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本文针对锑化物红外焦平面阵列(IRFPA)在微型化过程中面临调制传递函数(MTF)退化、串扰和噪声等效温差(NETD)等关键性能挑战，开发了综合多物理场仿真框架。研究人员系统评估了不同像素结构与工作条件下探测器的MTF、串扰和NETD，揭示了横向载流子扩散是MTF退化的主导因素，并阐明了填充因子、偏压等参数的复杂耦合机制。该研究为锑化物红外探测器的高性能集成与小像素设计提供了重要理论指导。
在军事侦察、环境监测和医疗诊断等领域，红外成像技术正发挥着越来越重要的作用。作为红外成像系统的核心，红外焦平面阵列(Infrared Focal Plane Array, IRFPA)的性能直接决定了整个系统的成像质量。长期以来，碲镉汞(HgCdTe)材料因其优异的探测性能主导着红外探测器市场，但其复杂的材料生长工艺、高昂的制造成本以及出口限制等问题，严重制约了该技术的进一步发展和大规模应用部署。
相比之下，锑化物材料体系，特别是II型锑化物如InSb和InAs/GaSb超晶格，展现出巨大的应用潜力。这类材料不仅具有成熟的生长技术、更大的晶圆尺寸和更低的位错密度，其超晶格结构还能通过能带工程灵活调节探测波段，实现更宽光谱范围的探测能力。此外，较大的有效质量有助于抑制隧道效应和俄歇复合电流，使锑化物成为替代HgCdTe的理想选择。
然而，随着红外焦平面阵列像素尺寸的不断缩小，像素间的串扰及其对图像质量的不利影响已成为制约红外成像系统性能提升的关键瓶颈。与单元器件研究相比，针对锑化物红外阵列的系统级研究相对薄弱，现有文献仅部分涉及阵列级成像指标，缺乏系统的仿真分析和多参数相互作用机制研究。
为了深入理解多参数耦合条件下锑化物红外焦平面阵列的成像行为，研究人员开发了一个综合多物理场仿真框架，将先前器件级仿真扩展到阵列规模，建立了适用于多波段应用场景的二维结构建模框架。该模型系统研究了像素尺寸、光敏面积、偏置电压和入射波长等参数对阵列性能的综合影响，围绕调制传递函数(MTT)、噪声等效温差(NETD)和像素间串扰等关键成像指标进行了定量分析。
研究采用的关键技术方法主要包括：基于线性系统理论的耦合数值仿真框架，通过时域有限差分法(FDTD)求解麦克斯韦方程获取光学响应和光生载流子空间分布，再结合有限元法(FEM)求解漂移-扩散方程和泊松方程模拟载流子传输动力学；通过高斯光束扫描阵列获取点扫描曲线，经傅里叶变换提取系统MTF；建立包含冷屏效应的NETD计算模型，综合考虑积分时间、工作温度、像素尺寸和读出电路特性等因素的影响。
PRINCIPLES
研究团队建立了基于线性系统理论的二维模型，包含两个连续的仿真阶段。第一阶段使用FDTD方法求解麦克斯韦方程，获得光学响应和光生载流子空间分布；第二阶段将载流子生成剖面作为输入，使用FEM方法模拟载流子传输动力学。通过高斯光束扫描阵列产生相应的点扫描曲线，光学SS曲线通过积分中心像素内的光生成速率获得，而电学SS曲线则来自同一像素的光电流响应。MTF通过计算归一化SS曲线的傅里叶变换幅度得到，可分解为高斯光束MTFGB、探测器足迹MTFFP、光学串扰MTFOC和载流子扩散MTFDC四个组成部分。
NETD评估方面，研究引入了关联探测器性能与截止波长的紧凑建模方法，综合考虑了不同温度条件下的光子注入效率、可用积分时间以及冷屏影响等因素。该模型揭示了在足够低的焦平面温度下，冷屏对背景噪声的贡献可忽略不计，系统性能主要受光学吞吐量和积分容量限制。
RESULT
仿真结果表明，像素尺寸、光敏面积和探测器偏置电压是优化MTF和NETD的关键因素。研究团队开发了四种红外探测器的综合模型：三种单波段探测器分别覆盖SWIR(1.8–2.4μm)、MWIR(3.6–4.4μm)和LWIR(7.8–8.8μm)光谱区域，以及一个覆盖MLWIR范围的双波段探测器。
MTF性能分析显示，在统一像素间距(p = 10μm)下，SWIR和LWIR的MTFTotal显著低于MTFFP，表明探测器性能未能达到该像素间距配置的理论最优值。详细分析表明，MTFGB和光学串扰分量对整体系统性能贡献可忽略不计，而MTFDC分量在短波和长波探测器中都占主导地位，这主要归因于相对较厚的吸收层和较长的少数载流子扩散长度。
填充因子(FF)变化对MTF性能影响的分析表明，将FF从100%降低到40%对整体MTF特性影响有限。对于短波和中波探测器，在奈奎斯特频率处观察到的变化小于3%，而长波探测器则表现出明显不同的响应。
串扰分析显示，串扰对像素尺寸的依赖性较弱，但对FF表现出强依赖性，较低的FF值 consistently导致串扰增加。此外，串扰幅度与施加的反向偏置电压直接相关，较高偏置电压会加剧串扰，这是竞争性载流子传输机制的结果。
NETD性能分析揭示了冷屏效率、阱容量、积分时间和像素尺寸之间的强相互依赖性。在MWIR波段，优化的系统参数能够在150–300K工作范围内实现低于10mK的NETD成像。冷屏温度对小像素器件尤为关键，当降至77K时，NETD性能显著改善，4μm波段达到8.8mK，7μm波段达到16mK。
双波段MLWIR探测器的性能比较显示，4μm波段表现出显著优于7μm波段的MTF特性，在奈奎斯特截止频率处的ΔMTF约为0.15。这种性能差异主要归因于不同波长光子穿透深度的差异对载流子扩散动力学的影响。
CONCLUSION
该研究开发的锑化物红外传感芯片综合多物理场仿真框架，系统阐明了光学限制和探测器限制机制下红外探测器的成像机制。仿真结果揭示横向载流子扩散是MTF退化的主要因素，而串扰主要受填充因子和反向偏置电压影响。NETD分析进一步揭示了冷屏效率、阱容量、积分时间和像素尺寸之间的强相互依赖性。在双波段MLWIR探测器中，波长间光子穿透深度的差异支配着载流子扩散动力学，从而影响MTF和NETD。该建模框架和机理分析为下一代红外探测器阵列的小型化和性能优化提供了有价值的理论指导。
这项研究的重要意义在于，它首次建立了针对锑化物红外焦平面阵列的系统级仿真平台，全面揭示了多参数耦合作用下探测器性能的变化规律。特别是在小像素设计成为发展趋势的背景下，该研究为平衡MTF、串扰和NETD等关键指标提供了理论依据和设计指南，对推动锑化物红外探测器向更高性能、更小尺寸方向发展具有重要参考价值。相关工作发表在《Chip》期刊上，为红外探测技术的创新发展提供了重要支撑。
