摘要
在（211）B碲锌镉衬底上，采用分子束外延生长制备了PPP型中长双色碲镉汞材料，通过台面孔刻蚀、侧壁钝化等工艺，实现中长双色640×512 红外焦平面探测器组件研制。中长双色碲镉汞材料测试结果表明，表面宏观缺陷（2~10 μm）密度统计分布约773 c
中长双色红外焦平面探测器是典型的第三代红外器件产品，可同时获取目标在中波与长波两个红外波段的辐射信息，相较于单色红外探测器，具有探测波段范围宽、特征信息丰富、抗干扰能力强等优点，是红外探测与红外成像领域的热
目前，中长双色红外探测的材料主要包括碲镉汞（HgCdTe）、Ⅱ类超晶格与量子阱等，其中，量子阱材料因受限于其子带间跃迁的工作方式，只能选择性吸收部分入射光，量子效率较低；Ⅱ类超晶格材料具有较好的均匀性，但材料生长时较难同时满足厚吸收层与低表面缺陷密度的要求，导致制备的双色芯片量子效率低、串音偏大；碲镉汞材料作为成熟的双色红外材料，具有量子效率高、缺陷密度低、串音小、波段覆盖广等优点，是第三代双色红外探测器的首
本文在（211）B碲锌镉（CZT）衬底上，采用分子束外延（MBE）技术生长了P-P-P结构中/长波双色碲镉汞薄膜材料；通过台面孔刻蚀、侧壁钝化、离子注入、爬坡电极制备等双色芯片加工工艺，获得了中/长波双色640×512 红外焦平面芯片；通过倒装互连、背减薄、杜瓦封装后，获得了中/长波双色探测器组件，完成组件光电性能系统表征，并演示了640×512规模中/长波双色红外焦平面组件成像效果。
中/长波双色红外焦平面组件两个波段响应波长分别为3~5 μm和7~10 μm，中/长波双色碲镉汞材料结构设计上，主要考虑以下几个因素：（1）光谱串音的抑制；（2）器件的量子效率；（3）器件制备工艺难度。针对光谱串音的抑制，主要通过增大中波吸收层厚度和两个波段之间插入一定厚度的高组分势垒层来实现。碲镉汞材料的本征吸收系数α与材料组分x、工作温度T和入射光子能量E相关：
| , | （1） |
式中，， 。
光子吸收率A_e与吸收层厚度d之间满足如下关系：
| . | （2） |
对于中长双色材料中的中波层，通过增大吸收层厚度可以保证入射光子的充分吸收，从而降低器件的光谱串音。
图1 中波光子吸收率与吸收层厚度的关系
Fig. 1 Relationship of medium wave photon absorptivity and absorption layer thickness
对于背照射器件，器件的量子效率η与吸收层厚度Lh之间满足如下关系：
| . | （3） |
计算可得中/长波双色器件量子效率与吸收层厚度之间的关系如
图2 长波量子效率与吸收厚度的关系
Fig. 2 Relationship of long wave quantum efficiency and absorption thickness
同时，为了防止中波光生载流子输运到长波层，需要在两个波段之间插入一定组分的阻挡层形成一个较高的势垒。势垒的高度设定需要保证高于工作温度下的热电子激发能。计算表明势垒层组分x≥0.36时已经完全可以忽略中波光生载流子向长波层的输运，结合后续器件台面孔刻蚀、侧壁钝化等工艺实施考虑，长波层厚度和势垒层厚度设定分别为7.0~7.5 μm和1.0~1.2 μm。
中/长波双色碲镉汞材料的生长基于MBE 32P分子束外延系统进行，采用（211）B碲锌镉衬底，衬底首先通过机械抛光、化学抛光与机械化学抛光工艺进行表面处理，然后采用铟粘结在钼盘上，并通过钼盘背部热电偶接触式测温的方法进行PID温度控制，实现高精度生长温度控制。衬底由装载腔室传入生长腔室，经高温脱氧后，在180 ℃左右进行中/长波双色碲镉汞薄膜生长，脱氧及生长过程根据RHEED线条的变化来监控。中/长波双色碲镉汞材料生长结束后，将采用金相显微镜、傅里叶变换光谱仪、X射线衍射仪、扫描电子显微镜等检测设备对薄膜进行表面宏观缺陷统计、红外透过测试、双晶迪摆曲线半峰宽（FWHM）测试及材料截面测量。中/长波双色碲镉汞材料生长过程研究及“燕尾”状缺陷研究可参见前期相关报
