第7章_致冷型紅外成像器件

1、第第7章章 致冷型紅外成像器件致冷型紅外成像器件 紅外輻射的發(fā)現(xiàn)紅外輻射的發(fā)現(xiàn): 紅外輻射是紅外輻射是1800年由英國天文學(xué)家年由英國天文學(xué)家威廉赫謝威廉赫謝爾爾(Herschel)爵士發(fā)現(xiàn)的，他在重復(fù)牛頓著名的爵士發(fā)現(xiàn)的，他在重復(fù)牛頓著名的棱鏡實(shí)驗(yàn)時，探測到緊鄰可見光譜低頻端的區(qū)域棱鏡實(shí)驗(yàn)時，探測到緊鄰可見光譜低頻端的區(qū)域中存在的熱量。中存在的熱量。 1900年，普朗克推導(dǎo)出了普朗克輻射定律，并定年，普朗克推導(dǎo)出了普朗克輻射定律，并定量地預(yù)計出黑體輻射能量與溫度和波長的函數(shù)關(guān)量地預(yù)計出黑體輻射能量與溫度和波長的函數(shù)關(guān)系。系。X射線射線紫外線紫外線近紅外線近紅外線紅外線短波紅外線短波紅外線中波

2、紅外線中波紅外線長波紅外線長波微波微波波長單位為微米波長單位為微米 (m)10-410-20.280.400.702.006.008.0010415.00熱測量熱測量 紅外線屬于電磁輻射，同樣具有光波的性質(zhì)，在紅外線屬于電磁輻射，同樣具有光波的性質(zhì)，在真空中以光速直線傳播，遵守同樣的反射、折射、真空中以光速直線傳播，遵守同樣的反射、折射、衍射和偏振定律，區(qū)別只是波長衍射和偏振定律，區(qū)別只是波長( (頻率頻率) )不同而已。不同而已。 紅外線波長范圍：紅外線波長范圍： 在在0.75m 1000m紅外線波長的短波端與可見紅外線波長的短波端與可見光相接，波長的長波端與無光相接，波長的長波端與無線電的

3、微波線電的微波( (毫米波毫米波) )相連。相連。紅外熱像儀可以接收紅外輻紅外熱像儀可以接收紅外輻射并將其轉(zhuǎn)換為溫度。射并將其轉(zhuǎn)換為溫度。 紅外波段分為紅外波段分為短短波紅外波紅外( (SWIR)1SWIR)13m3m波 段 ，波 段 ， 中 波 紅 外中 波 紅 外( (MWIR)3MWIR)35m5m波段和波段和長波紅外長波紅外( (LWIR)8LWIR)814m14m波段。波段。大氣紅外透射曲線大氣紅外透射曲線大氣對紅外線吸收比較大氣對紅外線吸收比較少的波段，也就是透射少的波段，也就是透射率比較高的波段，被形率比較高的波段，被形象地稱為象地稱為“大氣窗口大氣窗口”。對應(yīng)大氣窗口的波段，對

4、應(yīng)大氣窗口的波段，開發(fā)利用比較充分開發(fā)利用比較充分 紅外技術(shù)用于夜視，是由紅外技術(shù)用于夜視，是由于其工作原理決定的，它于其工作原理決定的，它的許多特點(diǎn)使它不只用于的許多特點(diǎn)使它不只用于夜視，還可用于探測、跟夜視，還可用于探測、跟蹤、偵察、告警、火控、蹤、偵察、告警、火控、制導(dǎo)以及工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)制導(dǎo)以及工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)、科研等各個領(lǐng)域。學(xué)、科研等各個領(lǐng)域。 紅外技術(shù)的核心是高靈敏度地接收紅外線，紅外技術(shù)的核心是高靈敏度地接收紅外線，并把它轉(zhuǎn)變成電信號輸出。并把它轉(zhuǎn)變成電信號輸出。圖是熱像儀圖是熱像儀夜間拍攝夜間拍攝的熱圖像，它是景物的的熱圖像，它是景物的熱圖，不受有無陽光照射的影響。熱圖，不受有

