基于VLPE技术的碲镉汞p-on-n双层异质结材料与器件研究进展

王文金，孔金丞，起文斌，张 阳，宋林伟，吴 军，赵 文，俞见云，覃 钢

〈综述与评论〉

基于VLPE技术的碲镉汞p-on-n双层异质结材料与器件研究进展

王文金，孔金丞，起文斌，张 阳，宋林伟，吴 军，赵 文，俞见云，覃 钢

（昆明物理研究所，云南 昆明 650223）

本文对比分析了碲镉汞p-on-n器件四种制备方式的优劣，其中，VLPE（Vertical Liquid Phase Epitaxy）技术具有原位As掺杂与高激活率的技术优势，是制备高性能p-on-n双层异质结器件的重要方式。针对该技术，从材料生长、器件工艺和器件性能方面回顾了国内外研究进展，讨论了国内外差距，明确了制约该技术发展的关键问题和技术难点，并提出了解决思路。最后，展望了VLPE技术p-on-n异质结器件的发展趋势。

碲镉汞；p-on-n；台面异质结；富汞垂直液相外延（VLPE）

0 引言

自1959年英国Lawson等人发表了首篇关于HgCdTe（MCT）的论文，并预测了该种材料的红外应用前景[1]，美国、法国、波兰以及苏联等国家相继开始实验室研究[2-4]。到目前为止，MCT材料已经过60多年的发展，实现了从体材料到外延材料的跨越，正向着超大面积、低缺陷、高少子寿命以及能带裁剪调控等方向发展。由于其带隙可调、高量子效率等优异性能，MCT是军事领域应用最广泛的红外探测材料，一直占据高端红外探测器研制的主导地位[5-7]。

MCT红外焦平面器件结构包括本征汞空位掺杂n-on-p[8]、非本征掺杂n-on-p[9]、n-on-p台面结器件[10]、n+/p高密度垂直集成光电器件[11]（High-density Vertically Integrated Photodetector, HDVIP）、As离子注入p-on-n平面结[12]、原位As掺杂p-on-n台面结、非平衡全耗尽p-π(ν)-n[13-14]以及nBn器件[15-16]等。典型的MCT红外焦平面器件结构可以概括为n-on-p和p-on-n两种类型[9,17]，如图1所示。n-on-p型器件以P型MCT材料作为吸收层，材料少子寿命由Auger7复合机制决定[18]，p-on-n型器件以N型MCT材料作为吸收层，材料少子寿命由Auger1复合机制决定[19]。由于电子和空穴Auger复合存在不对称性，P型MCT中Auger7复合速率比N型MCT中的Auger1复合速率小约3～6倍，理论上在相同载流子浓度下，P型MCT材料少子的寿命比N型MCT材料高3～6倍[18,20-21]。因此，理论上采用P型吸收层材料生长的器件极限暗电流约为N型吸收层生长的器件的1/6[18-19]。这些早期的经典理论研究奠定了采用P型MCT作为吸收层的n-on-p器件结构理论基础。

图1 MCT红外焦平面器件结构

然而，n-on-p器件结构的低暗电流性能优势需要低浓度P型吸收层作为支撑，低浓度P型材料的稳定可控制备一直是MCT材料研究中不变的主题。但受限于背景杂质浓度，P型MCT载流子浓度很难稳定可控地降低至1×1015cm－3以下[21]，到目前为止仍然只能控制在1015～1016cm－3范围，少子寿命提高受限使n-on-p器件暗电流很难达到理论预期水平[20-21]。p-on-n型器件以载流子浓度可控制在较低水平的N型材料作为吸收层，使得工程上的p-on-n型器件相对n-on-p型器件来说暗电流更小，可降低两个数量级[9]。随着红外探测器向长波/甚长波、高工作温度等方向发展，对器件暗电流提出了更高的要求，p-on-n型器件由于其在工程实现上的性能优势已成为重要的技术路线[5,17,22-24]。

p-on-n器件有以下几种制备方式：一是基于As离子注入的p-on-n平面结[12]，二是基于分子束外延技术（Molecular Beam Epitaxy，MBE）的原位As掺杂p-on-n台面结[25]，三是基于金属有机气相外延（Metal Organic Vapour Phase Epitaxy, MOVPE）的p-on-n台面结[10]；四是基于富汞垂直液相外延技术（Hg-rich Vertical Liquid-phase Epitaxy，VLPE）的原位As掺杂与激活的p-on-n台面结[24]。

