扩展短波红波段为1.7至3.0 μm，该波段的各类器件均有其优劣势。碲镉汞探测器是其中的例外，由于其带隙随镉组分连续可调、吸收系数高，在短波、中波、长波红外波段均有出色的低温性能；真正的问题在于室温探测，表面漏电与耗尽区的产生—复合过程会随温度急剧放大，把暗电流推到不可用的量级。
据麦姆斯咨询报道，近日，中国科学院上海技术物理研究所与上海科技大学的研究团队研制出室温工作的平面p-on-n扩展短波红外碲镉汞探测器，利用表面组分梯度异质结同时压住了表面漏电与耗尽区的产生复合电流。器件在晶格匹配的碲锌镉衬底上以液相外延生长铟掺杂n型碲镉汞吸收层，镉组分约0.45；表面再沉积一层碲化镉并经富汞气氛退火，使镉组分从表面约0.62平滑过渡到吸收层的0.45；p区由砷离子注入与激活退火定义，表面覆硫化锌钝化。测试显示，器件室温截止波长为2.7 μm，?0.1 V偏压下的暗电流密度为2.1×10?? A/cm?；2.2 μm处量子效率76%、响应度1.35 A/W，比探测率达1.61×10?? cm·√Hz·W??，零偏压下更升至1.87×10?? cm·√Hz·W??。研究团队指出，该暗电流已接近同截止波长下的Rule 07经验极限，比探测率较已报道的III-V族扩展短波红外器件高出约一个数量级。研究成果以“High-Performance Extended Short-Wave Infrared HgCdTe Photodetector at Room Temperature”为题发表在IEEE Photonics Technology Letters期刊上。
表面组分梯度异质结的结构与能带
研究团队在碲锌镉衬底上液相外延生长铟掺杂的n型吸收层，镉组分0.45、掺杂浓度约1×10?? cm??；随后在表面沉积200 nm碲化镉，送入富汞气氛中退火，让镉原子向吸收层内扩散，形成一个组分连续变化的过渡区。砷离子注入与激活退火在梯度层内定义出p区，注入区边长按100至500 μm分档设计，表面最后覆硫化锌钝化层，器件从背面接光，相关结构与能带如图1所示。
图1 平面p-on-n碲镉汞扩展短波红外探测器的截面结构与能带设计
暗电流的温度依赖与主导机制
研究团队测试了250 μm见方器件在200至300 K温区的暗电流密度—偏压特性：300 K、?0.1 V时为2.1×10?? A/cm?，反偏加深到?0.5 V也只升到2.8×10?? A/cm?，说明暗电流对偏压并不敏感，反向特性接近饱和。同时给出了按2.7 μm截止波长计算的Rule 07虚线，实测数据点紧贴这条经验极限，相关结果如图2、图3所示。
图2 250 μm见方器件在200至300 K温区的暗电流密度—偏压特性
图3 暗电流机制的温度诊断
科普小知识：同样是扩展短波红外，为什么碲镉汞能室温工作？
探测器的暗电流本质上来自“热”，而热激发的概率由禁带宽度决定。碲镉汞的好处是禁带宽度可以靠镉组分连续调——想要2.7 μm的截止波长，把组分定在0.45附近即可，不必像铟镓砷那样靠提高铟组分去硬凑，也就避开了与磷化铟衬底的晶格失配。它的吸收系数还特别高，几微米厚的吸收层就能吃掉大部分入射光，器件可以做薄，暗电流生成的体积随之变小；少子寿命长，则保证了光生载流子在被复合掉之前能被收集出来。代价同样明确：碲锌镉衬底尺寸受限、汞的环境合规与工艺成本高，这也是它长期停留在高端制冷器件上的原因。III-V族路线的问题不在设计，而在材料本身——失配缺陷、短少子寿命与弱吸收共同把室温暗电流锁在10?? A/cm?量级；碲镉汞用“带隙可调+高吸收系数”换来了低一个数量级的暗电流，代价则是衬底与汞体系带来的成本与工艺门槛。
器件光电性能
平面结器件的响应度不完全由吸收层决定，横向扩散会把注入区之外的光生载流子也收集进来，因此尺寸本身就是一个变量。研究团队测量了未镀增透膜的背入射器件，用傅里叶变换红外光谱仪配黑体源做绝对定标，并刻意选了不同注入区边长的器件做对照，相关结果如图4所示。
图4 器件的响应特性
比探测率的分母是噪声，所以噪声谱必须自测。研究团队测量了250 μm见方器件在0至?0.5 V各偏压下的电流噪声功率谱密度，取100 kHz至1 MHz这一平坦频段平均得到白噪声水平，相关结果如图5、图6所示。最高探测率出现在零偏压而不是某个“最佳工作点”，这件事对长时间凝视的遥感与气体监测比峰值数字更有价值——不耗电、不自热，恰好就是器件最好的状态。
图5 室温下0至?0.5 V各偏压的电流噪声功率谱密度
图6 室温下不同偏压的比探测率光谱
研究团队把该器件与近年报道的扩展短波红外探测器放在室温、同一偏压体系下比较，器件涵盖高铟铟镓砷、铟镓砷/镓砷锑超晶格、锑化物nBn与硅衬底碲镉汞等多种体系，相关对比结果如图7所示。
图7 与已报道扩展短波红外探测器的对比
总结
综上所述，这项研究提出的表面组分梯度异质结平面p-on-n碲镉汞探测器，通过在表面引入从0.62到0.45的镉组分缓变层，把表面漏电与耗尽区产生—复合电流一并压了下来，使扩展短波红外探测在室温下有了完整可比的指标集：2.7 μm截止波长，?0.1 V下2.1×10?? A/cm?的暗电流密度——已接近Rule 07经验极限，2.2 μm处76%的量子效率与1.61×10?? cm·Hz???/W的比探测率，较已报道的III-V族器件高出约一个数量级。该工作的意义不止于把数字做低：它给出的激活能与三成分拟合把室温暗电流拆成产生—复合与扩散两段，为组分梯度的作用边界划出了定量范围，也为其他波段的碲镉汞器件提供了一条可复用的设计思路。研究团队指出，下一步将优化组分分布与掺杂设计，并在微型化结构中探索这一架构用于焦平面集成的可能。尽管目前的验证仍停留在单元器件层面，碲镉汞在室温扩展短波红外上的这条路径已经显出了清晰的轮廓。
论文链接：https://doi.org/10.1109/LPT.2026.3742397
