长波HgCdTe红外探测器的暗电流机理研究进展

陈效双，许 娇，胡伟达，王 俊，陈勇国，黄 燕，周孝好，陆 卫



长波HgCdTe红外探测器的暗电流机理研究进展

陈效双，许 娇，胡伟达，王 俊，陈勇国，黄 燕，周孝好，陆 卫

（中国科学院上海技术物理研究所 红外物理国家重点实验室 上海 200083）

介绍了HgCdTe红外探测器的发展历程，详细分析了长波HgCdTe红外探测器的暗电流机制、采用同时拟合方法对暗电流参数进行提取与分析，介绍了为降低暗电流的一些新的研究进展。

长波HgCdTe红外探测器；暗电流；非线性同时拟合方法；混合表面钝化

0 引言

红外辐射是介于可见光和微波之间的电磁波，是不可见的一种辐射。红外探测器通过对目标的辐射或者反射红外电磁波进行探测，以目标光谱学特征为识别依据，经过光电转换过程将红外辐射转化成电信号进行测量[1]。红外探测器经历了第一代、第二代和长波红外成像系统3个阶段。现在的长波红外焦平面阵列正朝着高灵敏、宽谱段、高分辨率、低功耗、数字化的方向发展。

HgCdTe是HgTe和CdTe混合的赝二元系统。HgTe和CdTe的晶格常数很接近，分别为6.46Å和6.48Å，并且都具有闪锌矿结构，使它们能以任何配比形成连续固溶体(HgTe)1－(CdTe)赝二元系，即Hg1－CdTe混晶材料。通过调节组分，直接带隙半导体HgCdTe的禁带宽度可以从－0.3eV连续变化到1.6eV获得1～30mm的连续响应波长，覆盖整个红外波段。HgCdTe具有高的量子效率和长的载流子寿命并且HgCdTe探测器可在液氮温度下工作。同时，HgCdTe材料容易获得高低不同范围的载流子浓度，高的电子迁移率和低的介电常数。种种优点让HgCdTe材料可以被用于多种波段的探测器，成为了最理想的红外探测材料，具有无可替代的地位[2]。

随着红外探测技术的发展，HgCdTe红外探测器已经发展到长波了。第一代HgCdTe红外探测器为线列阵光导型，这种光导型器件容易获得低的噪声和低的阻抗，但是不能与Si读出电路直接耦合，需要高偏压才能工作，因而它的应用受到了很大的限制。第二代HgCdTe红外探测器为二维面阵光伏型，从结构上可分为平面结型和台面结型。这种光伏器件有适中的阻抗，能与Si读出电路直接耦合，工作一般不需要偏压，功耗较小，具有响应速度快、低频噪声低、易于大规模集成等一系列优点，有力促进了红外焦平面阵列探测器的蓬勃发展[3]。第二代焦平面技术推动了异质结器件工艺技术的发展，使得长波HgCdTe红外探测器应运而生。长波HgCdTe红外探测器具有更高的性能、更高的制冷分辨率、更高的非制冷成像能力和更低的成本。主要包括（甚）长波红外探测器、双色（多色）红外探测器、超光谱阵列探测器以及雪崩红外探测器。图1为p-on-n型双层异质结HgCdTe光伏型红外探测器示意图，图2为典型HgCdTe红外双色探测器结构示意图[4]。

然而目前长波红外探测器的暗电流研究存在很多问题。暗电流机理不清楚，由于背景光照的原因导致暗电流光电流不易区分，参数提取误差较大，暗电流极易受材料生长和器件工艺的影响等。又由于HgCdTe材料的性质及工艺的特殊性，较少的实验数据很难反应真实的HgCdTe探测器的性能，而且对于能带，电场分布等数据的采集以及动态电阻特别是零偏电阻的求取也很困难。所以需要建立适合于HgCdTe器件的理论分析模型，结合实际工艺平台，对真实器件的特性进行模拟分析，从中提取出控制器件性能的特征参数。对这些参数进行统计性分析，找出工艺条件对器件性能影响的规律，为其性能的优化提供理论依据和设计工具。本文讨论了暗电流的机制，采用同时拟合方法对暗电流进行参数的提取与分析，总结了长波HgCdTe红外探测器在暗电流方面新的研究进展。