5、無陽光照射的影響。物物體體紅外鏡頭紅外鏡頭探測器探測器紅外熱圖紅外熱圖紅外輻射紅外輻射紅外熱像儀工作示意圖紅外熱像儀是紅外熱像儀是全被動全被動接收儀器，依靠接收目標(biāo)自接收儀器，依靠接收目標(biāo)自身輻射的紅外信號工作，對于其他精密電子儀器身輻射的紅外信號工作，對于其他精密電子儀器設(shè)備沒有任何干擾。設(shè)備沒有任何干擾。電路處理電路處理熱成像測量物體表面溫度熱成像測量物體表面溫度 靈敏度高靈敏度高 空間分辨率高空間分辨率高目前最靈敏的熱成像系統(tǒng)目前最靈敏的熱成像系統(tǒng)能測出能測出0.010.01的溫度變化的溫度變化例如：點(diǎn)熱成像系統(tǒng)例如：點(diǎn)熱成像系統(tǒng)1s1s內(nèi)內(nèi)可測出可測出2020萬個點(diǎn)。萬個點(diǎn)。紅外熱像圖

6、紅外熱像儀接收目標(biāo)各部位輻射的紅外能量，并將其轉(zhuǎn)換為溫度值，用不同的顏色標(biāo)示不同的溫度，以熱像圖方式在液晶屏上顯示。可見光圖可見光圖 紅外熱像圖紅外熱像圖 紅外輻射的應(yīng)用紅外輻射的應(yīng)用: 紅外線存在于自然界的任何角落，一切溫度紅外線存在于自然界的任何角落，一切溫度高于絕對零度高于絕對零度的的有生命體和無生命體時時刻刻有生命體和無生命體時時刻刻都在不停地輻射紅外線都在不停地輻射紅外線。 太陽是紅外線的巨大輻射源，整個星空都是紅外線源，地球太陽是紅外線的巨大輻射源，整個星空都是紅外線源，地球上，無論高山，還是森林湖泊，冰天雪地，都在日夜不停地上，無論高山，還是森林湖泊，冰天雪地，都在日夜不停地放射

7、紅外線，放射紅外線， 特別是，活動在地面、水中和空中的軍事裝置，如坦克、車特別是，活動在地面、水中和空中的軍事裝置，如坦克、車輛、軍艦、飛機(jī)等，由于有高溫部位，往往形成強(qiáng)的紅外輻輛、軍艦、飛機(jī)等，由于有高溫部位，往往形成強(qiáng)的紅外輻射源。紅外輻射的探測在軍事上和民生上有廣泛的應(yīng)用需求。射源。紅外輻射的探測在軍事上和民生上有廣泛的應(yīng)用需求。 在二次世界大戰(zhàn)開始前后，現(xiàn)代紅外成像技術(shù)進(jìn)入了初期階在二次世界大戰(zhàn)開始前后，現(xiàn)代紅外成像技術(shù)進(jìn)入了初期階段，在五十年代和六十年代，使用單元致冷鉛鹽探測器制作段，在五十年代和六十年代，使用單元致冷鉛鹽探測器制作的紅外傳感器首次用于防空導(dǎo)彈尋的。從此開始了紅外在軍

8、的紅外傳感器首次用于防空導(dǎo)彈尋的。從此開始了紅外在軍事上應(yīng)用事上應(yīng)用. 目前，紅外技術(shù)已經(jīng)從軍事應(yīng)用，走向民用，在國民經(jīng)濟(jì)各目前，紅外技術(shù)已經(jīng)從軍事應(yīng)用，走向民用，在國民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域發(fā)揮著巨大的作用。領(lǐng)域發(fā)揮著巨大的作用。 紅外熱像儀具有很高的軍事應(yīng)用價值和民用價值。紅外熱像儀具有很高的軍事應(yīng)用價值和民用價值。 在軍事上在軍事上，紅外熱像儀可應(yīng)用于軍事夜視偵查、，紅外熱像儀可應(yīng)用于軍事夜視偵查、武器瞄具、夜視導(dǎo)引、紅外搜索和跟蹤、衛(wèi)星遙武器瞄具、夜視導(dǎo)引、紅外搜索和跟蹤、衛(wèi)星遙感等多個領(lǐng)域；感等多個領(lǐng)域； 在民用方面在民用方面，紅外熱像儀可以用于材料缺陷的檢，紅外熱像儀可以用于材料缺陷的檢測與評

