中国科学院上海技术物理研究所魏彦锋团队：天文短波红外焦平面探测器的增益均匀性

      碲镉汞短波红外焦平面探测器在红外天文观测中具有重要作用。根据光子转移曲线测量探测器的增益是表征探测器其他性能的前提。采用碲镉汞液相外延薄膜材料制备了640×512规格的红外探测器，探测器截止波长为2.0微米（图1）。用光子转移曲线方法测量红外焦平面探测器的增益，发现在焦平面上不同区域的增益是不均匀的，增益的非均匀性达到了20.2%。增益的非均匀性反映了探测器芯片内部性能的差异，尤其是不同光敏元噪声的差异。芯片加工过程可能是引起增益不均匀的原因之一。通过改进芯片工艺，特别是改进芯片的机械化学减薄工艺，降低抛光损伤，提高探测器芯片表面不同区域的增益均匀性。改进工艺后，增益的非均匀性从20.2%降低到0.3%，获得了增益均匀的探测器芯片，并测量得到探测器的暗电流为2.2e-/s/pixel，读出噪声为67e-。

      采用液相外延技术在晶格匹配的碲锌镉衬底上外延碲镉汞薄膜作为探测器的吸收层，然后通过B+离子注入形成n-on-p结构的短波红外焦平面探测器。读出电路输入级采用电容反馈跨阻放大器（Capacitor Feedback Transimpedance Amplifier，CTIA）结构，读出电路具有非破坏性读出(Non-Destructive Readout, NDR)功能。探测器芯片与读出电路采用倒装焊技术进行互连，互连后的芯片经过衬底减薄去除后，在表面生长ZnS增透膜。芯片与读出电路互连后粘贴在蓝宝石基板上，基板上有相应的引线与读出电路实现电连接。本文中的测试包括两个芯片，编号分别为24-08和24-47，两个芯片的截止波长均为2.0微米。

      采用光子转移曲线(Photon Transfer Curve,PTC)方法来测试探测器的增益和增益面分布的均匀性。图2是得到的光子转移曲线。在曲线的近线性区进行线性拟合，得到直线的斜率，斜率即为增益G，此探测器的增益G=0.4744 DN/e^-。

      在上面的PTC计算中，信号和信号的方差都是对整个面阵的像元进行计算。测试过程中发现，增益G在640×512面阵上的分布是不均匀的，为了反映这种非均匀性，将640×512的面阵以每64×64为一个小区域，划分为10×8组，分别计算每组的增益。结果如图3所示,根据图3中的增益数据，计算增益的标准差，可以得到增益的非均匀性为20.2%。

      探测器芯片增益的非均匀性可能与芯片的加工工艺有关。芯片24-08的加工过程中，采用了衬底抛光减薄工艺，通过化学机械抛光将衬底减薄，然后再进行衬底去除。抛光过程中，如果工艺参数设置不合理，抛光应力损伤会向下延伸，影响光敏元区域，对光敏元造成损伤，使光敏元的噪声增大。为了验证这一机理，调整了工艺参数，重点调整了抛光压力、转速、和减薄的深度等参数，降低了抛光损伤。经过工艺改进，探测器增益的均匀性也有了明显的改善，仿照图2和图3中 的测试方法和数据处理方法，对工艺改进后的芯片24-47进行测试，得到增益的非均匀性为0.3%。

      需要指出的是，本文中的“增益的变化”并非指的是真实增益的改变，增益的物理含义是积分电容中的电子数到输出端信号的转换比例，对于同一个芯片和测试系统，这个转换比例不会发生变化。通过PTC曲线的斜率来定义增益的前提，是测量得到噪声中只包含读出噪声和光子散粒噪声。本文中测量得到的增益变化，本质是因为芯片加工中引起了其他的噪声机制。通过工艺的改进，降低了芯片加工工艺引起的影响，使测量得到的增益接近探测器的真实增益。

      得到探测器的增益后，以增益为基本参数，可以测量计算探测器的其他参数。测量得到探测器的暗电流为2.2e-/s/pixel，读出噪声为为67e-。