1 引言

碲镉汞(HgCdTe)红外探测器^[1-3]具有量子效率高、波长覆盖范围广和响应率高等特点,广泛应用于航空、勘探、**等红外光电成像领域。调制传递函数(MTF)能够真实地反映出红外探测器的空间分辨率和成像质量的优劣,可表示频率域中信号频率分量经过光学成像系统后在空间截止频率范围内的衰减程度。MTF已经逐渐成为衡量红外探测器成像性能的重要指标。串音^[3-4]是造成探测器MTF值减小的主要原因之一。由载流子横向扩散/漂移到相邻光敏元形成的串音,会使探测器的MTF值减小、成像质量退化。而串音与器件的结构关联紧密,合理的结构设计可以有效减小电学串音的干扰。针对HgCdTe红外探测器设计了一种环绕像元的金属框结构,以对串音进行抑制,并将所设计结构与无金属框结构进行MTF测试及对比分析。MTF测试实验表明,含金属框结构的探测器能够有效抑制电学串音。

2 金属框器件结构

串音主要由光学串音和电学串音组成,其中主要成分是电学串音。串音的存在会使红外器件的MTF值减小。串音表现为:在器件内,当某个特定光敏元被入射光照射时,与之相邻的未被照射的光敏元有电信号输出。串音的本质是光照射产生的光生载流子横向扩散到相邻的光敏元区域,并被相邻像元吸收。针对光生载流子的横向扩散,设计了一种光敏元加金属框的结构^[5-6],以对横向扩散载流子进行有效吸收。相隔离的像元可减小光生载流子的横向扩散和电学串音的干扰。器件俯视结构如图1所示。

图 1. 器件俯视图。(a)无金属框结构;(b)有金属框结构

Fig. 1. Top views of devices. (a) Without metal frame; (b) with metal frame

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如图1所示,所采用的两种结构的器件均为由液相外延法生长非本征P型HgCdTe通过离子注入形成的背照式N-on-P型结构。器件的制备步骤为:1)清洗和腐蚀材料表面,再生长硫化锌(ZnS)阻挡层以减小材料表面损伤;2)经过光刻后在材料表面形成图形,在图形区域进行离子注入,以形成结区,该过程主要是将B⁺离子注入到P型材料使其表面反型,从而形成N-on-P平面结;3)经过ZnS和碲化镉(CdTe)的双层钝化工艺、金属电极的制备和铟柱与读出电路的互联,完成器件的制备。图1(a)为无金属框结构,图1(b)中的黑色框为设计的金属框结构,其环绕在像元四周并连接到电路公共电极端,起到像元隔离及吸收载流子的作用。两种器件的剖面图如图2所示。

图 2. 器件剖面图。(a)无金属框结构;(b)有金属框结构

Fig. 2. Cross-sectional drawing of devices. (a) Without metal frame; (b) with metal frame

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如图2所示,2种结构均是由3种材料在碲锌镉(CdZnTe)衬底^[7]上生成的。前2层分别是厚度为2.2×10^-7 m的ZnS钝化层和厚度为1.2×10^-7 m的CdTe钝化层,第3层由厚度为1 μm的N-HgCdTe和厚度为7 μm的P-HgCdTe组成,第4层是厚度为350 μm的CdZnTe衬底。PN结区的大小为28 μm×28 μm。金属框结构的PN结边缘距金属框的距离为9 μm,金属框宽度为10 μm,且金属框与电路公共电极连接。如图2(a)所示,入射光产生的光生载流子会被距离较近的PN结所吸收,但是在横向扩散效应下,在某光敏元附近产生的部分光生载流子会通过横向扩散被其相邻的光敏元吸收,这种电学串音的现象造成了器件MTF值的减小。为了有效抑制电学串音的干扰,如图2(b)所示,在器件光敏元四周采用金属框的环绕结构,此时横向扩散的部分光生载流子会被位于2个相邻像元中间的金属框所吸收,从而有效地减少了横向漂移到相邻像元的载流子数目,起到了抑制电学串音的作用。

3 实验结果与分析

3.1 测试条件及器件非均匀性测试

选用两款背照式中波线列HgCdTe红外探测器。两款器件的结构分别为有金属框结构和无金属框结构。像元尺寸为28 μm×28 μm,像元中心间距为56 μm,探测器的响应截止波长为4.6 μm。像元规格为512×1,成一字型排列。测试使用了焦距为120 mm、F数为2的中波红外镜头。测试系统采用以色列CI系统公司的平行光管进行靶标辐射,光源采用800 ℃黑体,靶标为半月型刀口。将探测器封装在杜瓦中,并将其安装在三维移动平台上。数据采集部分使用美国国家仪器公司的数据采集卡,采用Labview编程实现对数据的显示及处理。参考GB/T 17444-2013对两款不同结构的器件进行响应率的非均匀性计算。响应率的非均匀性可表示为

NUR=1R-1MN-(d+h)∑i=1M∑j=1NR(i,j)-R-]2×100%,(1)

式中M为像元的总行数;N为像元的总列数;d为无响应的盲元;h为过热像元; R-为除去盲元后的平均响应率;R(i,j)为像元响应率,可表示为

R(i,j)=Vs(i,j)P,(2)