9、價、建筑節(jié)能評價、設(shè)備狀態(tài)熱診斷、生測與評價、建筑節(jié)能評價、設(shè)備狀態(tài)熱診斷、生產(chǎn)過程監(jiān)控、自動測試、減災(zāi)防災(zāi)等諸多方面。產(chǎn)過程監(jiān)控、自動測試、減災(zāi)防災(zāi)等諸多方面。 這種熱像圖與物體表面的熱分布場相對應(yīng)；這種熱像圖與物體表面的熱分布場相對應(yīng)； 實(shí)質(zhì)上是被測目標(biāo)物體各部分紅外輻射的熱像分實(shí)質(zhì)上是被測目標(biāo)物體各部分紅外輻射的熱像分布圖由于信號非常弱，與可見光圖像相比，缺少布圖由于信號非常弱，與可見光圖像相比，缺少層次和立體感，因此，在實(shí)際動作過程中為更有層次和立體感，因此，在實(shí)際動作過程中為更有效地判斷被測目標(biāo)的紅外熱分布場，常采用一些效地判斷被測目標(biāo)的紅外熱分布場，常采用一些輔助措施來增加儀器的實(shí)

10、用功能，如輔助措施來增加儀器的實(shí)用功能，如圖像亮度圖像亮度、對比度對比度的控制，的控制，實(shí)標(biāo)校正實(shí)標(biāo)校正，偽色彩描繪偽色彩描繪等技術(shù)。等技術(shù)。 紅外應(yīng)用 建筑檢測 食品 警用安防 制造業(yè) 石化 預(yù)防性維護(hù) 造紙 科研/測試 冶金 電力 動物醫(yī)療 軍事上臥室屋頂漏水建筑檢測辦公樓隔熱玻璃辦公樓隔熱玻璃BCAM/BCAM SD/B2/B4/B360/B400食品冷凍的雞肉食品制作過程中控制溫度食品制作過程中控制溫度警用安防樹叢里的嫌疑犯樹叢里的嫌疑犯地毯上的腳印地毯上的腳印夜視監(jiān)視夜視監(jiān)視 制造業(yè)芯片和電路板芯片和電路板電器產(chǎn)品電器產(chǎn)品石化預(yù)防性維護(hù)電器維護(hù)電器維護(hù)機(jī)械維護(hù)機(jī)械維護(hù)造紙溫度不同溫度

11、不同生產(chǎn)生產(chǎn)科研/測試飛機(jī)機(jī)翼飛機(jī)機(jī)翼冰箱保鮮冰箱保鮮冶金電力動物醫(yī)療 紅外武器裝備包括紅外夜視、前視紅外武器裝備包括紅外夜視、前視紅外、偵察、告警、火控、跟蹤、紅外、偵察、告警、火控、跟蹤、定位、精確制導(dǎo)和光電對抗等先進(jìn)定位、精確制導(dǎo)和光電對抗等先進(jìn)技術(shù)裝備，對取得戰(zhàn)場主動權(quán)和進(jìn)技術(shù)裝備，對取得戰(zhàn)場主動權(quán)和進(jìn)行夜戰(zhàn)，發(fā)揮了突出作用。行夜戰(zhàn)，發(fā)揮了突出作用。 有人統(tǒng)計從有人統(tǒng)計從19751985年，馬年，馬島戰(zhàn)爭至兩伊戰(zhàn)爭期間，被紅外島戰(zhàn)爭至兩伊戰(zhàn)爭期間，被紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈擊落的飛機(jī)，占飛機(jī)損制導(dǎo)導(dǎo)彈擊落的飛機(jī)，占飛機(jī)損失總數(shù)的失總數(shù)的95。紅外搜索跟蹤儀。紅外搜索跟蹤儀的跟蹤精度可以在的跟蹤精度

