特殊像元结构的n-on-p/HgCdTe技术来提升焦平面工作温度。美国Teledyne公司利用p-on-n/HgCdTe技术实现了中波红外探测器工作温度的升高。

图4为法国Lynred公司研制的中波红外Daphnis IDCA组件（1280×720，10mm），采用n-on-p/HgCdTe同质结技术将焦平面工作温度提升至120K，NETD值为20mK（293K@70%势阱填充）[25-27]。

图4 Lynred公司研制的Daphnis高清中波红外IDCA组件[25]

德国AIM公司研制的带有空位掺杂的标准n-on-p/HgCdTe技术可使中波红外探测器（标清格式）在120K时保持良好的光电性能，通过引入金作为受主杂质的非本征p型掺杂来替代空位掺杂，掺杂水平为中等范围的1016cm－3，实现了焦平面工作温度提升至140K，也是该公司一代HOT探测器。将探测器吸收层水平从中等范围的1016cm－3降至较低范围的1015cm－3，焦平面在160K的温度下呈现出接近背景限性能温度的NETD值，同时保持较低噪声缺陷，这是该公司二代HOT探测器，其工作温度最高可达180K[3]。

图5为AIM公司研制的百万级像元（HgCdTe，1280×1024，15mm）中波红外IDCA组件，其在120K条件下呈现出良好的光电性能，与该公司原来的标清格式（640×512）中波红外探测器性能相似[3, 28]。图6为该公司研制的HiPIR紧凑型HOT中波红外IDCA组件（HgCdTe，1024×768，10mm），焦平面工作温度可达160K，NETD值小于25mK（300K@50%势阱填充）[29]。目前，除了基于液相外延（liquid phase epitaxy，LPE）生长的HOT探测器，该公司研制的通过MBE生长在10.16cm GaAs衬底上的光伏型探测器的工作温度主要在80～100K之间[3]。未来，其HOT探测器技术的发展还将基于通过LPE生长的中波红外探测器，通过使用更低水平的p型掺杂和进一步优化的钝化工艺，暗电流存在进一步减小的可能，工作温度将进一步提升至180K以上或等于180K[3]。

图5 AIM公司研制的HiPIR-1280M中波红外IDCA组件[28]

图6 AIM公司研制的紧凑型高温HiPIR HgCdTe IDCA组件[29]

4 结束语

HOT探测器在中波和长波红外波段内都已实现应用，目前，国外基于异质结势垒型结构的中波红外探测器工作温度范围主要在150～195K，同质结中波红外探测器的工作温度在120～180K的范围内。对于工作波段在8～10mm的长波红外探测器来说，目标是将其工作温度提升至大于等于100K。另外，异质结势垒型结构在波段扩展后的1.7～2.5mm的短波红外探测器中也已实现研究成果，有望实现e-SWIR探测器在300K条件下的室温性能。

随着势垒型探测器技术在中波、长波和短波红外波段内的研究发展，加之基于该技术的热成像系统在尺寸、重量和体积方面与非制冷型热成像系统相当，使得HOT探测器在军用和民用领域的应用空间广泛提升。对于中波红外HOT探测器来说，势垒型HOT探测器的制备普遍采用III-V族材料或III-V族二类超晶格材料，但目前波兰Vigo系统公司实现了HgCdTe探测器的势垒型结构；欧美一些企业一般采用其他技术制备HOT型HgCdTe探测器，这些中波红外HOT探测器都适用于空间极为受限的军事平台，如导弹导引头、武器热瞄镜、小型无人机等。对长波红外HOT探测器来说，其军事应用更多的需要高可靠性，如车辆和旋翼领航机的24h全天候监视工作等。在扩展短波红外波段内，经过试验研究，采用势垒型结构的e-SWIR探测器有望将工作温度提升至室温，在低照度应用中更具有优势。

另外，国外一些制造商致力于研究利用III-V族二类超晶格材料制备HOT探测器，以实现与碲镉汞可比的光电性能。由于III-V族二类超晶格材料的光生少数载流子寿命受高温环境的影响较大，所以这也是国外一些公司对HOT探测器技术的重点研究方向之一。同时，采用热电制冷的HOT探测器目前也在初步发展阶段。

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Research Progress and Trends of High Operating Temperature Infrared Detectors

ZHANG Kunjie

(,650223,)

Low SWaP (size, weight, and power) applications are typical features of thermal imaging systems based on HOT(high operating temperature) detectors. The system performance is comparable to that of a cooled infrared system, with reduced manufacturing costs. They have important application value and are promising prospects for high volume production. The structural features of barrier detectors are introduced, and the structures of the materials used for the barrier detectors and their impact on system performance are analyzed. Other technologies used for HOT detectors are also summarized. Finally, the current research progress on barrier infrared detectors is summarized. Additionally, several future research directions for HOT detector technologies are presented.

barrier structure, HOT detectors, material preparation, thermal imaging system, photoelectric device

TN215

A

1001-8891(2021)08-0766-07

2020-08-03；

2020-09-02.

张坤杰（1986-），女，硕士，主要从事国外科技信息研究等工作。E-mail：kunjie.zhang@aliyun.com。