摘要
第三代红外探测器发展的一个重要方向是高工作温度探测器。对于碲镉汞n-on-p探测器而言，
碲镉汞红外探测器通常在低温甚至深低温条件下工作。而第三代红外探测器提出了“SWa
在碲镉汞体系中，高温器件的研究方面，国外开展相关工作的公司和团体主要有欧洲的Sofradir，AIM，Selex以及美国的DRS，Teledyne公司。其中通过n-on-p工艺路线研制的器件在工作温度为160 K时有着优异的性能，主要规格为中波640×512甚至更大的规模；通过p-on-n工艺路线研制的器件在工作温度220 K下仍有较好的性
在国内开展高温器件研究的单位主要有中国科学院上海技术物理研究所、昆明物理研究所、中电科11所以及武汉高德红外等。杨朝臣等人于2019年报道了高德红外公司基于 n-on-p技术的高温器件能在125 K下工
随着工作温度的升高，碲镉汞红外探测器的暗电流迅速增加，成为决定探测器性能的一个关键因素。为保证在更高工作温度条件下获得良好的探测器性能，国内外高温器件的研究大部分都围绕暗电流抑制方面展开。在碲镉汞n-on-p高温探测器方面，
本论文介绍了本课题组在碲镉汞n-on-p高工作温度器件方面所做的工作，由碲镉汞成结模拟器出发，模拟了
对需要在更高温度下工作的碲镉汞红外探测器而言，抑制暗电流是核心工作。本论文结合工艺仿真和器件仿真，对器件成结工艺和抑制表面漏电的钝化工艺进行了研究。
碲镉汞n-on-p器件要在更高的工作温度下具有较好的性能，对
图1 n+-
Fig. 1 The diagram of
在此研究中，以往的方法通常是通过多次实验来研究不同退火温度与退火时间所产生的推结效果，这种方法的研究及迭代速度较慢。而在本课题组的研究中，采用自行开发的成结模拟器首先进行成结模拟，随后获得具体的成结制备参数，从而加快了研究的效率。碲镉汞材料成结与传统硅材料不同，硼离子注入于碲镉汞材料之后是非电活性的，它的作用在于撞出晶格中的汞原子，形成汞填隙，随后在退火的过程中，汞填隙从损伤区内溢出向体内扩散，堙灭p型汞空位，显现出剩余施主
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| ， | (2) |
式中CI， CV， DI和DV分别是汞填隙与汞空位的浓度与扩散系数，是汞原子晶格位置的数量，kR和g分别代表了复合和产生率。结合边界条件，解
图2 不同温度结深推进结果
Fig. 2 Junction drive-in results under different temperature
通过成结模拟器获得结区掺杂浓度分布之后，将其代入器件模拟软件。根据扩散及漂移模型，建立电流连续性方程。由于高温工作器件采用的是
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式中q为电子电量，n为电子浓度，μn为电子迁移率，En为有效电场强度，Dn为电子扩散系数，在碲镉汞材料中，迁移率μn表达式为
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其中x为碲镉汞组分，T为温度，在获得迁移率表达式之后，可得到扩散系数Dn表达式：
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其中k为玻尔兹曼常数。由准费米能级与载流子浓度的关系可推导出有效电场强度En为
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可见电场强度与电势Ψ以及本征载流子浓度nie相关。因此在器件模拟软件中，开启式（
图3 高温结构不同温度暗电流与光电流模拟结果
Fig. 3 Simulated dark current under different temperature and light current of HOT structure device
由于碲镉汞材料是窄禁带半导体，其表面电荷状态极容易受到界面电荷的影响，从而形成载流子反型或积累的状态，造成界面处pn结性能退化，形成表面漏电，其暗电流急剧增
高温热处理可以使得CdTe/HgCdTe之间发生组分互扩
图4 组分梯度缓变钝化的能带结构
Fig. 4 The diagram of passivation structure with composition gradient
本课题组基于液相外延（LPE）生长的中波碲镉汞材料制备了能在更高温度下工作的红外焦平面器件。通过注入成结，注入后进行热处理形成
探测器芯片组分为0.307，阵列规模320×256，像元中心距30 μm。按照国标要求的条件和测试方法，对该器件进行了高工作温度下的参数表征，并在此基础上进行了成像演示。测试时黑体温度分别为293 K和308 K，积分时间18 ms。
该器件在80 K工作温度下的信号响应分布如
图5 80 K下的n-on-p中波碲镉汞焦平面器件性能直方图:（a）响应分布；（b）噪声等效温差分布
Fig. 5 Performance histogram of MWIR n-on-p HgCdTe focal plane arrays at 80 K: (a) histogram of response；(b) histogram of NETD
随着工作温度的升高，材料的理论截止波长变短，器件的响应减小。
图6 不同工作温度下器件的响应和噪声测试结果:（a）响应与光生电子计算数；（b）噪声
Fig. 6 response and noise result of the device at different operating temperature:(a) Response and photoelectrons calculation；(b) Noise
噪声等效温差（NETD）是探测器应用中一个重要的参数，用于表征探测器信噪比，由探测器的响应大小和器件噪声共同决定。在更高工作温度下，暗电流成为影响器件噪声的主要因素。以探测器反向偏置为200 mV时的器件漏电表征探测器暗电流，
图7 器件实测暗电流随工作温度的变化曲线
Fig. 7 Dark current graph of the device at different operating temperature
基于暗电流理论值，对不同工作温度下的器件理论NETD进行了计算。
图8 器件噪声等效温差随工作温度的变化曲线
Fig. 8 NETD graph of the device at different operating temperature
在较低工作温度下，器件暗电流远小于其光电流，不论是器件性能还是盲元率均不受暗电流的影响，因此低温下器件有效像元率较高，如
图9 器件有效像元率随工作温度的变化曲线
Fig. 9 Operability graph of the device at different operating temperature
使用该探测器在不同工作温度下进行了凝视成像演示，并对成像结果做了伪彩色处理，成像结果如
图10 320×256中波焦平面探测器在不同工作温度下的伪彩色成像图
Fig. 10 Image picture of 320×256 MWIR focal plane arrays at different operating temperature
高工作温度红外探测器可以有效地减小红外系统的尺寸、重量和成本，实现“SWa
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