芯片像元设计是中/长波双色芯片制备的基础，本文在国内外中/长波双色碲镉汞材料结构基础
图3 中/长波双色芯片单元结构剖面
Fig. 3 Cross-section schematic of MW/LW two-band HgCdTe infrared detector
根据上述的中/长波双色芯片工艺路线，本文为实现中/长波双色芯片研制，对其中的关键工艺进行了针对性优化。为实现长波波段较高的量子效率，需要尽量提高长波像元占空比，减小长波层台面孔直径；但与之相反，为提高中波波段占空比，则需要尽量增大台面孔直径，进而保证较大的注入面积，这与长波波段占空比存在一定的矛盾，在双色像元设计中，一般要求台面孔直径应为像元间距的1/3~1/2，此时长波波段占空比可达到75%~88.9%左右，而中波波段在扩散长度影响下，占空比最高可达到90%以上。
台面孔底部是经过刻蚀后露出的下层中波层区域，在此情况下，台面孔将被限制在一个非常狭小的面积，这对中波波段的
为实现中/长波双色芯片制备，必须采用刻蚀工艺制备台面孔，贯穿上层长波层与中间的阻挡层，使中波层处于可加工状态，然后利用
芯片制备过程中，最为关键的是台面孔刻蚀与表面钝化工艺。台面孔刻蚀过程中，由于碲镉汞材料存在损伤阈值小、缺陷密度大等特点，台面孔刻蚀过程中极易产生Hg-Te键断裂，导致材料受到损伤发生表面反型，在芯片像元表面处产生一个反向的寄生二极管，破坏芯片性
表面钝化对于碲镉汞红外器件的性能具有很大影响，尤其是中/长波双色碲镉汞材料，表面效应很大程度上决定了碲镉汞红外焦平面探测器的性能，良好的钝化工艺可以有效地减小碲镉汞表面损伤、减少器件表面的界面态、降低器件表面漏电流、降低器件表面复合速度和1/f噪声、提高探测器动态电阻和反向击穿电压，从而改善芯片性
该实验设计了一款适用于中/长波双色的640×512读出电路（Readout Integrated Circuit， ROIC）。两个波段的输入级均采用适用于中波与长波波段的直接注入（Direct Injection， DI）结构，输入级电路结构如
图4 双色读出电路输入级电路原理图
Fig. 4 Schematic of the input stage of the dual-band ROIC
图5 积分-读出时序图
Fig. 5 Timing schedule of integration and readout
中/长波双色读出电路采用标准0.18 μm CMOS工艺进行加工，读出电路性能如
| 项目 | 技术指标 |
|---|---|
| 阵列规模 | 640×512 |
| 输入级电路 | 双DI |
| 动态范围/dB | ≥75 dB |
| 最大读出速率/MHz | ≥10 |
| 工作模式 | ITR |
|
电荷存储能力/M | 47 |
图6 MBE中长波双色碲镉汞薄膜SEM 图像
Fig.6 SEM characterization of MW/LW dual-band HgCdTe grown by MBE
利用金相显微镜观察材料的表面，放大倍数为1 000倍，并选取了9个视场对材料位错腐蚀坑（EPD）进行统计；材料表面形貌良好，交叉线（crosshatch）明显，如
图7 中/长波双色碲镉汞材料表面形貌相
Fig. 7 Surface morphology of MW/LW dual-band HgCdTe film
图8 中波/长波双色碲镉汞材料EPD测试结果（1000信）
Fig. 8 EDP of MW/LW dual-band HgCdTe film （1000信）
图9 中/长波双色碲镉汞材料XRD测试结果
Fig. 9 XRD characterization results of MW/LW dual-band HgCdTe film
中/长波双色芯片台面刻蚀工艺主要通过对刻蚀温度、气体配比、工作压力、工作气压、刻蚀功率等工艺参数进行优
（1）降低基底温度