式中V_s(i,j)为像元响应电压;P为在黑体温度分别为T和T₀辐照条件下,入射到像元的辐照功率差值,其计算公式为

P=σ(T4-T04)AD4(L/D)2+n,(3)

式中σ为Stefan常数,D为面源黑体的冷屏圆孔径,A_D为焦平面像元面积,L为冷屏孔面至焦平面像元之间的垂直距离,n取1或0。

经计算可得,有、无金属框结构响应率的非均匀性分别为8.12%和11.64%。金属框结构将光敏元的吸收区域限制在金属框包围的范围之内,使得各像元的响应均匀性较无金属框结构有较为明显的提升。

3.2 MTF测试结果及分析

对上述2种结构的HgCdTe红外探测器分别使用倾斜刃边法^[8-10]进行MTF测试。首先使用粗调旋钮使器件对从平行光管出来的靶标图像产生响应,再微调聚焦旋钮使输出值最大时探测器处于镜头焦面上,继续调节探测器的响应位置,寻找刀口刃边位置,直到出现所需阶跃曲线并采集100帧数据。两种结构的边缘扩散函数(ESF)曲线如图3所示。

图 3. 器件的ESF曲线图。(a)无金属框结构;(b)有金属框结构

Fig. 3. ESF curves of devices. (a) Without metal frame; (b) with metal frame

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在测试器件的MTF之前,使用两点矫正法对两种器件进行矫正。如图3(a)所示,无金属框结构的ESF曲线的底部和顶部上升处变化较为缓慢,呈现出的刃边曲线与图3(b)中曲线相比明显不够锐利,这是由于无金属框结构器件的像元响应一致性比金属框结构的差,并且无金属框结构器件的像元受到的串音干扰较为明显。通过对比可以发现,金属框结构对来自相邻像元区域的横向扩散载流子有明显的吸收作用。在曲线拟合时,采用与ESF曲线形状相似的3个费密函数^[11]进行拟合,拟合公式为

F(x)=D+∑i=02aiexp[(x-bi)/ci]+1,(4)

式中a_i、b_i、c_i、D都为常量。对ESF曲线进行有限微分,得到线扩散函数(LSF)曲线的表达式为

fLSF=dF(x)dx=∑i=02aiexp[(x-bi)/ci]ci{exp[(x-bi)/ci]+1}2。(5)

LSF曲线如图4所示。MTF曲线^[12-13]如图5所示,MTF曲线是通过求取LSF傅里叶变换的模值得到的^[14]。为了得到更加准确的器件MTF值,在傅里叶变换过程中仅对信号采取加方窗计算。

图 4. 器件的LSF曲线图。(a)无金属框结构;(b)有金属框结构

Fig. 4. LSF curves of devices. (a) Without metal frame; (b) with metal frame

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图 5. 无金属框结构和有金属框结构探测器的MTF曲线

Fig. 5. MTF curves of detectors without and with metal frame structure

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已知测试所用的红外中波镜头在器件Nyquist频率处的MTF值约为0.8,计算时需将所测量的MTF值除去镜头的MTF值,对两种结构分别在293,303,308 K的黑体温度下进行测试,其MTF曲线如图5所示。根据56 μm的像元中心距,可计算出像元空间截止频率为17.8 lp·mm^-1,对应的Nyquist频率为8.9 lp·mm^-1。从MTF曲线的空间频率坐标可以看出,有金属框结构的器件的MTF值在整个频率范围内明显高于无金属框结构的器件。测试表明:3个不同黑体辐射温度下的MTF值的重复性较高,器件MTF值随温度的升高几乎不变;有金属框结构的器件在Nyquist频率处的MTF值为0.32 lp·mm^-1,除去镜头的MTF值后约为0.4 lp·mm^-1;无金属框结构的器件在Nyquist处的频率约为0.18 lp·mm^-1,除去镜头的MTF值后约为0.23 lp·mm^-1;通过对比可得金属框结构对于器件的MTF数值提升较为明显。由MTF值可以看出,无金属框结构的器件受到电学串音的影响较为明显。当引入金属框结构后,由器件空间区域及相邻像元处产生的部分横向扩散载流子会被金属框吸收,这不仅使得电学串音被有效抑制,还将光敏元的有效吸收区域限制在一定的范围之内,提高了器件像元响应的一致性。测试结果表明金属框结构设计对于提高红外探测器的MTF值效果明显。

4 结论

MTF是HgCdTe红外探测器的一项重要指标,串音是造成探测器MTF性能退化的重要因素之一。针对如何有效减小电学串音对器件MTF值的影响,引入一种金属框结构。金属框结构将光敏元有效吸收区域限制在一定的范围内,能够吸收来自于相邻像元的部分横向扩散载流子,在减小电学串音干扰的同时也有效提高了像元的响应均匀性。将无金属框结构与有金属框结构的两种线列探测器进行了MTF测试及对比。测试结果表明,金属框结构可有效提高器件的MTF值,对于后续的高质量大面阵器件制备具有一定的参考意义。但因金属框位置在器件外部,吸收横向扩散载流子的数量有限,如何提高吸收效率并减小电学串音干扰是后续研究的重点之一。