碲鎘汞APD探測器可通過偏壓調節實現常規的被動熱成像和雪崩增益下的主動成像，這將為實現采用單個焦平面探測器的自對準系統提供了可能。利用主/被動雙模光學系統可方便實現被動成像和主動成像過程中的光路切換，可有效解決光路校準困難的問題。基于碲鎘汞APD探測器的新型主/被動雙模成像系統結構更簡潔，體積、重量、功耗以及成本將更簡化。

此外，碲鎘汞APD器件具有增益高、響應速度快以及過剩噪聲低等特點，特別適用于快速成像、主/被動雙模成像以及3D成像等應用，同時滿足全天時與全天候工作的需求，因此國際上主要從事紅外探測器研究和開發的機構均對碲鎘汞APD器件開展了廣泛地研究，并已獲得了令人矚目的技術進展。

近年來，國內的研究團隊也開展了碲鎘汞APD器件技術的研究，但從器件規模和性能等方面均與國外先進水平存在較大的差距。

據麥姆斯咨詢報道，近日，昆明物理研究所和華中科技大學的研究人員組成的團隊在《紅外與毫米波學報》期刊上發表了題為“碲鎘汞APD焦平面技術研究”的最新論文，基于液相外延（LPE）生長的中波碲鎘汞薄膜，采用B離子注入n-on-p平面結技術制備了像元中心距為30μm，陣列規模為256×256的APD焦平面探測器芯片，并在液氮溫度下對增益、暗電流以及過噪因子等器件性能指標進行了測試分析；此外，還對所研制的碲鎘汞APD焦平面探測器芯片進行了初步地成像演示。

器件制備

實驗采用LPE生長的碲鎘汞薄膜，材料Cd組分x～0.302，77K溫度下對應的響應截止波長為4.95μm。材料導電類型為P型，受主雜質為汞空位，空穴濃度2.5～5.0×101?cm?3。

碲鎘汞薄膜生長過程中采用低濃度銦摻雜作為材料的本底摻雜，銦的濃度為0.5～2.0×101?cm?3。通過B離子注入以及注入后的退火處理，使得離子注入產生的汞間隙原子向材料內部擴散的過程中與汞空位不斷復合還原至輕摻雜的本底濃度，實現具有雪崩倍增功能的N?層。

然后，通過歐姆接觸孔刻蝕和接觸電極成型完成了碲鎘汞APD探測器芯片的制備。焦平面單像元碲鎘汞APD器件結構如圖1所示。

圖1 單像元碲鎘汞APD器件結構示意圖

將所制備的面陣規模256×256，像元中心間距為30μm的碲鎘汞APD探測器芯片與專用的APD讀出電路通過銦柱倒裝互連實現了焦平面探測器芯片組。再對其進行下填膠、固化、背減薄去除襯底以及背增透膜沉積等完成了碲鎘汞APD焦平面芯片的制備，芯片實物圖如圖2所示。

圖2 碲鎘汞APD焦平面芯片實物照片

器件性能測試

將256×256（30μm）碲鎘汞APD焦平面探測器芯片封裝入中測杜瓦，冷屏F#數為2，液氮制冷到約77K后分別對著20℃和35℃的面源黑體，調節積分時間和探測器偏置對焦平面器件的基本性能進行了測試，并對其雪崩增益M和過噪因子F進行了分析。此外，在0°視場（0FOV）條件下對液氮溫度碲鎘汞APD焦平面器件的暗電流進行了測試分析。最后，在不同條件下對APD焦平面器件進行了初步地成像演示。

碲鎘汞APD焦平面雪崩增益

圖3則為-8.6V反偏下焦平面器件雪崩增益直方圖。器件增益分布呈現正態分布，雪崩增益均值為166.8，標準偏差5.56，增益非均勻性為3.33%，表現出較高的增益值和較好的均勻性。

圖3-8.6V反偏下碲鎘汞APD焦平面增益直方圖

圖4為碲鎘汞APD焦平面器件增益及其非均勻性隨偏壓的變化關系。器件增益隨偏壓指數增大，呈現出較理想的雪崩倍增現象。相應的增益非均勻性隨偏壓也出現了增加的趨勢。

圖477K下碲鎘汞APD焦平面增益及其非均勻性隨偏壓的變化關系

碲鎘汞APD焦平面暗電流

在0°視場（0FOV）條件下對封裝入中測杜瓦的碲鎘汞APD焦平面器件在液氮溫度下進行了暗電流測試。圖5為碲鎘汞APD焦平面器件平均暗電流隨偏壓的變化關系，器件暗電流隨偏壓呈指數增大。

圖5 77K下碲鎘汞APD焦平面暗電流隨偏壓的變化關系

圖6為碲鎘汞APD焦平面器件增益歸一化暗電流隨偏壓的變化關系。器件增益歸一化暗電流（GNDC）在9.0×10?1?~1.6×10?13A范圍內，與法國CEA/LETI的J. Rothman報道結果相當，表現出了較好的器件性能。

圖6 77K下碲鎘汞APD焦平面增益歸一化暗電流隨偏壓的變化關系

碲鎘汞APD焦平面過噪因子

APD器件由于載流子在倍增區碰撞電離的隨機性，使得增益隨時間發生漲落，導致信號被雪崩放大的同時，器件信噪比也將出現一定程度惡化。過噪因子F定義為器件輸入信/噪比和輸出信/噪比的比值，是APD器件過剩噪聲的量度。

圖7為碲鎘汞APD焦平面器件不同偏壓下的過噪因子。F介于1.0~1.5之間，較好地表現出了碲鎘汞APD器件因單載流子倍增機制而具有近無過剩噪聲的優異性能。

圖7 77K下碲鎘汞APD焦平面過噪因子隨偏壓變化關系

碲鎘汞APD焦平面成像演示

對封裝在液氮中測杜瓦的碲鎘汞APD焦平面器件前置中波鏡頭后進行了初步成像演示。在小偏壓下調節積分時間至約半阱，經過非均勻性校正和盲元替換，器件成像照片如圖8所示。人臉處的手掌印清晰可見，顯示出與常規中波紅外探測器相當的成像效果。

圖8碲鎘汞APD焦平面在-50mV反偏下成像演示

通過調節器件的偏壓可方便改變器件的增益。在相同的短積分時間20μs下，雪崩增益分別為1和19的器件成像照片如圖9所示。在相同積分時間下，信號的雪崩增益放大過程顯著提升了器件的成像效果。

圖9 20μs積分時間下不增益狀態碲鎘汞APD焦平面成像演示（a）M=1，Tint=20μs,（b）M=19，Tint=20μs

結論

本文采用LPE生長的中波碲鎘汞材料，通過B離子注入n-on-p平面結工藝制備了碲鎘汞APD探測器芯片，并與專用的APD讀出電路倒裝互連實現了碲鎘汞APD焦平面芯片的制備。將APD芯片封裝入中測杜瓦，在液氮溫度下對其增益、暗電流以及過噪因子等性能參數進行了測試分析，結果表明，所制備的碲鎘汞APD焦平面芯片在-8.5V反偏下平均增益達到166.8，增益非均勻性為3.33%；在0~-8.5V反向偏置下，APD器件增益歸一化暗電流為9.0×10?1?~1.6×10?13A，過噪因子F介于1.0~1.5之間。此外，對碲鎘汞APD焦平面進行了成像演示，在低偏壓下成像效果與常規器件類似，均具有較佳的成像效果；在相同短積分時間下，信號的雪崩增益放大過程顯著提升了器件的成像效果。

審核編輯：劉清