12、可以在10以內(nèi)，對以內(nèi)，對超低空目標(biāo)和掠海飛行目標(biāo)的抗超低空目標(biāo)和掠海飛行目標(biāo)的抗干擾能力以及對多目標(biāo)的選擇跟干擾能力以及對多目標(biāo)的選擇跟蹤能力，都是已有手段中最好的；蹤能力，都是已有手段中最好的；“阿帕奇阿帕奇”武裝直升機(jī)的紅外偵察圖像武裝直升機(jī)的紅外偵察圖像 軍事上的應(yīng)用軍事上的應(yīng)用預(yù)警衛(wèi)星裝有高精度的預(yù)警衛(wèi)星裝有高精度的探測器探測器。始終。始終指向敵對方的地區(qū)。一旦敵方發(fā)射指向敵對方的地區(qū)。一旦敵方發(fā)射導(dǎo)導(dǎo)彈彈，衛(wèi)星就可以探測出來，同時通過，衛(wèi)星就可以探測出來，同時通過對飛行彈道進(jìn)行計算，可以確定它的對飛行彈道進(jìn)行計算，可以確定它的落點(diǎn)和攻擊目標(biāo)，并馬上把信息傳到落點(diǎn)和攻擊目標(biāo)，并馬上把

13、信息傳到本部指揮中心，提醒作好反擊準(zhǔn)備。本部指揮中心，提醒作好反擊準(zhǔn)備。一般的一般的洲際導(dǎo)彈洲際導(dǎo)彈要要飛行幾十分種的飛行幾十分種的時間，中程導(dǎo)彈也要飛時間，中程導(dǎo)彈也要飛行幾分種到行幾分種到十幾分種的時間。預(yù)警衛(wèi)星的報警十幾分種的時間。預(yù)警衛(wèi)星的報警就為自己一方贏得了寶貴的時間。就為自己一方贏得了寶貴的時間。美軍近日在導(dǎo)彈防御上可謂不美軍近日在導(dǎo)彈防御上可謂不惜血本，對導(dǎo)彈防御系統(tǒng)的資惜血本，對導(dǎo)彈防御系統(tǒng)的資金投入，到金投入，到2016年，其年度年，其年度費(fèi)用將達(dá)費(fèi)用將達(dá)150億美元。億美元。2012年年7月，朝鮮進(jìn)行導(dǎo)彈試射時，月，朝鮮進(jìn)行導(dǎo)彈試射時，美軍的反導(dǎo)預(yù)警系統(tǒng)對朝鮮導(dǎo)美軍的反導(dǎo)

14、預(yù)警系統(tǒng)對朝鮮導(dǎo)彈試射情況掌握得一清二楚。彈試射情況掌握得一清二楚。 衛(wèi)星紅外偵察衛(wèi)星紅外偵察、預(yù)預(yù)警警，可以在數(shù)十秒，可以在數(shù)十秒內(nèi)探測到彈道導(dǎo)彈內(nèi)探測到彈道導(dǎo)彈助推段火箭的發(fā)射。助推段火箭的發(fā)射。預(yù)警衛(wèi)星預(yù)警衛(wèi)星的紅外望遠(yuǎn)鏡，可以全的紅外望遠(yuǎn)鏡，可以全天候探測天候探測“飛毛腿飛毛腿”導(dǎo)彈發(fā)射，導(dǎo)彈發(fā)射，30s內(nèi)就可探測到發(fā)動機(jī)噴射的內(nèi)就可探測到發(fā)動機(jī)噴射的尾焰，為尾焰，為“反導(dǎo)反導(dǎo)”贏得了時間；贏得了時間；長波紅外熱像儀長波紅外熱像儀在夜間可看清戰(zhàn)在夜間可看清戰(zhàn)場目標(biāo)，提高了飛機(jī)、坦克、戰(zhàn)場目標(biāo)，提高了飛機(jī)、坦克、戰(zhàn)車的夜間作戰(zhàn)能力和識別偽裝目車的夜間作戰(zhàn)能力和識別偽裝目標(biāo)的能力，海灣戰(zhàn)爭