1 暗电流模型

衡量器件性能的重要参数——优值因子0主要由暗电流决定，因此HgCdTe光伏器件的性能主要受到暗电流的制约。要提高器件的探测率，就必须降低器件的暗电流。因此研究暗电流特性，分析暗电流的形成机制和与材料参数的密切关系至关重要，是器件研制过程中必不可少的关键环节[5-6]。HgCdTe光伏探测器的暗电流是指在无光照的情况下，通过pn结的电流。产生暗电流的物理机制主要有扩散电流机制、产生复合电流机制、直接隧穿机制和陷阱辅助隧穿机制。图3为HgCdTe光伏器件的几种主要暗电流机制的物理过程示意图。

图1 p-on-n型双层异质结HgCdTe光伏型红外探测器的两种主要器件结构截面示意图

图2 典型HgCdTe红外双色探测器结构示意图

1.1 扩散机制电流

扩散机制电流diff是pn结发光二极管最基本的电流机制，它主要产生于空间电荷区两侧自由产生的热电子-空穴对在一个少子扩散长度内的浓度梯度下的扩散。在较高温度或较大正偏压下，扩散电流机制占主导。扩散机制电流的表达式可以写为[7-8]：

式中：a是p区的受主浓度；d是n区的施主浓度；n和p分别是中性区电子和空穴的寿命；n和p分别是电子与空穴的迁移率；d是外加电压；为pn结的结区面积。

1.2 产生复合机制电流

空间电荷区的缺陷和杂质可作为复合中心，是产生复合电流gr产生的原因。热平衡时，空间电荷区通过复合中心的载流子产生率等于复合率。当有外加偏压加在pn结上时，载流子的产生率与复合率失去平衡，形成复合机制电流。在空间电荷区的产生复合中心，在正向偏压情况下提供净的复合电流，反向偏压情况下提供净的产生电流。低温下，产生复合电流机制占主导。小正偏的情况下，扩散电流机制和产生复合电流机制一起成为暗电流产生的主要部分。产生复合机制电流的表达式可以写为[9]：

式中：t0是空间电荷载流子寿命；Vbi＝(kT/q) ln(NaNd/ni2)是内建电压；W0是零电压下的空间电荷宽度；耗尽区宽度为；e0是真空介电常数；es是相对介电常数；，其中；Et为陷阱能级；Ei为本征费米能级。

1.3 陷阱辅助隧穿机制电流

在反向偏压下，复合中心作为中介，电子先从价带隧穿到复合中心，再从复合中心隧穿到导带。形成陷阱辅助隧穿机制电流。在小反偏的情况下，陷阱辅助隧穿机制电流占主导地位。陷阱辅助隧穿电流的表达式可以写为[10-12]：

1.4 直接隧穿机制电流

在高的反偏电压下，电子从空间电荷区的价带直接隧穿到导带上，形成直接隧穿机制电流bbt，直接隧穿电流与禁带宽度g有很大的关联，禁带宽度越小，直接隧穿电流越明显。HgCdTe为窄带隙半导体，在高的反偏电压下，直接隧穿机制电流占主导地位。直接隧穿机制电流的表达式可以写为[13-16]：

式中：e*为电子有效质量；g为带隙；＝(bi－)/为耗尽区的电场。

1.5 表面漏电流

除了上述4种机制外，实际HgCdTe器件中还存在漏电流，漏电流形成的原因比较复杂，也没有完善的定量描述方法，一般情况下，仅采用简单的模型考虑漏电流[17]。

2 暗电流提取与分析

2.1 暗电流的参数提取

目前，典型的-或-特性分析采用基本的顺序拟合模式，来获得基本的器件特征参数[18-20]。即，根据不同偏压主导暗电流机制的不同，在该偏压范围内使用其对应的主导暗电流机制对-或-曲线进行拟合。然而，在很多偏压下，常常有不只一种的机制在同时主导着器件的暗电流。这使得仅仅采用顺序拟合模式所获得的拟合参数有较大的偏差。

考虑到大多数偏压下，都有多种暗电流机制同时起作用，来自中国科学院上海技术物理研究所的全知觉[21-22]建立了同时拟合模式的解析模型拟合方法，通过这个方法来对暗电流进行分析。又考虑到背景光的影响，实验得到的-曲线里有部分光电流，而微分处理后得到的-曲线是相同的，因而选择-曲线作为拟合对象进行拟合和参数提取研究。

以上4种暗电流机制对应的电阻为：diff，gr，bbt，tat。表面漏电流的机制比较复杂，对器件的的影响跟串联电阻一样，且在大的正向偏压时不可忽略，所以对动态电阻分析时，把表面漏电流对应的电阻考虑为器件的串联电阻。于是，总的动态电阻可以表示为：

