浙江大學(xué)研制x-y尋址型PbSe光電導(dǎo)焦平面陣列紅外探測(cè)器

自20世紀(jì)80年代開(kāi)始出現(xiàn)紅外焦平面陣列（Infrared Focal Plane Arrays，IRFPA）技術(shù)，紅外成像技術(shù)取得了長(zhǎng)足的發(fā)展。目前研究得比較成熟的焦平面陣列（FPA）探測(cè)器主要是由InSb、HgCdTe（MCT）、QWIP和InAs/GaSbII類超晶格等材料制備的二維凝視型焦平面芯片。但是它們都需要在液氮制冷或更低溫度下才能獲得高的紅外探測(cè)性能，因此提高紅外探測(cè)器的工作溫度是人們關(guān)注的重要問(wèn)題之一。IV-VI族半導(dǎo)體化合物（PbS、PbSe和PbTe等）是另一類物理性質(zhì)獨(dú)特的中波紅外探測(cè)材料，具有直接帶隙、窄禁帶寬度等特點(diǎn)，PbSe光電導(dǎo)探測(cè)器室溫下就可以獲得良好的紅外探測(cè)能力，因此很適合制作室溫下工作的FPA紅外探測(cè)器。

近年來(lái)國(guó)內(nèi)對(duì)于IV-VI族半導(dǎo)體的研究主要集中在異質(zhì)結(jié)材料的光電特性上，但是目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有PbSe光電導(dǎo)FPA探測(cè)器的相關(guān)報(bào)道。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，浙江大學(xué)物理學(xué)院的研究人員在《紅外與毫米波學(xué)報(bào)》期刊上發(fā)表了題為“PbSe光電導(dǎo)焦平面陣列探測(cè)器”的最新論文，通過(guò)光電導(dǎo)探測(cè)器的理論模擬獲得探測(cè)器的設(shè)計(jì)參數(shù)，研制了一種可在室溫工作的8×8像素的x-y尋址型PbSe光電導(dǎo)焦平面陣列紅外探測(cè)器，并測(cè)試和分析了器件室溫下的光電響應(yīng)性能和中波紅外成像能力。像元尺寸為500μm×500μm，像元間距為500μm，500K溫度黑體輻射和3.0V偏壓下像元的黑體響應(yīng)率的范圍是70~146mA/W，平均響應(yīng)率和平均探測(cè)率分別達(dá)到了110mA/W和5.5×10?cmHz1/2W?1。像元的噪聲等效溫差（NETD）范圍是15~81mK，平均噪聲等效溫差為32mK。為后續(xù)研制高密度像元PbSe FPA探測(cè)器奠定了基礎(chǔ)。

PbSe FPA探測(cè)器的制備

PbSe FPA探測(cè)器的制備通過(guò)一系列微納加工工藝完成，下面簡(jiǎn)述其工藝流程。（1）首先使用磁控濺射在PbSe薄膜材料上沉積200nm SiO2作為鈍化層；（2）光刻并顯影出8×8 FPA像元圖案；（3）使用ICP設(shè)備干法刻蝕暴露區(qū)域的SiO2鈍化層；（4）使用溴化氫和雙氧水混合溶液濕法腐蝕PbSe；（5）光刻并顯影出電極接觸區(qū)域圖案，干法刻蝕該區(qū)域的鈍化層；（6）光刻并顯影縱向電極圖案，使用電子束蒸發(fā)沉積200nm金（Au），在丙酮溶液中完成剝離；（7）制作絕緣隔離區(qū)域：先使用磁控濺射沉積300nm SiO2，然后經(jīng)過(guò)光刻、顯影和干法刻蝕，留下（x，y）電極交叉處的SiO2；（8）光刻并顯影橫向電極圖案，然后使用電子束蒸發(fā)沉積200nm金（Au），在丙酮溶液中完成剝離。

