碲镉汞红外探测器的研究.docx

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碲镉汞红外探测器的研究

科技项目（课题）模拟申报书

班级：

学号：

课题负责人：

项目名称：

碲镉汞红外探测器的研究

指导老师：

申报时间：

电子专业科技方法训练

一、国内外与本项目有关的科学技术现状和发展趋势（包括计算机检索情况）：

碲镉汞（MCT）红外探测器是最重要的红外探测器之一。

目前，国内MCT红外探测器水平与国际先进水平还存在一定差距，难以满足我国红外技术发展的需要。

然而，由于红外领域的敏感性，国外对我国实行技术上的封锁，因此发展红外光电子材料和器件只能走独立自主的道路。

MCT器件的制作非常复杂，周期长且价格昂贵，这使得器件模拟技术成为器件发展的一个重要工具。

通过器件模拟技术，人们能知道是什么物理因素制约了探测器性能，从而改善器件性能。

它不仅减少了开发的费用，而且为提高产品的质量、可靠性和性能，为器件的优化提供了一种切实可行、省时省力的方法。

器件模拟技术已经成为MCT器件设计和制作中的一个重要过程。

随着红外技术的不断发展,先进的红外系统要求探测器具有更高的探测识别能力、具备双/多色同时探测能力、更加智能化,因此三代红外焦平面探测器的主要标志是:

双/多色探测、超大规模凝视面阵、低成本制备等。

其中,双/多色是三代器件的主要发展方向。

碲镉汞（HgCdTe,MCT）材料由于具有量子效率高、可高温工作、响应波长随组份变化连续可调、不同组分晶格常数变化不大等显著优点,成为三代红外焦平面探测器件发展的重点之一。

双色红外探测器是三代红外探测器发展方向之一,能对双波段辐射信息进行处理,大大提高了系统抗干扰和目标识别能力,应用于导弹预警、红外侦察、成像制导等多种领域。

国际上欧美等国家起步较早,焦平面结构以及数字化,而只有叠层式工艺才能实现这一目标,即单个像元能探测两个不同波段,当与先进的多色信息处理算法相结合时,双色红外探测器与单色探测器相比可以进一步提高探测灵敏度。

二、研究内容、方法和技术路线（包括工艺流程）：

为加快MCT器件的发展，缩短与国际先进水平的差距，建立与我国自身工艺条件下的材料器件水平相适应的器件模拟平台是十分必要的。

本论文正是以此为目的，致力于建立并应用适用于MCT器件模拟的解析模型和数值模型，对我国第二代和第三代探测器进行性能分析、优化和设计；其主要内容如下：

　　1.MCT光伏探测器的建模研究。

建立了适用于MCT器件的载流子浓度近似模型，将MCT材料的导带非抛物线性和载流子简并效应考虑到器件性能模拟当中；并利用解析模型研究了MCT材料的这两种特性对器件暗电流特性的影响。

　　2.同质MCT光伏探测器的电学性能分析。

建立了同质MCT长波探测器的暗特性分析方法，以及提取参数的误差分析方法；使用该方法不仅能分析影响器件性能的暗电流机制，还能提取器件的物理参数。

使用该方法对长波器件的变温性能进行了分析研究，获得了器件物理参数随温度的变化规律；并拟合提取了大量长波MCT器件的基本物理参数，获得了反映我所自身工艺条件下MCT器件物理参数值的统计性结果。

　　3.异质MCT光伏探测器的特性分析。

利用数值模型理论分析了MCT异质结的能带结构，研究了pn结与组分结相对位置以及界面电荷密度对器件能带结构的影响，并提出了能带结构的优化设计规律。

使用商用软件验证了自编一维数值程序的正确性；利用该程序定量计算了不同组分缓变长度的异质结器件的动态电阻和量子效率，进而得到组分缓变长度对器件性能的影响规律；对应最佳性能器件的组分缓变长度与能带结构优化设计的结果一致。

