红外探测器技术发展

红外探测器技术发展袁继俊（华北光电技术研究所，北京100015）主要讨论的几个问题1、红外探测器从分立型器件到焦平面阵列2、探测器“代”的划分问题3、HgCdTe和AlGaAs/GaAs的比较4、超晶格结构材料5、焦平面阵列关键技术6、应该大力发展成像传感器1、引言•红外探测技术是信息获取的主要手段之一，红外系统的核心是红外探测器；•单元、多元线列和小规模面阵器件技术已经成熟，已经由分立型器件发展为集成化的焦平面阵列；•红外器件水平的提高和新一代器件的出现，就会使红外整机性能大幅提升甚至更新换代，所以有“一代器件、一代整机、一代装备”之说。2、从分立器件到焦平面阵列分立型红外探测器，系指器件单独封装实现光电转换功能，每个探测器元单独输出信号，再与前放等信号处理电路相连，每个器件都形成一个单独的信号通道，其结构如图1所示。图1分立型器件信号输出与前放连接示意图红外焦平面阵列（IRFPA）系指大规模M×N（元）面阵型或4N或6N（元）型探测器芯片与信号处理电路芯片集成互连耦合后，共同封装在一个外壳中，在焦平面上实现光电转换和信号处理，将各元件的光电信号多路传输至一条或几条输出线，以行转移或帧转移的视频信号的形式输出，探测器结构大大简化，包括电源线、驱动电路和信号输出等全部引出线大约只须４０条。其结构[1]如图2所示。a.)In柱碰焊和环孔焦平面阵列b)焦平面阵列的探测器和处理电路图2焦平面信号输出示意图与分立型器件相比，红外焦平面阵列的元数可以提高几个数量级，扩展到材料和工艺技术允许的规模。红外焦平面阵列从结构、制造、检测到性能都发生了质的变化，是新一代红外探测器。3、热探测器与非制冷焦平面阵列•热型探测器接收红外辐射后，引起灵敏元温度变化而产生信号，对不同波长辐射能量的响应是相同的，即对波长无选择性，在室温工作；与光子型探测器相比，其灵敏度低、响应时间偏长。通常认为响应时间比较快的热电（pyroelectric）探测器，其响应时间也在毫秒量级，探测率为108量级,因此分立式热型探测器无法用于扫描成像，非制冷面阵红外焦平面阵列只能凝视成像使用。•热型探测器用于凝视成像用可以和电视兼容的每秒25帧成像为例,每帧时间为40ms,对于时间常数为毫秒级的热型探测器来说,凝视成像要求的时间常数已不成问题。非制冷红外焦平面阵列目前已达640×480元，应用最多的是160×120元、320×240元器件。其功能材料主要有：测辐射热计型的无定型硅（a-Si）、氧化钒(VOx)和热电型的锆钛酸铅（PZT）、钛酸锶钡（BST）、旦酸钪铅（PST）等。目前非制冷焦平面热像仪的NETD可达0.1℃,能满足一般工业需要和部分中低端军用需要。4、光子探测器及其焦平面阵列红外光子探测器一般由半导体材料制成，针对应用最广的三个大气透过窗口，发展了1~3μm的短波红外(SWIR)、3~5μm的中波红外(MWIR)和8~14μm的长波红外(LWIR)的探测器。光子探测器灵敏度高，响应快，但大多在低温工作，需要制冷。常用分立式光子探测器如表1所示。表1对应三个大气透过窗口的常用分立式光子探测器光谱响应范围1~3μm3～5μm8～14μm光导型探测器PbS,PbSe,InSb,HgCdTeHgCdTe,Ge:Hg,Si:X光伏型探测器HgCdTe,InSb,HgCdTeHgCdTeInGaAs/GaAlAs表2对应三个大气透过窗口的常用焦平面阵列光谱响应范围1~3μm3～5μm8～14μm焦平面阵列HgCdTe,InSb,HgCdTe,PtSiHgCdTe,AlGaAs/GaAsInGaAs/GaAlAs结构形式4N,凝视;4N,凝视;凝视;4N,凝视;凝视非制冷型a-Si，VOx，PE,凝视应当说明，表中InGaAs/GaAlAs是响应在0.9~1.7um的短波焦平面阵列，此波段一般目标自发辐射较弱，但有成熟的激光光源，主要用于主动探测，近年引起广泛关注。