对于HgCdTe光电二极管，需要拟合提取的参数主要有6个。它们是：n区掺杂浓度、d、p区电子迁移率与寿命之比n/n、空间电荷区有效寿命0、陷阱能级相对位置t/g和陷阱浓度t，以及串联电阻s。

2.2 HgCdTe探测器暗电流变温特性分析

中国科学技术大学的王俊[23]对As掺杂长波HgCdTe红外探测器的暗电流温度依赖特性进行了研究。通过以上所述的参数提取方法对实验中测得的-曲线进行了拟合，得到的结果如图4所示。

从图4中可以看出：在小的正向偏压时，动态电阻有随温度增高而减小的趋势，低温时diff为主导暗电流，高温时gr为主导暗电流；在反偏电压下，tat和bbt都随温度增加而增加。d随着温度的增加逐渐减小；p区少子寿命n和耗尽区载流子寿命0都随温度的增高而降低；硼离子注入成结的As掺杂长波n-on-p型HgCdTe器件的缺陷浓度t随温度增加而减小，同时随温度升高缺陷位置向深能级移动；t/g与串联电阻s随着温度的增加在减小。

3 新型HgCdTe红外探测器的进展

为了提高HgCdTe红外探测器的性能，最直接的办法就是降低暗电流或提高光电流。目前，HgCdTe中波和长波的量子效率已经在70%以上，光电流的提升空间不大。相比之下，通过降低暗电流，HgCdTe红外探测器的性能能提高几个数量级[24]。研究人员们纷纷寻找降低暗电流的方法，并取得了一定的研究成果。

3.1 具有n-on-p平面结的长波HgCdTe光伏探测器的模拟研究

中国科学院上海技术物理研究所的殷菲[25]对于砷掺杂n-on-p平面结的长波HgCdTe光伏器件，取41K、62K、82K、100K四个温度点的实验数据进行拟合。得到的拟合结果如图5所示。

得到结论：①在零偏压下，41K和62K时产生复合和陷阱主导暗电流，到82K和100K时，由扩散电流和产生复合电流主导暗电流。②在小正偏压下，低温41K时产生复合电流主导着暗电流。随温度升高，扩散电流增大，82K时由产生复合电流和扩散电流共同决定。到100K后，扩散电流比复合电流对暗电流的贡献更大。③在反向小偏压下，低温下暗电流逐渐转变为由产生复合电流和缺陷辅助隧穿电流决定，随着温度升高，扩散电流增大，温度升高到82K后，暗电流由扩散电流和产生复合电流共同决定，温度继续升高到100K后，暗电流变为由扩散电流主导。④当反向电压继续增加时，器件暗电流就主要受缺陷辅助隧穿电流限制。这说明砷掺杂长波器件的缺陷密度还是比较大，需要进一步消除缺陷密度。当反向偏压接近0.5V时，直接隧穿电流也开始起作用。

图5 砷掺杂n-on-p平面结的长波HgCdTe光伏器件的变温实验R-V曲线及其拟合结果

3.2 硅基HgCdTe光伏器件的暗电流特性分析

中国科学院上海技术物理研究所的殷菲[25]采用液相外延和分子束外延，在硅基复合衬底上生长汞空位掺杂的的p型HgCdTe。选取不同温度下的实验数据进行拟合。结果如图6所示。

LPE器件①在正偏压下，低温时产生复合电流主导着暗电流。随温度升高，扩散电流迅速增大，由产生复合电流和扩散电流共同决定。②零偏附近，60K时由陷阱辅助隧穿电流主导；80K时由陷阱辅助隧穿电流和产生复合电流共同决定，随着温度升高，产生复合电流贡献增大；到110K时由产生复合电流主导。③反偏时，由陷阱辅助隧穿电流主导着暗电流，看不到直接隧穿电流对暗电流的贡献。说明在Si基衬底上LPE生长的中波器件的缺陷密度还是比较大，需要进一步消除缺陷密度。

MBE器件①零偏附近，暗电流由产生复合电流和陷阱辅助隧穿电流共同决定。MBE器件在零偏附近，扩散电流也有所贡献。②在大反偏下，暗电流由直接隧穿电流和陷阱辅助隧穿电流共同决定；反偏电压小于0.5V时，由陷阱辅助隧穿电流主导。③正偏压下，暗电流由扩散电流主导。