　　4.MCT光伏探测器的优化设计研究。

通过建立MCT材料参数库，将DESSIS软件应用于MCT器件模拟。

研究了器件吸收层厚度以及界面电荷对器件光响应的影响；理论上得到了吸收层最佳厚度值及降低界面电荷影响的途径。

研究设计了一种能够降低平面结型MCT焦平面阵列光串音的新型结构，在理论上验证了在平面结型MCT焦平面阵列上应用微透镜的可行性，提出了微透镜结构参数的设计思路。

对单元中波/中波双色探测器的优化设计进行了探索；并对国际上几种主流结构的双色探测器进行了理论模拟和优化设计，理论上获得了最优器件结构。

二代MCT探测器阵列技术在20世纪70年代后期开始发展起来,在以后的十年里达到了量产的阶段,第一个混成结构演示是在70年代中期,探测器与ROIC通过铟柱互连,这样的结构可以对探测器和ROIC单独进行优化、具有近乎100%的填充因子的优点;混成结构也可用环孔工艺制造,即在探测器制造前把探测器和ROIC芯片黏结在一起形成一个独立芯片,环孔是由离子铣刻蚀而成,这种结构提供了比倒装互连混成结构更加稳固的机械和热学特性。

在以上两种单色混成结构基础上,发展出了不同的双色探测器结构,由于单片式双色红外焦平面探测器可以避免使用分立阵列而存在的空间对准和时间寄存现象,同时大大简化了光学设计、减少了尺寸、质量和功耗并且降低了成本,欧美很多公司和研究机构对此作了大量的研究工作。

下面介绍几种比较典型的双色红外焦平面探测器阵列结构。

美国DRS公司在高密度垂直集成光电二极管（HDVIP）结构基础上发展了有自己特色的双色结构[3],如图3所示,是由纵向上两个单波段的HgCdTe单色焦平面芯片与双色SiROIC黏合而成。

同ROIC的接触是通过MCT刻蚀到硅上的一些通路而实现,二极管的n+/n-区通过刻蚀过程本身和随后的离子注入工艺形成。

已制作出间距为50μm的MW/MW和MW/LW红外320×240元焦平面阵列,由480×640元读出集成电路同时读出。

这种结构的双色探测器芯片各个波段的探测与单色红外焦平面完全一样,所以具有较好的性能德国AIM公司利用MCT液相外延技术,研制出了一种双色焦平面阵列探测器组件,这也说明了利用AIM公司确立的MCT液相外延技术来制作这种双色器件是可行的。

德国AIM公司在三层碲镉汞液相外延薄膜材料上,利用台面刻蚀工艺技术,将上层碲镉汞薄膜材料隔离成岛,露出下层碲镉汞薄膜材料,采用离子注入成结工艺,在两层材料上同时制备出p-n结（如图10所示）,再进行电极引出和倒装互连,研制出中波-中波双色192×192[7]。

由于液相外延技术存在的一些技术难点,在2003年以后德国AIM公司将双色探测器研制重点放在了量子阱和超晶格的研制上。

表1

各公司双色MCTIRFPA探测器性能参数表性能参数公司探测波段光敏元数像元尺寸/像元间距/μm×μm截止波段/μmNETD/mK有效像元/%器件工作温度/KSOFRADIR/LETIMW/MWSW/MW320×256间距30×303.2/5.21.0/3.015>99.977AIMMW/MW192×192间距56×563.4/4.04.2/5.0<30<25RVSMW/LW640×48020×205.5/10.520<25>98>9778MW/LW1280×72020×20DRSMW/LW320×240间距50×505.2/10.292397.196.3MW/MW320×240间距50×504.2/5.218.1899.499.677RockwellMW/MW128×12840×403.9/5.9BAEMW/LW64×64间距75×754.3/10.3SelexMW/LW640×512SW/MW320×256间距24×245.0/10.029.61.65/4.05<22>998090图10

德国AIM公司制备的双色MCTIRFPA截面示意图

BAE（英国、美国）系统公司采用MOCVD多层碲镉汞外延方法,利用微台面技术,设计和制造了图11所示的p-n-n-n-p型结构的双色64×64凝视型碲镉汞红外焦平面探测器[8],像元尺寸为75μm,截止波长为4.3μm和10.3μm。

英国Selex公司的双色探测器以中波-长波640×512、短波-中波320×256器件为主,已经成为货架产品向外提供。

三、项目主要技术经济指标、社会效益：

（一）技术指标：

双色MCT红外焦平面探测器关键制备技术1）双色MCT红外焦平面探测器材料生长技术最开始是用体晶生长技术来制备探测器材料,70年代初期发展起来的液相外延（LPE）技术在经过20多年才发展成熟,在90年代初替代了体晶生长技术成为MCT探测器制备的关键技术之一,用于一代和二代探测器大规模生产,但是LPE技术由于自身的一些特点（如工艺温度高等）不适合三代探测器所需各种先进结构的要求。