PtSi肖特基势垒型和AlGaAs/GaAs多量子阱其分立器件，与已成熟的InSb、HgCdTe相比，性能明显不足，基本不用作分立式器件使用，如PtSi的量子效率约为百分之一，AlGaAs/GaAs的光谱响应带宽约为～1μm。但由于其外延方法生长的材料，可以面积大、均匀性好、便于制作集成器件，特别是便于与Si信号处理电路工艺兼容或互连耦合，用于焦平面阵列工作时，元数多、积分时间长、可生产性好，其性能潜力得到充分发挥，成为很有前景的焦平面阵列，可以说是集成化的焦平面技术使它们充分发挥出潜在的性能优势。如PtSi焦平面阵列，其光电转换和信号处理芯片可以制作在同一Si片上（单片集成），工艺兼容，目前已达512×512、1024×1024元阵列规模。5、三代红外探测器典型规模[2]目前，红外探测器通常被分为三代[1]。第一代以分立型为主，元数在103元以下，有线列和小面阵结构，其代表产品有：美国的60元、120元、180元光导HgCdTe器件；法国5×11元光伏HgCdTe器件；英国4条（或8条）扫积型HgCdTe器件等第二代为扫描型和凝视型焦平面结构，在美国出现LADA（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）型阵列应用的基础上发展起来的焦平面阵列，规模在103~106元，其代表产品有：4×240元、4（６）×480元HgCdTe和256×256元、320×240元InSb、HgCdTe等。第三代以凝视型为主，规模在106元以上，且强调双波长（双色）或多波长（多色）响应，更强的智能化逻辑处理功能，以及价格较低的非制冷焦平面阵列等。6、长波多量子阱AlGaAs/GaAs与HgCdTe焦平面阵列性能的比较1991年已经出现了AlGaAs/GaAs多量子阱（MQW）材料制成的128×128元混合式IRFPA。有其特色，由噪声特性测量结果看出，1/f噪声很低，适宜制成凝视IRFPA。这种器件的均匀性好，动态范围大，可达80dB以上。表4、70K时HgCdTe和QWIP两种器件基本性能比较参数HgCdTeQWIP(n型)红外吸收垂直入射Eoptical垂直无吸收量子效率≥70%≤10%光谱灵敏度宽波段窄波（FWHM～1μm）增益10.4（30~50个阱）热产生时间～1μs～10psR0A（λc=10μm）800Ωcm2104Ωcm2D*（λc=10μm，FOV=0）2×1010cmHz1/2W-12×1010cmHz1/2W-1QWIP的主要优点材料稳定性好、抗辐射能力强、均匀性好，易制作大规模阵列、双色和多色器件，可生产性好，生产成本方面具有潜在优势。主要不足是量子效率低，暗电流随温度变化较大，因此在低温下性能较好，适宜于低背景条件下工作，需要更低的工作温度（例如截止波长10μm时工作温度77K；要得到等效性能，截止波长15μm时需要55K；截止波长19μm时需要35K），高性能器件需要长积分时间。HgCdTe探测器的特点本征光子吸收，有很高的量子效率，光生载流子寿命比量子阱红外探测器子带跃迁激发的要高约三个量级，因此具有好的性能和高响应率,工作温度相对较高，各种应用已较成熟。其相对不足是材料稳定性、耐辐射特性和均匀性，规模进一步作大可能会遇到技术上的困难。但研究工作是无止境的，目前，在Si基上通过多层缓冲过渡材料外延，生长CdZnTe外延衬底层，外延生长大面积HgCdTe材料，以期研制大面阵HgCdTe焦平面阵列，克服HgCdTe制作大面阵的困难；并且用HgCdTe研制双色和三色焦平面阵列的工作也已经取得了很大的进展。