本文分析了p-on-n器件几种制备方式的优劣，报道了基于VLPE技术的p-on-n双层异质结器件（Double Layer Heterojunction，DLHJ）在材料生长、器件工艺和器件性能方面的研究进展。重点分析了p-on-n DLHJ器件的国内外差距以及制约该技术发展的关键问题和技术难点，并提出了解决思路，最后对基于VLPE技术的p-on-n DLHJ器件的发展进行了展望。

1 p-on-n器件制备方式对比分析

根据相关文献报道，影响p-on-n型器件性能的因素主要有：①N型吸收层的材料质量[24]；②P型cap层的组分，以及同N型吸收层之间的界面状态[26]。N型吸收层材料质量直接决定了辐射吸收和器件性能；宽带隙cap层形成的组分梯度有利于抑制热激发[27]，降低耗尽区漏电流，同时近表面低阻区形成理想的金属接触[28]。p-on-n器件的几种制备方式如图2所示。

图2(a)所示为基于As离子注入的p-on-n平面结器件。N型吸收层采用富碲液相外延技术[12]（Te-rich Liquid Phase Epitaxy，LPE）或MBE[29]在CdZnTe（CZT）衬底上原位掺In生长得到，P型区则通过As离子注入后退火激活实现。退火分两步进行：首先，通过高温富汞退火使As原子占据Te格点激活成受主，同时修复一定的注入损伤；其次，经过低温退火调整汞空位浓度，以满足吸收层电学参数要求[12]。法国Sofradir由于高温器件发展受限[30]，将器件结构从n-on-p转向As离子注入p-on-n，2005年，Sofradir和CEA成立联合实验室DEFIR开始发展p-on-n技术[31]。2011年，报道了第一个As离子注入p-on-n平面结器件SCORPIO LW，截止波长9.5mm@90K，平均噪声等效温差（Noise Equivalent Temperature Difference, NETD）小于25mK，有效像元率99.2%，中波MCT器件工作温度提升至160K[30]。德国AIM的器件结构发展与Sofradir类似，从汞空位n-on-p、Au掺杂n-on-p发展到As离子注入p-on-n，中波器件工作温度达到了160K（HOT GEN2）[32]。昆明物理研究所（Kunming Institute of Physics，KIP）基于As离子注入p-on-n平面结器件实现了长波、甚长波MCT红外焦平面器件的自主研发和小批量生产，暗电流接近国际水平[12]。美国Teledyne公司则采用MBE技术生长N型MCT吸收层和表面高组分cap层，再结合As离子注入技术制备了独特的p-on-n平面结器件，并基于该器件提出了一个衡量红外探测器性能的标准Rule 07[33]。该制备方式采用离子注入成结，平面结工艺制备，与传统的成熟n-on-p平面结器件制备工艺匹配，降低了对表面钝化的要求，但离子注入引入的损伤将在结区引入大量缺陷复合中心，增加了界面缺陷密度，低温下缺陷辅助隧穿电流将更明显[29]。

图2 p-on-n器件制备方式

图2(b)所示为基于MBE技术的p-on-n台面结器件。N型吸收层采用MBE技术在CZT或GaAs衬底上原位掺In生长得到，P型As掺杂高组层通过控制CdTe束源炉和As束源炉实现[8,34]。Rockwell早期在GaAs衬底211（B）面上生长了原位As掺杂p-on-n异质结，N型吸收层生长温度185℃，In掺杂浓度为高系数1014cm-3，P型吸收层生长温度165℃，As掺杂浓度为1017～1018cm－3。77K工作温度下截止波长8.0mm的长波器件品质因子（0）为5×103Ωcm2，量子效率大于55%[35]。中国科学院上海技术物理研究所沈川等人对基于MBE技术的p-on-n器件进行了高温热退火研究[25]。结果表明，高温热退火会引起能带畸变，导致异质结界面处的价带势垒增大，减小了器件的光电流，影响器件的量子效率。该制备方式基于MBE的精准组分控制，有利于形成比较陡直的Cd组分和As掺杂浓度曲线，为后期器件退火调控提供了很好的初始界面，可实现组分梯度和能带结构的调控，进而抑制表面漏电。但仍需要在高温下实现As原子的激活，高温激活过程伴随着元素互扩散，会弱化界面，而且难以保证高激活率；其次，MBE过程为非平衡态生长，在晶体质量方面与采用准平衡态模式生长的液相外延相比存在劣势，因此不利于开发高性能长波/甚长波器件[24]。