3.3 烘烤对HgCdTe光伏器件的暗电流特性影响分析

中国科学院上海技术物理研究所的殷菲[25]，对制备的HgCdTe光电焦平面样品进行了3h 80℃的烘烤，随后7h 110℃的烘烤，并分在烘烤前和两次烘烤后测量得到77K时的暗电流特性的实验数据，通过拟合，图像表明经过3h 80℃的烘烤之后，产生复合电流下降，扩散电流有所增加，陷阱辅助隧穿电流和带到带隧穿电流并没有明显的变化。随后继续7h 110℃的烘烤之后，产生复合电流和扩散电流并没有明显的变化，陷阱辅助隧穿电流和带到带隧穿电流均有所下降。烘烤后，n区掺杂浓度d降低，陷阱能级t位置变高，陷阱浓度下降。

3.4 表面钝化对HgCdTe光伏器件的暗电流特性影响分析

中国科学院上海技术物理研究所的胡伟达、陈效双[26]等人在相同薄片上分别利用3种不同的钝化机制处理HgCdTe探测器件，对比暗电流值与动态电阻值来研究钝化机制对暗电流的影响。这3种钝化机制分别是：传统钝化机制、原位CdTe沉积和混合表面钝化（原位CdTe沉积和高密度氢等离子体改性）。

实验测得的暗电流值、动态电阻值如图7所示，同时拟合方法得到的特征参数如表1所示。

如图7所示，原位CdTe钝化机制的动态电阻的最大值比传统的增加了超过100%。混合表面钝化机制的动态电阻的最大值比传统的增加了超过200%。为了揭示不同钝化技术下暗电流的限制机制，用到了-同时拟合方法。提取的与辅助隧穿电流相关的特征参数的值呈现在表1中。

图7 三种钝化机制下测得的电流与动态电阻值。其中左坐标轴为电流值，右坐标轴为动态电阻值

由表1可知，原位CdTe钝化和混合表面钝化提取的特征参数比传统的钝化机制减少。通过原位CdTe钝化，浅陷阱能级变为了深陷阱能级。与原位CdTe钝化相比，混合表面钝化对于陷阱能级并没有太大的贡献。这说明，原位CdTe钝化能显著消除浅陷阱，而浅陷阱有助于产生TAT电流。然而，混合表面钝化减少了陷阱密度，是因为高密度的等离子改性能够钝化结构缺陷（例如螺型位错和失配位错）和处理损害（例如等离子体危害和热危害），由于不成熟的CdTe钝化技术，而这些危害存在于HgCdTe表面或CdTe层。所以，我们可以得出结论，对于HgCdTe长波红外探测器，原位CdTe钝化和氢等离子体有利于抑制陷阱辅助隧穿电流，特别是混合表面钝化。

表1 三种钝化机制下由同时拟合方法得到的特征参数值

4 总结

降低暗电流是提高HgCdTe红外探测器性能最有效的方式。在一般HgCdTe器件工作的温度点80K，零偏压附近主要的电流机制是陷阱辅助隧穿电流，产生复合电流，扩散电流和表面漏电流。要提高器件的水平，必须降低陷阱辅助隧穿电流、产生复合电流和表面漏电流对暗电流的贡献。因此，要降低器件的暗电流水平，提高材料少子寿命，改善表面钝化、降低表面复合速率以降低产生复合电流和表面漏电流；提高材料质量，降低pn结区的陷阱浓度，以降低陷阱辅助隧穿电流的贡献应该是主要的方向。

[1] 汤定元, 糜正瑜. 光电器件概论[M]. 上海:上海科学技术文献出版社, 1989: 298.

[2] Wang Jun, Chen Xiaoshuang, Hu Weida, et al. Temperature dependence characteristics of dark current for arsenic doped LWIR HgCdTe detectors[J]., 2013, 61: 157-161.

[3] Liang Jian, Hu Weida, Ye Zhenhua, et al. Improved performance of HgCdTe infrared detector focal plane arrays by modulating light field based on photonic crystal structure[J]., 2014, 115: 184504.

[4] Hu Weida, Ye Zhenhua, Liao Lei, et al. A 128×128 long-wavelength/ mid-wavelength two-color HgCdTe infrared focal plane array detector with ultra-low spectral crosstalk[J]., 2014, 39: 5130-5133.

[5] Wang Jun, Chen Xiao-Shuang, Hu Wei-Da, et al. Amorphous HgCdTe infrared photoconductive detector with high detectivity above 200 K[J]., 2011, 99: 113508.

[6] Hu W D, Chen X S, Ye Z H, et al. Polarity inversion and coupling of laser beam induced current in As-doped long-wavelength HgCdTe infrared detector pixel arrays: experiment and simulation[J]., 2012: 101: 181108.

