为了提高目标探测距离和实现高温度灵敏度探测,发展长波、大规模的焦平面探测器技术是第三代焦平面的重要技术特征之一。美国RVS等多家研究机构先后发展了替代衬底上的碲镉汞红外焦平面技术,其低成本、高可靠性等优势已在中、短波超大规模凝视型探测器上得到了充分应用。基于替代衬底上的原位p⁺-on-n结构长波（截止波长最长到11.7μm）碲镉汞红外焦平面器件研制也得到了广泛关注。本文针对替代衬底上碲镉汞材料缺陷密度高而更易引起长波器件暗电流大、探测率低的问题,开展暗电流机理分析和原位掺杂p⁺-on-n长波材料工艺研究,探索暗电流的抑制途径和方法,对推动我国高性能低成本的长波碲镉汞探测器技术的发展具有重要意义。本文在不同衬底的碲镉汞长波材料上,分别基于MBE原位掺杂生长的p⁺-on-n异质结和离子注入n⁺-on-p成结的长波碲镉汞芯片加工技术,进行器件单元芯片性能对比验证。通过变温I-V测试及R-V曲线拟合分析,提取器件性能参数,澄清并对比四种器件在不同温度下的暗电流主导机制。分析表明:对于n⁺-on-p注入平面结工艺,80K以上Si基碲镉汞器件（截止波长约9μm）性能达到与Cd Zn Te基碲镉汞相同水平。但在60K以下,替代衬底上的碲镉汞薄膜材料体内高达10⁶cm^-3的位错对结区陷阱浓度N_t有重要贡献,同时作为SRH复合中心极大降低了结区内少子寿命,导致零偏动态电阻比Cd Zn Te基器件低了2～3个数量级。p⁺-on-n台面结器件以其n型吸收层的低载流子浓度、低少子迁移率和较高的少子寿命,同时利用原位掺杂技术能避免结区内的注入损伤,在80K以上时零偏动态电阻比同为替代衬底的n⁺-on-p平面结器件高1个数量级,60K以下则高2～3个数量级。对于同为替代衬底,但p区As掺杂浓度不同的两个长波p⁺-on-n台面结器件,研究结果表明较高的As掺入浓度容易引入高浓度的陷阱,导致陷阱辅助隧穿电流迅速增大起主导作用,从而严重影响零偏及小反偏下器件性能。因此提高吸收层的晶体质量,同时工艺上注意优化控制As的掺入浓度、提高As的激活率从而抑制陷阱辅助隧穿电流,是制备高性能长波原位掺杂p⁺-on-n器件的核心。本文还围绕长波碲镉汞分子束外延原位稳定的砷掺入及激活工艺实现方法开展实验研究,并得到以下结论:在As的掺入方面,单晶碲镉汞材料中As的掺入浓度实际受到衬底温度、Hg束流配比两个因素的共同影响,稳定衬底温度与合适的Hg束流是实现多片As稳定掺入的核心。多片不同Hg/Te的As掺杂浓度对比结果也表明,Hg空位对As的掺入起到了阻挡作用,实验性地解释了相同As阀位时,组分越大As浓度越高的现象。同时开展了3英寸MBE外延材料As掺杂均匀性研究,通过对比Cd Te掺As以及不同Hg/Te的HgCdTe材料As浓度面分布均匀性,发现合适的Hg束流是保证As分布均匀性的关键。在As的激活方面,Hg饱和蒸气压下的300℃/16h+420℃/1h退火条件可以明显提升长波碲镉汞材料中As激活率至80%以上。通过LBIC和少子寿命测试分析,对比表征了不同激活工艺下长波p型As掺杂碲镉汞材料的电学性能。相同p型载流子浓度下,拟合获得的扩散长度和少子寿命结果均与激活率正相关。基于上述暗电流抑制机理研究,通过p⁺-on-n材料结构设计和成结工艺优化,获得的截止波长为9.66μm的Si基长波单元器件零偏阻抗达到与国外n⁺-on-p Cd Zn Te基碲镉汞器件相同水平;研制获得的128×128小规模Si基8.8μm长波焦平面探测率(1.7×10¹¹cm Hz^1/2/W)和噪声等效温差（27.8m K）等指标与同等波长下Cd Zn Te基碲镉汞红外焦平面器件相当,完成了原位掺杂异质结的替代衬底碲镉汞材料结构和性能应用初步验证。