图2(c)所示为基于MOVPE技术的p-on-n台面结器件。MOVPE技术通过HgTe和CdTe互扩散形成HgCdTe，组分由HgTe和CdTe的厚度比例决定，通过Cd源流入反应器的时间调控。在富Cd或富Hg中，可实现施主（通常为As）与受主（通常为I）杂质的直接掺杂[36]。在GaAs衬底上，先生长一层重掺杂N型公共层，紧接着生长轻掺杂N型吸收层，最后再生长一层P型覆盖层，pn结位于中间吸收层与顶部覆盖层之间，形成p-on-n结构。英国SELEX是掌握MOVPE为数不多的研究机构，基于该技术制备的长波器件，77K工作温度下截止波长10.0mm，NETD在20～25mK范围[10,37]。该制备方式具有成本低、灵活性高、异质衬底生长等优点，同时解决了MBE技术As掺杂问题。但相对于准平衡态生长的LPE或VLPE技术，MOVPE技术制备的材料晶体质量较差，位错腐蚀坑密度（Etch Pit Density，EPD）比富碲液相外延生长的材料高两个量级[38]。

图2(d)所示为基于VLPE技术的p-on-n双层异质台面结器件。N型MCT吸收层可采用LPE[28]或VLPE[39]原位掺In生长，P型cap层采用VLPE原位掺As生长，经台面刻蚀、表面/侧壁钝化、电极开孔、金属电极沉积和倒装互连等工艺完成红外焦平面器件制备。美国Raytheon在早期技术路线选择的时候就认为异质结才是光伏探测器获得最佳性能的技术路线，大力发展了VLPE技术[40]。基于VLPE高均匀性、高晶体质量以及最重要的原位As掺杂与激活技术优势，Raytheon公司的p-on-n DLHJ材料N型吸收层和P型cap层均采用VLPE技术生长，在材料均匀性和器件性能方面都达到了世界领先水平。BAE公司早期将吸收层从N型材料转向P型材料后，便开始研制“无限源”富汞垂直浸渍液相外延系统，基于富碲水平液相外延和VLPE技术研制了独特的背照式p-on-n DLHJ器件，形成了第二代MCT红外焦平面基线[41]。VLPE是唯一以生长方式实现As掺杂并直接激活受主的外延技术，激活率接近100%[8]。高温激活退火过程的减少，为p-on-n型器件提供了更好的初始调控界面，为器件性能提升留下空间。同时，通过cap层材料生长工艺调控掺杂浓度[42]、组分梯度[43]等实现能带结构的裁剪，可减小隧穿几率；通过掺杂浓度优化、退火处理等进一步调控界面，消除价带势垒对光生载流子的阻挡作用，可提高器件量子效率，降低暗电流[44]。

相比基于As离子注入的p-on-n平面结器件，一方面避免了离子注入引入的损伤，理论上可减少界面缺陷密度，从而抑制产生复合电流以及缺陷辅助隧穿电流[29]；表面高组分层有利于进一步抑制表面漏电流、耗尽区产生的复合电流和隧穿电流；同时，极大地简化了器件制备的工艺流程，规避了离子注入、激活退火、损伤修复等过程。与基于MBE和MOVPE技术制备的p-on-n异质结器件相比，在获得更高的As激活率的同时减少了高温激活退火过程，有利于获得晶体质量更优越的材料。综合以上分析，基于原位As掺杂与激活的VLPE技术制备p-on-n台面结器件有望在更简单的器件制备工艺下实现更低暗电流，为高性能HOT、长波以及甚长波MCT红外焦平面器件的研制提供技术方向。