PbSe FPA探測(cè)器的性能表征

制備完成的PbSe FPA探測(cè)器使用單色光譜儀、黑體輻射源（HFY-200B）、脈沖激光等實(shí)驗(yàn)裝置測(cè)試其光電響應(yīng)性能，中波紅外成像效果通過(guò)一個(gè)紅外成像裝置來(lái)演示。光電流譜的測(cè)量由光柵單色儀（Omni-λ 300）、電流放大器（SR570）和一個(gè)鎖相放大器（SR830）組成的裝置完成。脈沖激光響應(yīng)測(cè)試使用高速放大器（DHPCA-100）將響應(yīng)信號(hào)輸出至數(shù)字示波器（TBS 1052B）顯示并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。圖1（a-b）分別是探測(cè)器黑體響應(yīng)測(cè)試和中波紅外成像演示裝置示意圖。

圖1 探測(cè)器性能表征裝置示意圖（a）黑體響應(yīng)，（b）中波紅外成像演示裝置

制備的x-y尋址電掃描型PbSeFPA在光學(xué)顯微鏡下的照片如圖2（a）所示，圖2（b）為局部放大圖。PbSe光電導(dǎo)FPA探測(cè)器的每個(gè)像元光敏面尺寸為500μm×500μm，像元間距為500μm。圖2（b）中可以清晰地看到（x，y）電極交叉處SiO2絕緣層的輪廓。

圖2 x-y尋址電掃描型PbSe光電導(dǎo)FPA探測(cè)器在光學(xué)顯微鏡下照片（a）FPA整體圖像，（b）FPA的局部放大圖案（橫、縱電極交叉處方形區(qū)域?yàn)榻^緣層）

使用響應(yīng)光譜測(cè)試裝置測(cè)量PbSe FPA探測(cè)器像元的光電流響應(yīng)譜，在3.0V偏壓和2μA/V的放大器增益下，典型的光譜響應(yīng)如圖3（a）所示，峰值響應(yīng)波長(zhǎng)在約3.5μm 處，長(zhǎng)波截止波長(zhǎng)約為4.3μm，與PbSe室溫下禁帶寬度（0.278eV）對(duì)應(yīng)的截止波長(zhǎng)相近。FPA像元的脈沖激光響應(yīng)測(cè)試結(jié)果如圖3（b）所示，脈沖激光的波長(zhǎng)和功率分別為3.5μm和16mW。

圖3 探測(cè)器的光電響應(yīng)表征（a）像元的典型響應(yīng)光譜，（b）像元的脈沖激光響應(yīng)，（c）像元的黑體響應(yīng)率隨偏壓變化，（d）像元的噪聲電流譜

像元的響應(yīng)率、探測(cè)率和噪聲等效溫差（NETD）等光電特性表征使用了黑體輻射源。測(cè)試像元黑體響應(yīng)率時(shí)，固定黑體溫度為227℃（500K），黑體輻射源的出射光闌孔徑大小為1cm（直徑），探測(cè)器與黑體出射光闌距離10cm。前置放大器的增益為2μA/V，使用功率計(jì)測(cè)得探測(cè)器所在位置的功率密度為12μW/cm2。改變像元的外加偏壓，得到黑體響應(yīng)率的變化如圖3（c）所示，黑體響應(yīng)率隨外加偏壓顯示出良好的線性關(guān)系。在3.0V 偏壓和500K溫度黑體輻射下，測(cè)得所有像元的響應(yīng)率的范圍是70~146mA/W。使用噪聲頻譜儀測(cè)量探測(cè)器像元的噪聲頻譜，如圖3（d）所示。像元的噪聲水平表現(xiàn)相近，噪聲電流密度低于1×10?12A/Hz1/2，計(jì)算出PbSe FPA像元的探測(cè)率為(3.5~7.3)×10?cmHz1/2W?1，平均探測(cè)率為5.5×10?cmHz1/2W?1。