15、中飛機(jī)轟炸標(biāo)的能力，海灣戰(zhàn)爭中飛機(jī)轟炸主要是在夜間進(jìn)行的。主要是在夜間進(jìn)行的。從常規(guī)的夜間紅外瞄準(zhǔn)具到空間從常規(guī)的夜間紅外瞄準(zhǔn)具到空間的衛(wèi)星攔截器都使用了的衛(wèi)星攔截器都使用了紅外技術(shù)紅外技術(shù)紅外成像裝備及觀察到的紅外成像裝備及觀察到的F117圖像圖像 紅外探測有兩種主要形式：紅外探測有兩種主要形式： 第一類器件第一類器件 :需要需要致冷型致冷型的紅外光量子型探測器件，的紅外光量子型探測器件，這類器件是通過光致激發(fā)將光子直接轉(zhuǎn)換成半導(dǎo)這類器件是通過光致激發(fā)將光子直接轉(zhuǎn)換成半導(dǎo)體中的自由載流子。體中的自由載流子。 第二類器件第二類器件: 非致冷非致冷的量熱型紅外探測器件，在這的量熱型紅外探測器件，

16、在這類器件中，入射輻射被晶格吸收，由此而增加了類器件中，入射輻射被晶格吸收，由此而增加了晶格的溫度并改變了探測器的電特性。晶格的溫度并改變了探測器的電特性。 許多常溫下物體的輻射光譜峰值都在許多常溫下物體的輻射光譜峰值都在10m左右左右. 軍事目標(biāo)輻射的峰值在軍事目標(biāo)輻射的峰值在814m波段范圍，這個波段是軍波段范圍，這個波段是軍事探測、紅外遙感的主要事探測、紅外遙感的主要工作波段工作波段. 也是大功率也是大功率CO2激光器的工作波段，而且大氣在這個波段激光器的工作波段，而且大氣在這個波段的透過率高，常稱為的透過率高，常稱為大氣第三個透過窗口大氣第三個透過窗口。 人們希望有工作于常溫或不很低的

17、低溫而且人們希望有工作于常溫或不很低的低溫而且D*又高的本征又高的本征型光電導(dǎo)器件。根據(jù)本征光電效應(yīng)工作原理，適合于型光電導(dǎo)器件。根據(jù)本征光電效應(yīng)工作原理，適合于814m的波段的半導(dǎo)體材料，其的波段的半導(dǎo)體材料，其禁帶寬度禁帶寬度應(yīng)為應(yīng)為0.090.15eV. 但是已知所有單晶和化合物半導(dǎo)體材料中都不具備這么小但是已知所有單晶和化合物半導(dǎo)體材料中都不具備這么小的禁帶寬度。人們用多元化合物達(dá)到了這一目的。的禁帶寬度。人們用多元化合物達(dá)到了這一目的。碲鎘汞碲鎘汞（Hg1-xCdxTe，HgCdTe），簡寫為），簡寫為MCT或或CMT，是最常，是最常用的長波紅外（用的長波紅外（LWIR ，8-14m

18、）和中波紅外（）和中波紅外（MWIR，3-5m ）的）的探測器材料探測器材料。7.1 SPRITE紅外探測器紅外探測器7.1.1 碲鎘汞的性質(zhì)碲鎘汞的性質(zhì) Hg1-xCdxTe是由二元是由二元CdTe和和HgTe構(gòu)成的固溶體。構(gòu)成的固溶體。CdTe的的禁帶寬度較寬禁帶寬度較寬，HgTe是半金屬。通過不是半金屬。通過不同的配比同的配比x（按摩爾數(shù)比），以及在不同的工作（按摩爾數(shù)比），以及在不同的工作溫度溫度T，可以得到不同的帶隙的，可以得到不同的帶隙的MCT。 研究指出，研究指出，Hg1-xCdxTe的禁帶寬度的禁帶寬度Eg可用經(jīng)驗(yàn)公可用經(jīng)驗(yàn)公式表示：式表示：43()0.25 1.595.233

19、 10(1 2.08 ) 0.327gE eVxTxx 在在0.17x77K時，計算結(jié)果同實(shí)驗(yàn)值時，計算結(jié)果同實(shí)驗(yàn)值相當(dāng)一致。在相當(dāng)一致。在x較小時，較小時，Eg同同x可視為呈直線關(guān)系，可視為呈直線關(guān)系，Eg變?yōu)椋鹤優(yōu)椋?4() 5.233 10 (1 2.08 )gE eVx T所以所以Eg對對T的變化率為：的變化率為：45.23310(12.08 )gdExdT 從式（從式（7-3）可以看出，在）可以看出，在xL，則在，則在時間內(nèi)時間內(nèi)p完完全移出體外；全移出體外；如如漂移長度小于樣品長度漂移長度小于樣品長度L，即，即LdL，則在，則在時間內(nèi)部分時間內(nèi)部分p移移出體外；出體外；產(chǎn)生的空穴以