在刻蚀过程中，碲镉汞基底的温度会随着刻蚀时间的增加而升高，而碲镉汞材料本身对温度较为敏感，工作台面温度较高时，化学反应较快，刻蚀生成的反应物挥发速率小于沉积速率，容易造成刻蚀生成物的再次沉积，如
图10 台面孔ICP刻蚀效果(a)高刻蚀温度，(b)工艺气体配比失衡，(c)高工作压力，（d）低刻蚀功率，（e）刻蚀工艺优化后，（f）台面孔截面情况
Fig. 10 The ICP etching effect of the mesa-hole (a) high etching temperature,(b) the ratio of process gas is out of balance,(c)high etching pressure,(d)low etching power,(e)after improvement of the etching process, (f)cross-section schematic of the mesa-hole
（2）优化工艺气体配比
调整Ar、CH4、H2等工艺气体配比，可有效提高刻蚀工艺对碲镉汞选择性，进而影响干法刻蚀的刻蚀速率、刻蚀的宽深比、刻蚀的表面粗糙度、刻蚀的选择比、均匀性等方面，当工艺气体配比不当时，极易形成沉积物，而合适的气体配比可有效消除深台面刻蚀工艺中产生的残留物与聚合物，典型的工艺气体配比失衡时的刻蚀效果见
（3）工作气压优化
不同气压大小关系到等离子体密度的高低以及离子运动的平均自由程，从而影响等离子体刻蚀生成物的挥发效果，最终影响刻蚀表面质量及侧壁陡直度，当腔体工作压力过高时，会有大量刻蚀生成物在解析后重新沉积在刻蚀表面，形成刻蚀沉积物，见
（4）刻蚀功率优化
刻蚀功率参数直接决定台面孔刻蚀形貌，当刻蚀功率较大时，等离子体密度更高、能量更大，对碲镉汞材料的物理轰击作用较强，能够为基团和化学反应过程提供能量，此时获得的台面孔侧壁通常比较陡直、残余物较少，但对碲镉汞损伤较大、表面粗糙度不理想；当刻蚀功率较小时，物理轰击作用减弱，化学反应占主导，能够有效降低刻蚀损伤与表面粗糙度，但过小的刻蚀功率也容易引起刻蚀生成物的堆积，见
台面孔刻蚀优化后，利用扫描电子显微镜（SEM）对台面孔刻蚀结果进行了测试。
| η=d/D×100% , | （4） |
其中d为侧壁钝化膜厚度，D为表面钝化膜厚度。
图11 台面孔侧壁钝化效果
Fig. 11 Sidewall passivation effect of the mesa-hole
当表面钝化膜厚度D为304 nm，侧壁钝化膜厚度d约为220.4 nm，该芯片侧壁覆盖率η可达到72.5%。
将中/长波双色器件芯片封装进金属微杜瓦，配接斯特林制冷机形成探测器组件，降温至77 K后，通过傅里叶光谱仪及焦平面测试系统测试了探测器组件光电性能。
图12 中波和长波相对光谱响应
Fig. 12 The relative spectral response between MW and LW
中/长波双色组件主要电学性能测试结果见
| 参数 | 平均峰值探测率 /（cm·H | 响应率非均匀性 | NETD/mK | 有效像元率 |
|---|---|---|---|---|
| 长波 |
6.52×1 | 7.25% | 32.8 | 98.19% |
| 中波 |
3.31×1 | 6.42% | 17.7 | 99.46% |
（a）
（b）
图13 中长双色组件中测试结果（a）中波响应信号图,（b）长波响应信号图
Fig.13 Test results of the MW/LW dual-bands HgCdTe FPA (a) response signal map of MW,(b) response signal map of LW
基于（211）B碲锌镉衬底，采用分子束外延生长制备了高质量PPP型中长双色碲镉汞材料，材料表面宏观缺陷（2~10 μm）密度统计分布约773 c
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