圖4（a）展示了FPA中像元響應(yīng)率的分布?？梢钥吹剑憫?yīng)率整體分布相對(duì)均勻，只有第1行和第8列響應(yīng)率相對(duì)較低，但是探測(cè)器不存在響應(yīng)率過(guò)低或噪聲信號(hào)特別大的像元，因此有效像元率為100%。統(tǒng)計(jì)所有像元的響應(yīng)率可以得到PbSe FPA像元的平均黑體響應(yīng)率為Ri=110mA/W。使用如圖1（a）所示的測(cè)試裝置，設(shè)置黑體輻射源的溫度分別為300℃和310℃，分別測(cè)得每個(gè)像元的輸出響應(yīng)信號(hào)，以響應(yīng)電流信號(hào)的均方根作為噪聲電流，計(jì)算得到所有像元的NETD的結(jié)果及分布見(jiàn)圖4（b）。可以看到，像元的NETD范圍是15~81mK，計(jì)算出平均NETD為32mK。其中PbSe FPA的第1行及第8列NETD偏大，與圖4（a）所示的響應(yīng)率分布表現(xiàn)是一致的。

圖4 （a）FPA中像元響應(yīng)率分布，（b）FPA中NETD分布

使用如圖1（b）所示的紅外成像系統(tǒng)，目標(biāo)物體（電烙鐵）輻射出的紅外光經(jīng)由兩塊凹面鏡反射后被PbSe FPA探測(cè)器吸收，電烙鐵和探測(cè)器都放置在反射鏡的焦點(diǎn)處。探測(cè)器每次可以讀取64（=8×8）個(gè)信號(hào)值，也就是一幅64像素的熱成像圖，如圖5（a）所示。分別設(shè)置電烙鐵的溫度為350℃、400℃和450℃，每次采集4幀局部熱成像圖進(jìn)行拼接，最終紅外成像效果如圖5（b）所示。PbSe FPA探測(cè)器對(duì)三個(gè)溫度的電烙鐵都實(shí)現(xiàn)了紅外熱成像，并且隨著溫度升高，圖像對(duì)比度也更高。

圖5 PbSe FPA探測(cè)器紅外成像（a）局部熱成像，（b）完整熱成像圖與實(shí)物對(duì)比

PbSe光電導(dǎo)焦平面陣列探測(cè)器具有易于加工、制造成本低等優(yōu)點(diǎn)，其電極引線為多路復(fù)用，并且探測(cè)器在室溫下就具有較高的探測(cè)率，中波紅外成像演示也獲得了良好的表現(xiàn)，拓寬了PbSe探測(cè)器的應(yīng)用場(chǎng)景。但是由于電極引線屬于外掛式，F(xiàn)PA的像元密度受到限制，因此制造大規(guī)模像元數(shù)量的FPA探測(cè)器比較困難。綜合來(lái)看，PbSe FPA探測(cè)器在非制冷中波紅外探測(cè)領(lǐng)域具有較大優(yōu)勢(shì)。

結(jié)論

理論分析了PbSe光電導(dǎo)紅外探測(cè)器器件參數(shù)對(duì)光電響應(yīng)的影響，應(yīng)用PbSe薄膜材料制備了8×8像素的x-y尋址型PbSe光電導(dǎo)FPA探測(cè)器，像元尺寸為500μm×500μm，像元間距為500μm。使用單色光譜儀測(cè)試得到了像元的典型響應(yīng)光譜，室溫下長(zhǎng)波截止波長(zhǎng)約為4.3μm，峰值響應(yīng)波長(zhǎng)為3.5μm。通過(guò)黑體輻射源表征了探測(cè)器像元的光電響應(yīng)性能，響應(yīng)率范圍是70~146mA/W，平均響應(yīng)率和平均探測(cè)率分別達(dá)到110mA/W和5.5×10?cmHz1/2W?1；像元的NETD范圍是15~81mK，平均NETD達(dá)到32mK。除個(gè)別行列像元外，F(xiàn)PA的響應(yīng)率和NETD分布比較均勻。在室溫下，初步演示了探測(cè)器對(duì)350~450℃熱輻射目標(biāo)的紅外熱成像。小規(guī)模PbSe FPA探測(cè)器的成功制備，為后續(xù)制造更大規(guī)模和更高密度的PbSe FPA探測(cè)器打下了基礎(chǔ)。

審核編輯 ：李倩