这些都为分子束外延（MBE）和金属有机物化物气相沉积（MOCVD）技术的发展提供了更大的舞台,这两种技术在80年代初期发展起来,由于MBE的Hg源特殊设计成功的克服了MOCVD在生长时Hg的低黏附系数[9],而且MBE的生长温度不到200℃,而MOCVD的生长温度高达350℃,在这种高温下Hg空位的形成使得其P型层的掺杂非常难于控制,因此目前MBE技术成为多色红外探测器结构多层材料生长的首选技术。

在MBE外延MCT衬底的选择上,主要的有CdZnTe,Si,Ge,GaAs,Sapphire,InSb等几种:

CdZnTe与MCT有好的晶格匹配但是也存在不足,如面积小、成本高、与硅ROIC之间大的热失配等,因此在超大规格FPA（1K×1K,2K×2K等）材料制备上CdZnTe就不适合作为衬底材料;Ge作为一种可供选择的衬底材料,主要是因为Si材料在外延前对氧化层的处理不易,其与硅有着近似的优点,才选择Ge作为衬底;Si与MCT晶格失配达到19%,所以在Si上外延MCT前要先外延CdTe等材料的复合衬底结构,尽管如此,但在FPA技术上Si衬底具有非常大的吸引力,这不仅是因为其成本低,而是因为与硅ROIC不存在热失配,这样可以制备更大规格的焦平面芯片,这种结构将具有很好的长时间热循环可靠性。

综合来看在更大规格FPA制备中,Si是目前MCT外延首选的衬底材料。

1、阶段目标：

1、2013年08月，完成各单元的实验研究

2、2013年09月，完成样机制作机软件设计

3、2013年10月，完成样机性能检测

2、最终目标：

提供实验数据，样机各种参数和能指导生产的图纸和工艺文件一套，以及整个传感器设计的指导书一份。

（二）经济指标：

预计材料费用约500万元，市场售价定在1—2千元，将受到各高校、研究所、陶瓷生产厂家的欢迎，有较明显的经济效益

（三）社会效益：

碲镉汞红外探测器对于工业自动化生产和过程控制对于化工产生有着至关重要的作用，对于全国各大化工厂等生产有着很大的促进作用，也给普通居民的生活带来了很大的便利，所以都有很大的社会效益。

四、项目（课题）计划进度（按年月详细填写）：

起止年月

计划要求

2013年07月

2002年08月

2003年09月

2003年10月

完成调研

完成个单元设计、数据处理方案等实验研究

完成样机的组装、调试、图纸资料等技术文件的编制

完成样机的性能测试及技术鉴定

五、现有人才、技术、物质基础条件（包括本课题做过哪些前期工作），现有仪器设

备、水电、燃料、材料、环保等条件：

本项目主要负责人电子技术具有浓厚的兴趣，掌握了扎实的专业基础知识和科研创新能力，对于本次项目的研究有着深厚的理论基础。

本项目的指导老师余石金教授是全国优秀教授，在我校有着很高的声誉，对传感器有着多年深厚的研究，有着多年的项目指导经验，为本次的项目研究提供了理论与技术的保证。

我院的机械电子工程学院对于各类探测器有着多方面的教学和科学技术研究，机电学院的实验室可提供各种实验设备，并可为本项目研究提供各种试验条件。

六、经费预算：

（一）经费的构成：

单位：

万元

三项经费

贷款

科技发展基金

其它

国家

省（市）科委

国家

省（市）

省科委

市科委

自筹

中国

江西

0.5

（二）经费年度计划：

2013年8月

2013年9月

2013年10月

1

1

0.5

（三）三项经费分项计划：

分项内容

经费额（万元）

备注

1、设备、仪器购置费

1

2、材料样品费

0.5

3、试验费

0.2

0.3

4、其他费用

0.5

5、合计

2.5

七、项目（课题）的承担单位及主要研究人员：

项目（课题）负责人

姓名

性别

年龄

为本课题工作时间（%）

在课题中分担的任务

所在单位

八、指导老师意见：

该同学在为期三周的科技方法训练过程中，认真查阅相关文献资料，并进行了有效地归纳与总结，最后形成《科技项目（课题）模拟申报书》。

本申报书填写格式规范，研究内容详实，研究进展安排合理，符合电子专业科技方法训练的要求。

（签名盖章）

年月日