2 基于VLPE技术的p-on-n DLHJ技术研究进展

2.1 材料生长

材料的厚度和组分均匀性、晶体质量、组分梯度的构建以及掺杂浓度的有效控制是实现高性能p-on-n DLHJ器件的基础[24]，从前文分析可知，VLPE技术具有高晶体质量以及原位As掺杂与激活等优势，是制备p-on-n DLHJ器件重要技术。

基于VLPE的技术优势，美国Raytheon公司吸收层和cap层均采用VLPE技术进行生长，吸收层生长温度520℃～527℃左右，厚度均匀性≤±0.4mm，截止波长极差≤±0.02mm，X射线衍射双晶回摆曲线半高宽（Full Width at Half Maximum of Double Crystal Rocking Curves，DCRC-FWHM）小于40arcsec，EPD小于3×105cm－2[40]，组分极差≤±0.0006，纵向组分梯度为0.0018±0.0001，In掺杂浓度2～4×1015cm－3。cap层生长温度350～375℃左右，生长厚度2mm左右，中波异质结器件cap层与吸收层组分差D在0.12左右[24]。图3为Raytheon公司DLHJ器件结构和掺杂元素分布以及材料均匀性。

图3 Raytheon公司p-on-n台面结器件结构(a)[39]和掺杂元素分布(b)[24]以及材料均匀性(c)[40]

表面缺陷也是影响MCT红外焦平面器件性能的重要因素。Raytheon通过优化Cd饱和度实现了较好的表面缺陷抑制[24]。图4为Cd饱和度对VLPE MCT材料表面缺陷的影响。CdTe过饱和时，石墨舟上母液吸附层厚，材料表面缺陷密度较大；优化CdTe饱和度后，石墨舟上母液吸附层变薄，材料表面缺陷密度降低，0～10mm尺寸缺陷密度降低了96%，10～75mm尺寸缺陷密度降低了82%，75～100mm以及500mm以上尺寸缺陷密度也相应下降。为了进一步降低材料生长和器件工艺中引入的杂质或缺陷所导致的缺陷密度，Raytheon优化了工艺，降低了器件的缺陷辅助隧穿电流，提升了器件性能[39]。

美国BAE则采用LPE吸收层，厚度标准差在1.5%～2%左右，中波截止波长标准差低于0.3%，甚长波截止波长标准差低于0.5%，不同批次短波、中波截止波长标准差低于0.7%，长波、甚长波截止波长标准差低于1%，体现了很高的均匀性控制水平和极好的工艺重复性。In掺杂浓度2×1014～2×1015cm－3。DCRC-FWHM＜40arcsec，EPD为中系数104cm－2[28,41,45]。VLPE生长cap层，As掺杂浓度(2～4)×1017cm－3长波异质结器件cap层与吸收层组分差D为0.037[45]。

组分梯度的构建是p-on-n DLHJ器件实现漏电流抑制的关键。BAE在文献中多次报道了组分梯度与价带势垒和器件量子效率的关系[28,45-46]。研究表明，组分梯度调控是消除价带势垒进而提高量子效率的关键。图5为BAE公司p-on-n DLHJ器件结构示意图和掺杂浓度分布。从衬底到cap层，可分为3个组分梯度区[28]：①组分缓变递减区，从衬底到耗尽区，组分缓变递减，提供了一个从衬底指向耗尽区的内建电场，增强了吸收层内光生少子向耗尽区的漂移；②组分突变陡增区，从吸收层顶部到耗尽区底部（cap层内），组分突变陡增，实现一个真正的异质结，降低位于近表面耗尽区的漏电流；③组分递减区，从cap层内部高组分区到表面低组分区，组分逐渐降低，有利于实现低阻金属接触。

p-on-n双层异质结材料的界面缺陷对器件缺陷辅助隧穿电流、产生复合电流、响应均匀性等关键性能有重要影响。BAE建立了器件漏电流与生长过程中引入的C颗粒之间的关系[47]。研究表明，C颗粒主要来源于石墨舟，影响器件响应均匀性。通过优化石墨舟结构设计和生长程序，减少了生长过程中引入的C颗粒，界面处颗粒密度降低99.4%，有效提升了器件响应均匀性。图6为对p-on-n双层异质结材料pn结界面处C颗粒对器件性能影响，C颗粒位置与输出电压异常点具有较好的对应关系。

