2.1　碲镉汞红外敏感材料

2.1.1　碲镉汞材料技术的发展历程

1959年，Lawson等人 ^[1] 发表了采用碲镉汞（HgCdTe）光敏材料制备光导型和光伏型红外探测器的研究报告，指出碲镉汞材料有望用于红外焦平面探测器的制备。这一成果为制冷红外焦平面探测器的设计和发展提供了广阔前景。

HgCdTe材料制备技术的发展经历了三个重要阶段。第一阶段为HgCdTe体材料的制备。20世纪60年代，采用固态再结晶法、布里奇曼法及碲溶剂法制备HgCdTe体材料，成功制造出光导型红外器件，这代表了第一代制冷红外焦平面探测器。1965年，Verie等人首次报道HgCdTe体材料的光电二极管成结方法 ^[2] 。1967年，采用HgCdTe光电二极管制备的二氧化碳激光系统在法国蒙特利尔博览会上展出。随后，第一代制冷红外焦平面探测器成功应用于夜视、遥感、制导等领域。

HgCdTe外延技术的研发成功，标志着HgCdTe材料制备技术进入第二阶段。随着制冷红外焦平面探测器的发展和应用，为提高目标空间分辨率，对制冷红外焦平面探测器的需求越发迫切，因此对红外敏感材料的尺寸、均匀性等要求也日益提高。20世纪80年代初，HgCdTe液相外延技术成功研发 ^[3-5] ，原生汞空位作为p型载流子，并采用硼离子注入技术制备n+-on-p光伏型红外焦平面探测器。n+-on-p型器件工艺简单可靠、稳定性较好，其结构示意图如图2-1（a）所示，被法国Sofradir等公司广泛采用。该技术至今仍是中波制冷红外焦平面探测器批量生产中工艺最成熟、工程化应用程度最高的生长制备技术。

为解决汞空位p型材料少子寿命短的问题，金（Au）、砷（As）、铜（Cu）掺杂的p型材料与In掺杂的n型材料制备技术陆续研发成功。上述掺杂型HgCdTe材料都能采用富碲液相外延生长技术制备。在As掺杂的p型材料制备方面，富汞液相外延生长方式有其独特的优势，可以实现As掺杂HgCdTe材料的原位激活。以Raytheon公司为首的美国公司一直采用该技术路线制备p+-on-n型组分异质结器件，其结构如图2-1（b）所示，高组分cap层的设计可以起到进一步抑制器件表面漏电的作用。

20世纪80年代末，分子束外延（MBE）及金属有机气相沉积（MOCVD）技术在HgCdTe材料生长方面成功应用 ^[6,7] 。20世纪90年代，MBE实现了第三代双色制冷红外焦平面探测器的制备 ^[8] ，以其进行异质衬底生长，可实现超大规模面阵批量生产，结构设计性好，可实现双色、NBN高温探测器开发等独特优势，被广泛关注，并在原位掺杂技术、低缺陷外延技术及位错抑制技术等方面开展了大量研究。美国Raytheon公司采用npn结构的原位成结实现了双色制冷红外焦平面探测器产品的开发，其结构如图2-2所示 ^[9] ；Teledyne公司采用HgCdTe MBE生长及As离子注入技术，开发了4K超大面阵Hawall系列产品，如图2-3所示 ^[10] 。

随着高品质目标探测需求的增加，以及材料制备技术、器件加工工艺的进步，HgCdTe制冷红外焦平面探测器进入第三阶段，逐渐形成红外焦平面技术。该阶段着重于大面积HgCdTe外延材料的制备、组分异质结构多层外延材料的制备和低缺陷、高少子寿命HgCdTe外延材料的制备，为红外探测系统提供了更强的探测功能，包括更高的空间分辨率、帧率和更好的温度分辨率。同时，红外探测系统也响应SWaP ³ 的发展需求，对HgCdTe材料的发展不断提出新的挑战。

HgCdTe材料制备技术的发展与制冷红外焦平面探测器的发展密不可分，表2-1列出了里程碑时间表。