随着红外探测器进入了第三代红外探测器技术时期，大规模、高分辨率、多波段、高集成、轻型化和低成本成为红外技术最关注的问题。大规模红外探测器具备更高空间分辨率，能够扩大目标的探测和识别范围，已经成为红外探测器发展的必然趋势。
据麦姆斯咨询报道，近期，中国电子科技集团公司第十一研究所（简称“电科十一所”）在《激光与红外》期刊上发表了以“大尺寸碲镉汞材料研究现状与趋势”为题的文章。文中介绍了Sofradir公司、Teledyne公司、Raytheon公司、AIM公司红外探测器材料研究的现状，从生长方式、衬底选择等方向分析大尺寸碲镉汞材料研究现状与趋势。
大尺寸碲镉汞材料研究现状
Sofradir是一家主要从事空间应用红外探测器开发和制造的公司，该公司在可见光到甚长波光谱范围内开发了多款红外探测器用于空间研究项目，例如：MTG项目、哥白尼哨兵探测器系列、Metop-SG系统、火星探测项目、月球探测项目。
Sofradir公司“Asteroid”项目技术路线
在设计和制造红外探测器的同时，Sofradir自2017年起参与了为期三年的“Asteroid”项目，已实现大面阵短波红外探测器的工业化。Sofradir认为，制备大面阵红外探测器存在四个关键要素：超大尺寸读出电路、大尺寸碲锌镉衬底制备、高质量碲镉汞外延能力、同大尺寸碲镉汞相配套的器件生产线。因此Sofradir为大尺寸碲镉汞材料制定的技术路线为：在4 in碲锌镉衬底上使用液相外延的生长方式，采用p-on-n的技术路线外延4 in碲镉汞材料。
自从20世纪80年代以来，Teledyne一直在开发用于红外探测器的碲镉汞材料，早期研究集中于液相外延技术上，相比分子束外延技术，液相外延技术只能生长单一组分的碲镉汞层，限制了碲镉汞材料结构设计的多种可能。因此，后续的研究集中于通过分子束外延技术在碲锌镉、砷化镓和硅衬底上外延碲镉汞材料。由于砷化镓衬底、硅衬底与碲镉汞晶格失配大，导致外延层位错密度高，从而导致器件暗电流大。因此，Teledyne公司认为虽然碲锌镉衬底尺寸相对较小、成本高，但仍然是外延碲镉汞材料最重要的衬底之一。
Teledyne公司在Riber412分子束外延系统中采用7cm×7cm碲锌镉衬底生长高质量碲镉汞材料，并应用于制造宇航用大面阵红外探测器。现阶段Teledyne已经能够外延获得最大8cm×8cm规格的碲锌镉基碲镉汞材料。
Teledyne分子束外延8cm×8cm CdZnTe基HgCdTe材料
Raytheon公司在宇航用碲镉汞探测器研制方面有着悠久的历史，特别是大面阵的可见光到短波红外波段碲镉汞探测器。Raytheon外延碲镉汞材料的方式有两种，液相外延和分子束外延，选用的衬底有两种，碲锌镉和硅，下面两张图展示了现阶段Raytheon公司碲镉汞材料外延能力。
Raytheon公司液相外延碲镉汞材料
Raytheon公司分子束外延碲镉汞材料
液相外延是Raytheon公司最初外延高质量碲镉汞材料的生长方式，例如宇航用VIRGO探测器系列，现有的最大尺寸规格为：4.5cm×6.7cm，液相外延碲镉汞材料能够应用的规格最大为2k×2k 20μｍ（VIRGO系列探测器）、4k×4k 10μｍ（SCA系列探测器）。
德国AIM也在大力发展大规模凝视型碲镉汞红外探测器，但探测器规模相对较小。下面两张图列举了AIM公司的两款大面阵碲镉汞探测器。
AIM HiPIR-1280M-MCT中波探测器
AIM HiPIR-1280L-MCT长波探测器
AIM在大尺寸碲镉汞材料技术路线上采用的是在4 in砷化镓衬底上使用Vecco Gen20A分子束外延系统外延碲镉汞材料。AIM认为，砷化镓衬底氧化层可以很容易的去除，不需要对衬底进行过多的预处理，另外砷化镓衬底上可直接外延CdTe缓冲层，而不必像硅、锗衬底一样需要生长ZnTe/CdTe缓冲层。因此AIM选用砷化镓衬底作为大尺寸碲镉汞材料的衬底。
国内大尺寸碲镉汞材料研究方面，昆明物理研究所目前具备异质衬底上分子束外延大尺寸碲镉汞材料技术能力。异质衬底上碲镉汞材料最大尺寸为4 in。受制于碲锌镉衬底技术的发展水平，目前昆明物理研究正在开展5cm×5cm尺寸碲锌镉衬底技术和分子束外延技术开发。电科十一所目前具备在硅衬底上和碲锌镉衬底上分子束外延碲镉汞薄膜的能力，硅基碲镉汞材料最大尺寸为4 in、碲锌镉基碲镉汞最大尺寸为5cm×5cm。
大尺寸碲镉汞材料研究发展趋势
硅、锗、砷化镓是目前外延碲镉汞材料最主要的异质衬底材料，均能满足碲镉汞材料外延的对于大尺寸、低成本方面的需求。但三种异质衬底材料均面临着与碲镉汞材料晶格匹配度的问题，通过外延碲化锌、碲化镉缓冲层，能够在一定程度上解决此问题，并通过退火提高碲镉汞材料质量。相比另外两种异质衬底材料，硅衬底在热膨胀系数与硅读出电路匹配度方面有着绝对的优势，具有更好的热循环稳定性。因此，硅衬底在外延大尺寸碲镉汞材料方面更具优势。
液相外延是技术上最为成熟的碲镉汞材料生长方法，至今仍是最主要的制备高性能碲镉汞材料的生长方式。在大尺寸碲镉汞材料方面，虽然液相外延技术受限于碲锌镉衬底尺寸和无法外延复杂材料结构，但由于液相外延在设备成本、材料质量方面的优势，国际主流的碲镉汞材料研究机构仍然没有放弃使用液相外延的生长方式外延大尺寸碲镉汞材料。
随着第三代红外焦平面探测器技术的发展，能够更容易生长先进碲镉汞结构和在大尺寸异质外延衬底上外延的分子束外延技术在碲镉汞材料外延领域占据了越来越重要的地位。
材料尺寸的提高为外延碲镉汞材料工艺带来了更大的挑战，除了需要开发更大的外延设备、衬底预处理设备、碲镉汞材料表征设备之外，还需提高碲镉汞材料质量和均匀性。这里提到的碲镉汞材料的均匀性包括碲镉汞组分、厚度、材料质量、掺杂浓度。作者认为均匀性提升是大尺寸碲镉汞材料最需要关注的问题之一。
结束语
本文对Sofradir、Teledyne、Raytheon、AIM四家红外探测器研发领域行业领先的研究机构近年来大尺寸碲镉汞材料的研究现状进行了介绍。为了获得更大面阵红外探测器，碲镉汞材料向着更大尺寸、更高质量、更高均匀性方向发展。总体来说，可以将大尺寸碲镉汞材料技术路线总结为：主要采用分子束外延或液相外延的方式，在硅衬底或碲锌镉衬底上，通过解决均匀性问题，外延高质量的碲镉汞材料。
DOI:10.3969/j.issn.1001-5078.2022.08.016