HgCdTe与QWIP的比较不能简单否定或肯定哪一种，目前两者均应重视发展，特别是目前应用需要的器件仍应以发展HgCdTeFPA为重点，用于第三代的研究正在取得进展；QWIP可以作为发展第三代IRFPA的重点方向之一。此外，也正在研究利用Ⅱ类与Ⅲ类的超晶格材料，研制长波红外探测器并已取得了进展。7、超晶格结构与能带工程（人工剪裁带隙)•超晶格（superlattier)由两种不同的半导体超薄层材料交替排列而成。ABAB….•例如GaInSb/InAs超晶格材料可用于8～12um器件。超晶格分类1、组分超晶格：如InAs/GaInSb2、掺杂超晶格：n-Si与p-Si另外，根据两层材料内能带的相互位置，超晶格又分为I、II、III类。I类A带隙完全落在B带隙内;II类A,B材料的带隙相互错开;III类其中一种是零带隙,其导带边位于另一材料的价带边之下.此外还有应变层超晶格。超晶格材料的出现，揭开了研制人工探测材料的序幕。8、红外FPA关键技术:1、功能材料生长技术。高纯元素材料（７个９、９个９）大直径衬底材料及过渡层生长大面积、高均匀、低缺陷密度外延簿膜（36x38cm2），外延材料生长主要有LPEMBEMOCVD2、高密度、大面阵IRFPA制备技术元件面积20x28um、间距20um、104～106元In柱生长和倒装焊（回熔焊）钝化隔离和组装红外FPA关键技术:3、信号处理(Si)电路设计、制备元件密度大、尺寸小、功能强低温（77K）工作、高性能4、红外器件的均匀性、一致性(均匀性校正）5、微杜瓦长期（10年以上）真空保持6、现代设计制造技术9、由组件到成像传感器适应各种红外成像整机系统的共同需要,可以把红外成像头，单独制作成通用的、标准化的、模块化的、可以MEMS加工组装的热成像头，称为成像传感器，或热成像组件。实际上，这不只是推广应用的需求，也是技术发展的必然趋势。红外成像传感器包括红外焦平面阵列器件、光学系统、扫描器（凝视型无）、制冷器（非制冷型无）、不均匀性校正、信号处理读出电路等。从目标图像摄取、转换至视频输出，带有CCIR模拟输出或数字视频信号输出的标准接口，它实际上是具有完整独立功能的红外摄像头。成像传感器它是在在充分了解红外焦平面阵列性能和特点的基础上，围绕充分发挥探测器性能潜力，进行个性化专业化设计，针对不同器件性能差异，选取和调整光学系统、扫描机构、不均匀性校正、信号处理读出电路等相关配套部件，使其相互配合最优化；能择优解决军用光电武器系统对红外热像仪的空间分辩率、温度灵敏度、帧频、视场等方面相互矛盾的性能要求；以结构紧凑、功能齐全、可靠性好、性价比高的完整功能的标准化、通用组件形式提供用户。用户只需根据不同任务需要，加上望远镜系统和图像、信号处理软件与输出显示系统，就可以完成各种不同功能，可广泛用于精密跟瞄、火控制导、侦察告警、预警监视等各种武器系统和车载、舰载、星载等各种军事平台，更好满足不同应用对高性能红外成像的需要，使系统发挥出最好性能，为用户使用提供极大方便。10、结束语“一代”器件不能丢，技术成熟，批量生产，大量应用。“二代”焦平面阵列是当前研究开发重点：实用化、批量生产、大量装备，解决各种不同功能要求的图像处理和智能化、自动化问题，提高非制冷焦平面阵列规模和水平，与应用密切配合，解决应用中出现的问题。发展应围绕“第三代”焦平面阵列，着重基本技术问题的研究解决，包括外延材料生长、大规模高密度器件工艺、可低温工作的信号处理电路、互联耦合技术、非均匀性校正、测试评价技术、图像处理和智能化等技术关键问题。进一步应探索新型材料器件的研究开发，从能带工程出发，设计研究新型焦平面阵列材料和器件。谢谢大家!美国JPL四波段QWIP