[7] Gopal V, Gupta S, Bhan R K, et al. Modeling of dark characteristics of mercury cadmium telluride n＋p junctions[J].., 2003, 44: 143-152.

[8] Nemirovsky Y, Rosenfeld D, Adar R, et al. Tunneling and dark currents in HgCdTe photodiodes[J].., 1989(A7): 528-535.

[9] Akira Ajisawa, Naoki Oda. Improvement in HgCdTe diode characteristics by low temperature post-implantation annealing[J]., 1995, 24(9):1105-1111.

[10] Singh S K, Gopal V, Mehra R M. Relationship between deep levels and0product in HgCdTe diodes[J].., 2001, 9(4): 385-390.

[11] Gopal V, Singh S K, Mehra R M. Analysis of dark current contributions in mercury cadmium telluride junction diodes[J].., 2002, 43: 317-326.

[12] 胡锐, 邓功荣, 张卫锋, 等. nBn型InAs/GaSb Ⅱ类超晶格红外探测器光电特性研究[J]. 红外技术, 2014, 36(11):863-867.

[13] 史衍丽. 第三代红外探测器的发展与选择[J]. 红外技术, 2013, 35(1): 1-8.

[14] Nguyen T, Musca C A, Dell J M, et al. Dark current in long wavelength infrared HgCdTe gated photodiodes[J]., 2004, 33: 621-629.

[15] Gumenjuk-Sichevskaya J V, Sizov F F. Currents in narrow-gap photodiodes[J].., 1999, 14(12): 1124-1131.

[16] Blanks D K, Beck J D, Kinch M A, et al. Band-to-band tunnel processes in HgCdTe: Comparison of experimental and theoretical studies[J].., 1988(A6): 2790-2794.

[17] 陈勇国. 碲镉汞光伏探测器光电性质研究[D]. 上海: 中国科学院上海技术物理研究所, 2012.

[18] 史衍丽, 胡锐, 张卫锋, 等. InGaAs固体微光器件研究进展[J]. 红外技术, 2014, 36(2): 81-88.

[19] Gilmore A S, James Bangs, Amanda Gerrish, et al. Current voltage modeling of current limiting mechanisms in HgCdTe Focal Plane Array photodetector [J]., 2005, 34: 913-921.

[20] Gilmore A S, Bangs J, Gerrish A. VLWIR HgCdTe detector current-voltage analysis[J]., 2006, 35: 1403-1410.

[21] 全知觉. 碲镉汞红外探测器的性能分析研究[D]. 上海: 中科院上海技术物理研究所, 2007.

[22] Quan Z J, Li Z F, Hu W D, et al. Parameter determination from resistance-voltage curve for long-wavelength HgCdTe photodiode [J]., 2006, 100: 084503.

[23] 王俊.碲镉汞红外探测器光电响应特性的机理研究[D]. 合肥: 中国科学技术大学, 2012.

[24] Hu W D, Chen X S, Yin F, et al. Analysis of temperature dependence of dark current mechanisms for long-wavelength HgCdTe photovoltaic infrared detectors [J]., 2009, 105: 104502.

[25] 殷菲. 碲镉汞红外探测功能结构的光电性能研究[D]. 上海: 中国科学院上海技术物理研究所, 2010.

[26] Hu W D, Chen X S, Ye Z H, et al. A hybrid surface passivation on HgCdTe long wave infrared detector with in-situ CdTe deposition and high-density Hydrogen plasma modification[J]., 2011, 99: 091101.

Research Progresses on Dark Current Mechanisms of Long-wavelength HgCdTe Infrared Detectors

CHEN Xiao-shuang，XU Jiao，HU Wei-da，WANG Jun，CHEN Yong-guo，HUANG Yan，ZHOU Xiao-hao，LU Wei

(,200083,)

The dark current mechanism of HgCdTe long-wavelength infrared（LWIR）detectors is analyzed in detail. Simultaneous-mode nonlinear fitting method is proposed to extract and analyze the parameters from the experimental dark current curves. This paper presents a comprehensive review of research background and fundamental issues of HgCdTe LWIR detectors, as well as some recent progresses in the suppression of the dark current.

long-wavelength MCT infrared detector，dark current，simultaneous-mode nonlinear fitting method，hybrid surface passivation

TN215

A

1001-8891(2015)05-0353-08

2015-05-10.

陈效双，中国科学院上海技术物理研究所，研究员。

国家自然科学基金重大项目，编号：61290301。