图4 Cd饱和度对VLPE MCT材料表面缺陷密度的影响：CdTe过饱和时，材料表面缺陷随机分布且缺陷密度较高，石墨舟上附着一层较厚的母液，(a)为CdTe过饱和时表面缺陷分布，(b)为CdTe过饱和时不同大小的表面缺陷的密度统计，(c) CdTe过饱和时石墨舟及碲镉汞薄膜表面形貌；优化CdTe饱和度后，材料表面缺陷密度下降，石墨舟上母液附着层变薄，(d)为CdTe饱和度优化后表面缺陷分布，(e)为CdTe饱和度优化后不同大小的表面缺陷的密度统计，(f) CdTe饱和度优化后石墨舟及碲镉汞薄膜表面形貌[24]

图5 BAE公司p-on-n台面结器件结构(a)和掺杂浓度分布(b)[28]

图6 pn结界面C颗粒对p-on-n双层台面结器件性能的影响，C颗粒位置(a)与输出电压异常值(b)具有很好的对应关系[47]

2.2 器件工艺

台面刻蚀和表面/侧壁钝化是p-on-n台面结器件的关键制备工艺。台面刻蚀实现像元隔离形成焦平面阵列，制备工艺包括干法刻蚀[10]、湿法腐蚀[45]、干法刻蚀与湿法腐蚀相结合[48]等方法，各研究机构在长期的工艺探索中形成了独具特色的工艺路线，但都在围绕高深宽比、低损伤等目标展开。表面/侧壁钝化则实现表面漏电的抑制，制备工艺包括热壁外延（Hot Wall Epitaxy, HWE）、MBE、磁控溅射（Magnetron Sputtering, MS）、热蒸发（Thermal evaporation, TE）等。

Raytheon采用湿法腐蚀和等离子体耦合（Inductively Coupled Plasma, ICP）干法刻蚀相结合制备台面。先利用干法刻蚀对光刻胶开孔，再利用湿法腐蚀的侧向钻蚀作用腐蚀MCT，同时形成光刻胶悬臂掩膜，最后再用干法刻蚀加深纵向深度完成高深宽比台面结构的制备[48]。结果表明，刻蚀均匀性较好，达到3.4% σ/mean（为标准差，mean为平均值），CdTe钝化层沉积均匀性达到2.1%/mean，器件有效像元率大于99%。美国陆军实验室则研究了湿法腐蚀与电子回旋共振（Electron Cyclotron Resonance，ECR）干法刻蚀结合制备台面结构。采用低能量、大角度离子刻蚀光刻胶，湿法腐蚀MCT，最后再用高能量、小角度离子刻蚀MCT，获得了可控的高深宽比台面结构[49]。图7为美国陆军实验室和Raytheon公司制备的台面隔离结构。

图7 干法刻蚀与湿法腐蚀结合制备的台面隔离结构：先用低能量、大角度离子刻蚀光刻胶，再用湿化学法腐蚀MCT(a)，最后用高能量、小角度离子纵向刻蚀MCT(b)，形成高深宽比台面隔离槽(c)[48-49]

BAE则采用无损伤湿法腐蚀制备台面结构，MBE技术沉积CdTe钝化层，厚度约0.3～0.6mm，紧接着采用互扩散退火工艺处理CdTe使其在MCT表面形成具有一定组分梯度的互扩散层，减少界面缺陷的热复合速率；同时，组分互扩散区内价带能量向表面降低，进一步抑制了光生载流子的表面复合[45]。2010年，BAE对比了HWE和MBE两种技术制备的钝化层[50]。结果表明，MBE技术制备的CdTe钝化层呈现为柱状、纹理规则的多晶，晶粒直径约20nm，而HWE生长的CdTe钝化层则晶粒较大，直径约40nm，纹理不规则。图8为BAE公司采用无损伤湿法腐蚀制备的台面结构和MBE技术制备的CdTe钝化层侧壁SEM形貌图。

