由双层抗反射涂层实现的宽带高性能碲镉汞焦平面阵列

《Optics & Laser Technology》：Broadband high-performance HgCdTe focal plane arrays enabled by bilayer antireflection coatings

　　

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  面向短波红外与中波红外波段、用于大尺寸 HgCdTe 焦平面阵列的宽带亚波长双层增透膜。
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  基于遗传算法的反向设计与传输矩阵法联合优化。
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  显著提升短波红外与中波红外焦平面阵列的响应度、NETD 与探测率。
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  演示了高质量成像性能以及星载 2K × 2K 中波红外焦平面阵列的在轨运行。

引言

利用先进焦平面阵列（FPA）的红外（IR）探测技术在众多领域发挥着关键作用，包括工业检测、环境监测、医学诊断、遥感、红外天文，以及军事侦察、识别与制导系统[1]、[2]、[3]。在众多红外敏感半导体材料中，碲镉汞（HgCdTe）凭借其可调带隙、较高的光学吸收系数和优异的载流子迁移率脱颖而出，使其在短波至极长波红外（SWIR 至 VLWIR）整个光谱范围内均具有出色的灵敏度[4]、[5]。然而，HgCdTe 的高折射率（约为 3.5）会在空气—探测器界面引起显著的菲涅尔反射，导致大量光子损失，最终限制了焦平面阵列的量子效率和整体性能。随着焦平面阵列尺寸不断放大以满足高分辨率成像的需求，这一问题变得愈发严峻，因为在每像素内最大化光子收集能力至关重要[6]、[7]。

增透膜（AR）是抑制表面反射的一项成熟解决方案[8]、[9]。基于 ZnS 或 MgF₂ 等材料的单层增透膜（SARC）虽然结构简单、易于制备，但其有效工作带宽本质上较窄，因此难以满足宽带红外增透需求[10]、[11]、[12]。另一方面，诸如超材料[13]、[14]、[15]、[16] 和蛾眼结构[17]、[18]、[19] 等先进的微纳结构增透表面则表现出优异的宽带性能，然而纳米结构化方案通常需要高精度光刻或纳米压印/刻蚀工艺[20]、[21]。这些限制在很大程度上阻碍了此类结构在工业级红外探测器制造中的实际应用。

为克服上述挑战，双层增透膜（BARC）作为一种实现宽带高性能增透的简便而强有力方案应运而生[22]、[23]。BARC 的设计原理以薄膜光学为坚实基础，并已成功应用于多种光电子器件，例如太阳能电池和光电探测器[24]、[25]、[26]。例如，集成在 InGaAs/InP 光电二极管上的多层增透膜已被证明可将 1310 nm 处的反射率降至 1% 以下，显著增强了光向吸收层的耦合，并实现了高达 0.95 A/W 的响应度[27]。然而，关于在大尺寸、高密度 HgCdTe 焦平面阵列上系统化实施与性能验证双层增透膜（尤其是大尺寸集成的均匀性，以及对整机电光性能指标的影响）的研究，在现有文献中仍然报道较少。

本研究提出了一种通过双层增透膜实现角度稳健型宽带高性能 HgCdTe 焦平面阵列探测器。所提出的 BARC 结构采用基于遗传算法（GA）的反向设计方法并结合传输矩阵法进行优化，实现了从空气到 HgCdTe 的阶梯式折射率过渡，从而在宽带范围内有效抑制表面反射率，其在短波红外（1–3 μm）波段平均反射率低于 3%，在中波红外（3–5 μm）波段平均反射率低于 5%。集成 BARC 的 HgCdTe 焦平面阵列表现出外部量子效率（EQE）的显著提升，从而使响应度大幅提高，光电性能明显优于采用传统 SARC 的焦平面阵列。研究结果表明，所提出的 BARC 为提升 SWIR 与 MWIR 波段大尺寸 HgCdTe 焦平面阵列性能提供了一种实用且对工艺容差友好且易于实现的途径，凸显了其在先进红外探测应用中的巨大潜力。

章节摘要

结果与讨论

图 1(a) 给出了集成所提出 BARC 结构的 HgCdTe 焦平面阵列的示意图。为确定最优双层配置，本研究采用了基于遗传算法（GA）的反向设计策略[28]、[29]、[30]。如图 1(b) 所示，候选材料选自介电材料数据库，包括 ZnS、SiO₂、YbF₃、MgF₂、Al₂O₃ 和 HfO₂。厚度允许在 0–500 nm 范围内变化，从而实现由编码参数到

结论

总之，本研究提出了一种适用于 HgCdTe 焦平面阵列、易于制备的 BARC 设计，显著提升了红外探测性能。SiO₂/ZnS 双层增透膜通过在宽带范围内实现从空气到 HgCdTe 的折射率过渡，有效抑制了菲涅尔反射。对于短波红外波段（1–3 μm），最优 BARC 设计（SiO₂ 267 nm/ZnS 154 nm）可实现平均反射率低于 3%；而对于中波红外波段（3–5 μm），设计（SiO₂ 458 nm/ZnS 354 nm）可达到

实验部分

本研究采用了两种不同截止波长的 HgCdTe 焦平面阵列：截止波长为 3 μm 的短波红外器件和截止波长为 5 μm 的中波红外器件。短波红外 HgCdTe 吸收层采用液相外延（LPE）在 CdZnTe 衬底上生长。而中波红外 HgCdTe 吸收层则采用分子束外延（MBE）在 Si 衬底上生长，并引入 CdTe 缓冲层以实现晶格与应力匹配，随后再进行 HgCdTe 的外延生长。外延层的

作者贡献声明（CRediT）

钟燕红（Yanhong Zhong）：方法学、概念设计。张宇阳（Yuyang Zhang）：原文撰写、可视化呈现。周松敏（Songmin Zhou）：数据整理。周东杰（Dongjie Zhou）：原文撰写、可视化呈现。沈传（Chuan Shen）：数据整理。邓木均（Manjun Deng）：数据整理。孙泉志（Quanzhi Sun）：数据整理。林佳木（Jiamu Lin）：数据整理。林春（Chun Lin）：数据整理。丁瑞军（Ruijun Ding）：数据整理。郝佳明（Jiaming Hao）：原文审阅与编辑、监督指导。初俊豪（Junhao Chu）：监督指导。

资助

本工作获得中国科学院战略先导科技专项（XDB0980000）、国家重点研发计划（2022YFA1404700、2024YFB3907800）、国家自然科学基金（U2141240、62075231、62588101）、上海市科学技术委员会（23dz2260100、23ZR1473300）、上海技术物理研究所科教融合创新计划（SITPKJRH-2025-08）资助。https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2026.116752

利益冲突声明

作者声明，与本稿件不存在利益冲突。

钟燕红（Yanhong Zhong）| 张宇阳（Yuyang Zhang）| 周松敏（Songmin Zhou）| 周东杰（Dongjie Zhou）| 沈传（Chuan Shen）| 邓木均（Manjun Deng）| 孙泉志（Quanzhi Sun）| 林佳木（Jiamu Lin）| 林春（Chun Lin）| 丁瑞军（Ruijun Ding）| 郝佳明（Jiaming Hao）| 初俊豪（Junhao Chu）