摘要
As注入掺杂的p-on-n结构器件具有暗电流小、R0A值高、少子寿命长等优点，是长波、甚长波碲镉汞红外焦平面器件发展的重要趋势。介绍了由昆明物理研究所研究制备的77 K温度下截止波长为9.5 μm、10.1 μm和71 K下14.97 μm 的p-on-n长波、甚长波碲镉汞红外焦平面器件，对器件的响应率、NETD、暗电流及R0A等性能参数进行测试分析。测试结果表明，器件的有效像元率在99.78%~99.9%之间，器件的NETD均小于21 mK。实现了p-on-n长波、甚长波碲镉汞红外焦平面器件的有效制备。
红外探测器的工作机理是基于器件吸收红外辐射后产生的光电效应，红外辐射可以按波长分为短波，中波，长波，甚长
基于遥感探测、航天航空、军事、工业等领域的应用需求，以及碲镉汞材料的特殊性质，目前长波、甚长波碲镉汞红外焦平面器件的发展应用越来越广泛，更多关于长波、甚长波红外探测器的研究也越来越多。传统n-on-p结构中的汞空位的存在会导致深能级的产生，从而引入Shockley-Read复合中心，降低电子寿命，导致器件暗电流增加。而p-on-n结构以外部砷注入掺杂实现，主要以带间复合为主，并且采用低掺杂浓度的n型吸收区，增加了少数载流子（空穴）的寿命和扩散长度，有利于抑制俄歇复合引入的扩散电流，因此p-on-n结构器件暗电流较低，相比n-on-p结构，p-on-n结构器件的暗电流可降低2个数量级左右。另外p-on-n结构吸收层（n区）中多数载流子（电子）迁移率较高，有利于降低串行电阻；p-on-n结构采用外部掺杂，材料晶格结构稳定，受温度影响较小。即p-on-n结构长的少子寿命有利于实现低暗电流，提高R0A，降低串行电阻，可进一步提升探测器性能。
由于p-on-n结构具有少子寿命长、低暗电流、高迁移率等优点，在长波、甚长波器件、高温器件以及空间探测领域具有独特优势，是红外焦平面器件的重要发展方向。目前p-on-n结构的红外焦平面器件主要以美国Teledyne公司的双层异质结（double layer heterojunction，DLHJ）为基
到目前为止，国外已经有很多学者和研究机构针对p-on-n结构的碲镉汞红外探测器进行了大量研
碲镉汞红外焦平面器件基于p-on-n结构，焦平面规格为640×512，像元中心距为25 μm。碲镉汞材料通过富Te的LPE技术在CdZnTe衬底上生长得到，通过原位掺In实现吸收层的n型掺杂，掺杂浓度在5×1
红外焦平面器件的性能与探测器芯片及读出电路密切相关，在焦平面器件中，评价分析焦平面器件的特性参数有很多，主要包括响应率、噪声、有效像元率、NETD等。对响应率、探测率、NETD等参数的测试可采用两种不同温度黑体辐射条件下的电压响应测试，测试得到两个温度黑体辐射下的电压响应信号后通过计算得到相应的性能参数测试结果。
在进行红外焦平面器件性能测试时，需要对不同器件的测试系统进行参数设置，以使输出信号达到半阱要求，从而得到准确良好的测试结果，
通过配置好的测试系统对三个不同波长的焦平面器件进行性能测试，在293 K黑体辐射下测试了三个器件的VGpol-Vs数据，VGpol为偏置电压，测试输出电压信号Vs由读出电路积分得到，随后取平均值，测试结果如
图1 Set 1~Set 3三个器件的VGpol-Vs曲线
Fig. 1 VGpol-Vs curves of three devices in Set 1~Set 3
针对以上三个红外焦平面器件，在77 K（Set 1、Set 2）和71 K（Set 3）的工作温度下，通过焦平面测试系统，系统配置参数由
图2 Set 1~Set 3焦平面器件响应率（上）及盲元分布图（下）：Set 1 Set 2 Set 3
Fig. 2 Set 1~Set 3 focal plane device responsivity (top) and blind pixel distribution map (bottom)
由
噪声表征了探测器对微弱信号进行探测的能力，噪声越小，探测器能探测到最小信号也就越小，说明器件性能越好，探测能力强。焦平面器件工作过程中，产生噪声的因素较多，噪声信号对器件的干扰不容忽视。NETD是评价红外探测系统性能优劣的重要参数，它表示探测器的热灵敏度，NETD越小，热灵敏度越高。
为了分析器件探测微弱信号的能力，同时评估焦平面器件性能，对以上提到的三个焦平面器件Set 1~Set 3进行了噪声及NETD测试及计算，测试结果如
图3 Set 1~Set 3的噪声信号分布图（从左至右依次为Set 1~Set 3）
Fig. 3 The noise signal distribution diagram of Set 1~Set 3 (Set 1~Set 3 from left to right)
（a） Set 1
（b） Set 2
（c） Set 3
（d） Infrared image of Set 3
图4 Set 1~Set 3焦平面器件的NETD直方图及红外图像（Set 3）
Fig. 4 NETD histogram of focal plane devices in Set 1~Set 3 and Infrared image(Set 3)
R0A为光伏红外探测器零偏压时的动态电阻R0与光敏元面积A的乘积，该参数消除了光敏元的影响，适合作为红外探测器的优值因子进而对器件性能进行表征。R0A由
| (Ω·c | （1） |
J0为暗电流密度，A为有效像元面积，A定义为像元间距的平方，K为玻尔兹曼常数，T为器件工作温度，通过暗电流的测试结果可以计算出R0A值。在n-on-p结构的探测器中，汞空位缺陷引入大量复合中心，会导致辅助隧道电流及产生-复合电流增大，即器件暗电流增加。而砷注入的p-on-n结构器件，主要以带间复合为主，低浓度的n区易获得长的少数载流子寿命和扩散长度，同时俄歇复合引入的扩散电流得到抑制，暗电流主要以产生-复合电流为主，因此相比n-on-p结构，p-on-n结构器件的暗电流会更低，相应的R0A也会更高。
为了测试分析焦平面器件的暗电流及计算分析R0A值的大小，在77 K（Set 1、Set 2）和71 K（Set 3）的工作温度下，对以上三个焦平面器件进行暗电流测试，测试环境没有红外辐射的照射。三个器件的偏置电压均采用统一电压值，测试时主要改变不同器件的积分时间来获得稳定准确的信号输出，暗电流测试结果如
图5 不同工艺下R0A值与波长关系曲线
Fig. 5 The relationship between R0A product and wavelength under different processes
本文针对昆明物理研究所研发制备的三个不同截止波长的p-on-n长波、甚长波焦平面器件，对焦平面器件进行性能参数测试分析。由测试分析结果显示，器件表现出良好的pn结特性，且响应均匀。其中器件噪声在合理范围内，NETD满足器件应用需求；另外，针对不同波段的长波、甚长波焦平面器件，通过测试及计算均得到低的暗电流以及高的R0A，符合p-on-n结构优势特点，接近国际水平，其中截止波长为14.97 μm甚长波器件的R0A为1.46 Ω·c
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