2.3 器件性能

材料生长和器件制备工艺是实现p-on-n DLHJ器件的基础，器件性能则是检验材料生长和器件工艺的最终标准。品质因子0和量子效率（Quantum Efficiency, QE）是衡量器件性能的两个关键性指标。0为器件零偏电阻0和结面积的乘积，消除了结面积的影响，能够很好地表征红外探测器的品质[12]。QE为某一特定波长下单位时间内产生的平均光电子数与入射光子数之比，是描述光电转换能力的一个重要参数[8]。

Raytheon基于VLPE技术制备的p-on-n DLHJ器件，78K工作温度下，截止波长11mm器件，0达到100Ω×cm2；截止波长12.7mm器件、160×160阵列焦平面器件QE达到65%，、非均匀性优于7%；截止波长14mm器件，-曲线表现出优异的均匀性和可重复性好，击穿电压大于200mV，达到了很高的技术水平[39]。这可能得益于Raytheon成熟的VLPE技术所制备的高均匀性、低缺陷密度MCT材料以及台面刻蚀和表面钝化等关键器件工艺的不断优化和可重复性的提高。图9为Raytheon公司基于VLPE技术制备的p-on-n DLHJ器件性能及应用组件。

图8 p-on-n器件的台面刻蚀与侧壁钝化SEM形貌：台面焦平面阵列[45] (a)以及CdTe钝化层与HgCdTe的界面：(b)台面左侧CdTe/ HgCdTe界面；(c)台面右侧CdTe/ HgCdTe界面；(d)台面底部CdTe/ HgCdT界面[50]

图9 Raytheon公司基于VLPE技术制备的p-on-n台面结器件在78K工作温度下R0A与截止波长的关系(a)和量子效率(b)以及应用组件(c)[39-40]

Fig 9 Performance of p-on-n mesa devices based on VLPE technology: (a) relationship between0and cut-off wavelength at 78K operating temperature, (b) quantum efficiency and (c) application components at Raytheon[39-40]

BAE基于LPE和VLPE制备的p-on-n DLHJ器件，在60K工作温度下，截止波长为14.9mm的器件，通过价带势垒消除以及减反膜覆盖工艺优化后，量子效率达到90%，0接近预测线。40～60K工作温度下，截止波长为14～15.5mm的器件，量子效率在73%～96%之间；40～80K工作温度下，截止波长为10.5～17mm的器件，0低于理论预测线，受n区扩散电流和Auger复合限制[46]。BAE不断延伸器件截止波长，证明了70K下截止波长17.6mm的可行性，并有望推至25mm[51]。58K下截止波长15.6mm器件应用于AIRS（Atmospheric Infrared Sounder）组件[52]，70K下截止波长为17.6mm的器件应用于IMG-2（Interferometric Monitor for Greenhouse Gases）组件[53]等。图10为BAE基于LPE和VLPE技术发展的DLHJ器件性能及其所应用的组件。

相比国外，国内VLPE技术起步较晚，发展缓慢。华北光电技术研究所（North China Research Institute of Electro-Optics，NCRIEO）在2018年报道了基于VLPE技术的p-on-n长波双层异质结材料生长与器件制备，77K工作温度下，截止波长为12.3mm的器件，0达到了10Ω·cm2的水平，实现了器件研制，但尚未产品化，主要存在台面器件工艺不成熟、台面刻蚀与表面钝化引起的漏电较大等问题[54]。KIP开展了VLPE单层MCT材料表面缺陷抑制、均匀性提升及原位As掺杂等研究，实现了p-on-n双层异质材料的制备，但尚未实现产品的工程化研制。

通过研究国内外现状及发展趋势可以发现，国外已实现p-on-n DLHJ器件的产品化，国内尚处于研制阶段，初步实现了p-on-n DLHJ材料的生长与器件研制，对于Cd组分梯度的调控、掺杂元素扩散还鲜有研究，台面刻蚀、表面钝化等关键工艺尚未成熟。

图10 BAE公司基于LPE和VLPE技术制备的p-on-n台面结器件性能R0A(a)和量子效率(b) [51]

