中长波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，导致所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选。
据麦姆斯咨询报道，近期，昆明物理研究所研究团队在《红外与毫米波学报》期刊上发表了以“中长双色红外焦平面探测器组件技术研究”为主题的文章。该文章第一作者是耿松高级工程师，主要从事双色红外焦平面组件方面的研究。
该文章在（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。
器件结构设计及制备
中长波双色红外焦平面组件两个波段响应波长分别为3μm~5μm和7μm~10μm，中长波双色碲镉汞材料结构设计上，主要考虑以下几个方面因素：（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。对于中长波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。当吸收层厚度达到6μm以上时，综合吸收率超过93%。长波层厚度在7μm~8μm时即能保证光子充分吸收又能保证器件具备较高的量子效率。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7.0μm~7.5μm和1.0μm~1.2μm。
本文在国内外中长波双色碲镉汞材料结构基础上，采用半平面中长波双色像元结构实现双色芯片制备，单元剖面结构如图1所示。长波与中波P区公共引出电极位于芯片侧边，每个中长波双色芯片像元是由两个同向N-on-P光电二极管组成，分别制备在中长波双色碲镉汞材料的上层长波吸收层以及下层中波吸收层上，每个光电二极管都有一个金属引出电极，当红外辐射从背面入射到中长波双色芯片后，波长较短的中波辐射被下层中波碲镉汞吸收层吸收，光生载流子扩散至下电极，转变为中波的电信号；剩余的红外辐射继续传输，波长较长的长波辐射被上层长波碲镉汞吸收层吸收，产生对应的光生载流子扩散至上电极，转变为长波波段的电信号。基于该像元设计，中长波双色芯片像元的上、下两个光电二极管能够分别响应长波与中波两个波段的红外辐射，该结构的优点是双色芯片的中波与长波两个波段可独立工作，同时响应中波与长波信号且互不影响，达到同时积分、同时读出的效果，这对于实际应用是十分有利的。
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B⁺离子注入工艺实现中波与长波PN结制备，再采用钝化工艺完成钝化膜沉积、金属沉积工艺制备爬坡电极实现中波电极引出、沉积铟工艺制备互连铟柱，最后经过划片、倒装焊接、背减薄等工艺完成双色芯片与双色读出电路互连，实现双电极中长波双色器件芯片制备。
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，破坏芯片性能。本文采用电感耦合等离子体（ICP）刻蚀设备，对刻蚀工艺的温度、气体配比、工作气压等参数进行了优化，保证芯片较好的表面光洁度、台阶陡直度以及均匀性。
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的减小的碲镉汞表面损伤、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，从而改善芯片性能。本文采用低温、低损伤CdTe/ZnS复合钝化膜沉积技术，提高钝化膜层沉积到台面孔侧壁的几率，保证台面孔侧壁钝化膜的均匀性与台阶覆盖性。
本文设计了一款适用于中长波双色的640×512读出电路（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（DI）结构。中波与长波波段间的信号串扰抑制是中长波双色ROIC的设计重点之一，因此，为最大程度降低两个波段间的信号串扰，保证两个波段探测器的性能最优化，采用单个波段积分电容独立设计，每个波段单独对应一路输入信号链路的设计方式。ROIC的工作模式为先积分后读出（ITR）模式，两个波段的积分-读出方式为同时积分、同时读出。为满足不同波段信号对积分时间的差异需求，每个波段的积分时间单独可调，动态范围≥75dB，帧频≥100Hz，中波与长波电荷存储量总和达到47Me-。中长波双色读出电路采用标准0.18μm CMOS工艺进行加工，读出电路性能如表1所示。
表1 双色读出电路77K下的性能参数
器件性能表征
图2为中长波双色碲镉汞材料解离面各个膜层厚度的SEM测试结果，其中，最下层为碲锌镉衬底层，向上分别为中波吸收层、高阻层与长波吸收层，其厚度分别为6.76μm、1.13μm与7.19μm，与材料设计要求完全匹配。
如图3所示，表面宏观缺陷（2μm~10μm）密度统计分布约773cm⁻²，如图4所示；同时对材料进行了XRD双晶衍射半峰宽（FWHM）测试和位错腐蚀坑（EPD）统计，XRD测试FWHM均值为31.9arcsec，如图5所示，EPD约为5×10⁵cm⁻²左右。上述测试结果均表明中长波双色材料具备了较好的晶体质量。
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化，增大刻蚀偏压值提升离子对刻蚀残余物的物理轰击效果，提高Ar、CH₄、H₂等工艺气体电离率，获得适合双色芯片所要求的高深宽比台面刻蚀工艺，保证较低的刻蚀损伤的同时，将吸收层中少子扩散长度与器件量子效率影响最小化。主要优化方法如下，相关结果如图6所示：（1）降低基底温度；（2）优化工艺气体配比；（3）工作气压优化；（4）刻蚀功率优化。
图7是表面钝化后台面孔侧壁钝化膜效果，侧壁复合钝化膜层厚度分别为220nm与241nm，为评价台面侧壁钝化膜覆盖效果。当表面钝化膜厚度D为304nm，侧壁钝化膜厚度d约为220.4nm，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77K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8是中长波双色探测器组件光谱测试结果，按照50%截止波长判定，中波波段光谱响应范围为3.6μm~5.0μm，长波波波段光谱响应范围为7.4μm~9.7μm，中波向长波的串音为0.9%，长波向中波的串音为3.1%，这主要得益于材料生长时较厚的中波层厚度、同时积分同时读出双色器件芯片结构，以及低串音双色读出电路。
中长波双色组件主要电学性能测试结果见表2所示。其中，中波波段平均峰值探测率达到3.31×10¹¹cm·Hz¹/²/W，NETD为17.7mk，有效像元率达到99.46%；长波波段平均峰值探测率达到6.52×10¹⁰cm·Hz¹/²/W，NETD为32.8mk，有效像元率达到98.19%，已具备较好的光电性能。
表2 中长波双色组件性能测试结果
结论
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型中长波双色碲镉汞材料，材料表面宏观缺陷（2μm~10μm）密度统计分布约773cm⁻²，XRD双晶衍射半峰宽（FWHM）约31.9arcsec，EPD统计值约为5×10⁵cm⁻²左右。对双色器件芯片制备过程中的台面孔刻蚀、侧壁钝化等工艺进行了系统优化，台面刻蚀深度达到8μm以上，深宽比达到1:1以上，侧壁覆盖率达到72.5%，实现中长波双色芯片制备。设计了中长波双色读出电路，其动态范围达到75dB以上，帧频为100Hz，中波与长波电荷存储量总和达到47Me-。中长波双色器件芯片与设计的中长波双色读出电路通过倒装互连、杜瓦封装后，形成中长波双色红外焦平面组件，组件测试结果表明，中波波长响应范围为3.6μm~5.0μm，长波波长响应范围为7.4μm ~9.7μm，中波向长波的串音为0.9%，长波向中波的串音为3.1%，中波平均峰值探测率达到3.31×10¹¹cm·Hz¹/²/W，NETD为17.7mk；长波平均峰值探测率达到6.52×10¹⁰cm·Hz¹/²/W，NETD为32.8mk；中波有效像元率达到99.46%，长波有效像元率达到98.19%，初步实现中长波红外焦平面双色探测器组件研制。
这项研究获得国家科技重大专项的支持。
论文信息： http://journal.sitp.ac.cn/hwyhmb/hwyhmbcn/article/abstract/2022282