3 基于VLPE技术的p-on-n DLHJ器件性能优势与技术难点

图11为MCT红外焦平面器件几种器件结构的性能对比[23,55]。从图中可以看出，国外技术路线包括主要为以美国Raytheon为代表的基于VLPE技术p-on-n DLHJ器件和以法国DEFIR为代表的本征汞空位掺杂和非本征掺杂n-on-p器件，国内则主要发展了基于LPE技术的本征汞空位掺杂和非本征Au掺杂n-on-p器件以及As离子注入p-on-n器件。KIP采用汞空位和Au掺杂n-on-p技术研制的长波器件暗电流分别达到了AIM公司提出的本征掺杂和非本征掺杂经验模型水平，采用p-on-n技术研制的长波和甚长波器件的暗电流也达到了先进水平[56]，部分器件的0值略微高于Rule 07模型，多个数据点的拟合曲线则同Rule 07模型吻合得较好[12]。

从几种器件结构的理论预测线可以看出，p-on-n器件理论预测线Rule 07高于本征汞空位掺杂n-on-p和非本征掺杂n-on-p器件理论预测线。实际器件结果与此趋势吻合，本征汞空位掺杂n-on-p器件0比非本征掺杂n-on-p器件低近一个量级，而p-on-n器件具有最高的0，比非本征掺杂n-on-p器件高近一个量级。在p-on-n型器件的制备方式中，基于As离子注入的p-on-n平面结器件和基于VLPE的原位As掺杂p-on-n DLHJ器件在9～13mm截止波长范围内，两者性能差异较小。但值得关注的是，随着波长变长，在13～16mm截止波长范围内，基于VLPE技术的p-on-n DLHJ器件0值部分已高于Rule 07预测曲线，性能优于相同截止波长下的As离子注入p-on-n器件，这可能归因于甚长波器件隧穿电流的影响。相比于As离子注入成结p-on-n平面结器件，基于VLPE技术的p-on-n DLHJ器件采用原位成结，结区缺陷密度更低、稳定性更好。

图11 碲镉汞探测器R0A值与77K截止波长的关系[55]

综合以上分析，基于VLPE技术的p-on-n DLHJ器件在对暗电流要求较高的长波、甚长波红外探测器方面具有一定的性能优势，是高性能红外探测器的重要发展方向。但目前国内尚未实现产品化，限制器件性能的关键问题和技术难点主要有以下几方面：

1）cap层组分梯度构建。cap层组分梯度的构建是p-on-n DLHJ器件实现表面漏电抑制的关键，如前文所述（图4），需要实现两个区域的组分梯度构建：近界面组分突变陡增区和近表面组分递减区。近界面高组区实现一个真正的异质结，降低近耗尽区的漏电流，近表面低组区实现良好的低阻金属接触。VLPE技术采用“无限源”生长（10～15kg生长源），而cap层厚度仅在1～3mm左右，在“无限源”中生长薄层MCT材料并实现Cd组分的梯度构建，具有一定的难度，对生长系统控温精度、降温速率提出了很高要求。

2）界面控制。p-on-n双层异质结材料涉及Cd、In、As三种元素的扩散迁移控制，Cd元素的扩散是构建cap层两个组分梯度区的关键，As元素和In元素的扩散则影响pn结的位置。图12为pn结位置对器件暗电流和量子效率的影响。当pn结位置位于吸收层内时，暗电流最高；当pn结进入宽禁带cap层，暗电流和量子效率都随着进入深度的增加而降低，量子效率的降低会导致器件光电流减少，影响器件探测率。因此，为了兼顾器件暗电流和量子效率两个性能指标，需要精确控制pn结进入cap层的深度[35,46]。但在实际工艺中，要精确控制pn结位置并非易事，生长温度、材料缺陷、汞压等都会对As元素和In元素扩散的影响，需要根据理论计算与仿真设计预期pn结位置，再基于扩散理论对温度、汞压等影响pn结位置的条件进行研究，并结合二次离子质谱仪[28]（Secondary Ion Mass Spectrometry, SIMS）或电子束感应电流[38]（Electron Beam Induced Current, EBIC）等技术对pn结位置进行表征才能很好地实现界面控制。

图12 pn结位置对暗电流和量子效率的影响：(a)为暗电流随pn结进入cap层的深度增加而增大，(b)为暗电流最优区；(c)为量子效率随pn结进入cap层的深度增加而降低，(d)为量子效率最优区[44,57]

3）器件台面刻蚀与表面钝化。p-on-n DLHJ器件的台面刻蚀与侧壁钝化是发挥其性能优势的关键制备工艺，台面刻蚀引入的损伤、钝化膜质量的好坏都会影响器件的最终性能。美国Raytheon采用干法刻蚀与湿法腐蚀结合制备台面，而BAE则采用湿法腐蚀制备台面，并结合MBE技术制备钝化膜，实现了高性能p-on-n DLHJ器件制备。国内台面制备工艺起步晚，台面刻蚀及侧壁钝化工艺尚不成熟，刻蚀损伤评价及去除技术等体系尚未建立。因此，p-on-n组分异质结器件的制备还需加大台面工艺制备技术的研究，台面制备技术的突破是组分异质结的优势充分发挥的关键。

综上，在传统n-on-p标准工艺基础上，针对材料生长与器件制备的关键工艺进行研究，探究成熟稳定的p-on-n制备工艺，提高其可靠性、重复性及技术成熟度，是实现高性能p-on-n DLHJ器件产品化的重要一环。

4 结论与展望

MCT是新一代高性能红外探测器的首选材料，暗电流降低是红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电流的重要发展方向，在p-on-n器件的几种制备方式中，基于VLPE技术的p-on-n DLHJ器件采用原位生长成结，避免了离子注入损伤，实现了原位As掺杂与高激活率的同时，可获得较高晶体质量，表面高组分层可有效降低近漏电流，是高性能红外探测器的重要发展方向，有望成为长波/甚长波以及HOT器件的支撑技术。

然而，目前p-on-n DLHJ器件国内外发展仍存在一定差距，为实现器件的产品化研制与工程化应用，亟需解决的问题包括：

1）突破VLPE生长技术，实现低缺陷密度、高均匀性原位As掺杂cap层材料的生长和组分梯度构建；

2）研究p-on-n DLHJ器件界面控制技术，兼顾暗电流与量子效率两个关键性能指标；

3）研究低损伤、高深宽比台面刻蚀技术，降低刻蚀损伤，减小表面漏电；

4）提升钝化层质量，减小侧壁钝化表面漏电；

5）在传统的成熟n-on-p器件制备工艺上探索一套适用于p-on-n双层异质结台面器件的工艺，充分发挥p-on-n双层异质结台面器件的工艺简化和低暗电流优势。

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Research Progress on Materials and Devices of HgCdTe p-on-n Double Layer Heterojunction Grown by VLPE

WANG Wenjin，KONG Jincheng，QI Wenbin，ZHANG Yang，SONG Linwei，WU Jun，ZHAO Wen，YU Jianyun，QIN Gang

(Kunming Institute of Physics, Kunming 650223, China)

This paper compares four different fabrication methods for mercury cadmium telluride (HgCdTe) p-on-n devices. Among these methods, vertical liquid-phase epitaxy (VLPE) stands out because of its unique advantages, particularly the high activation rate of in situ arsenic (As) dopants. VLPE is an essential approach for producing high-performance p-on-n double heterojunction devices. This paper reviews the research progress, both domestically and internationally, covering material growth, device processes, and performance. The discrepancies between domestic and foreign research are discussed, and the key challenges and technical bottlenecks hindering VLPE technology development are identified. Several solutions have been proposed to solve this problem. This study provides insights into the future trends of VLPE technology for p-on-n heterojunction devices, which hold significant promise in semiconductor devices.

HgCdTe, p-on-n, mesa heterojunction, VLPE

TN215

A

1001-8891(2024)03-0233-13

2023-07-14；

2023-08-30.

王文金（1997-），男，云南曲靖人，助理工程师，硕士研究生，研究方向是光电材料。E-mail: wangwenjin211@163.com。

孔金丞（1979-），男，云南南华人，研究员级高级工程师，博士生导师，主要从事光电材料与器件研究。E-mail: kongjincheng@163.com。

基础加强计划技术领域项目（2019-JCJQ-JJ527）。