20、產(chǎn)生的空穴以E的漂移速度運(yùn)動，的漂移速度運(yùn)動，p的漂移速度的漂移速度vd=E產(chǎn)生的空穴在壽命期間漂移的長度，產(chǎn)生的空穴在壽命期間漂移的長度，p的漂移長度的漂移長度Ld=E 即即 全部掃出條件之一全部掃出條件之一，E=L 即即 臨界掃出電壓臨界掃出電壓 UL2/ 如果如果Ld=L，則樣品中的，則樣品中的p在在時間內(nèi)正好完全移出體外。時間內(nèi)正好完全移出體外。pxpEgtp 實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)SPRITE探測器信號延遲和疊加的必要條件探測器信號延遲和疊加的必要條件是紅外圖像掃描速度是紅外圖像掃描速度vs等于非平衡少數(shù)載流子空等于非平衡少數(shù)載流子空穴的雙極漂移速度。這可以認(rèn)為是穴的雙極漂移速度。這可以認(rèn)為是全掃

21、出的條件全掃出的條件之二之二,即即 vs=vd， 雙極漂移速度雙極漂移速度vd與與n型型Hg1-xCdxTe材料少數(shù)載流材料少數(shù)載流子的遷移率子的遷移率p和加于長條的電場強(qiáng)度和加于長條的電場強(qiáng)度Ex有關(guān)。有關(guān)。 對于一定的材料，對于一定的材料，p是一定的，唯有外加電場強(qiáng)是一定的，唯有外加電場強(qiáng)度可以調(diào)節(jié)。度可以調(diào)節(jié)。 如果在器件允許的條件下所加電場強(qiáng)度足夠高，如果在器件允許的條件下所加電場強(qiáng)度足夠高，非平衡少數(shù)載流子被電場全部或大部分掃出，這非平衡少數(shù)載流子被電場全部或大部分掃出，這樣就能實(shí)現(xiàn)信號的延遲和疊加；樣就能實(shí)現(xiàn)信號的延遲和疊加；SPRITE探測器的結(jié)構(gòu)探測器的結(jié)構(gòu)圖7-3 SPRIT

22、E探測器實(shí)際結(jié)構(gòu) 典型的掃積型探測器典型的掃積型探測器8塊塊N型型MCT的細(xì)長條組成。每條長的細(xì)長條組成。每條長寬寬高高=70062.510m3。條間距。條間距12.5m，讀出區(qū)，讀出區(qū)長為長為50m，寬為，寬為35m。 每個細(xì)條有三個電極。一個電極為信號探針或讀出端，每個細(xì)條有三個電極。一個電極為信號探針或讀出端，另兩端是歐姆接觸的電源電極。讀出電極結(jié)構(gòu)有另兩端是歐姆接觸的電源電極。讀出電極結(jié)構(gòu)有音叉音叉、平角平角、楔形一平角形楔形一平角形。如圖。如圖7-4。 漂 移 區(qū) 讀 出 區(qū) 平 角 形 讀 出 羊 角 形 讀 出 楔 形 -羊 角 讀 出 圖圖7-4 SPRITE探測器讀出電極結(jié)構(gòu)

23、探測器讀出電極結(jié)構(gòu)7.2 紅外焦平面陣列的結(jié)構(gòu)和工作原理紅外焦平面陣列的結(jié)構(gòu)和工作原理 與與SPRITE探測器相比，陣列型紅探測器相比，陣列型紅外成像器件由陣列元組成，并處外成像器件由陣列元組成，并處于紅外成像系統(tǒng)的焦平面上，常于紅外成像系統(tǒng)的焦平面上，常稱為稱為紅外焦平面陣列紅外焦平面陣列（Infrared Focus Plane Array，IRFPA）。）。 紅外焦平面陣列要求將高達(dá)紅外焦平面陣列要求將高達(dá)106甚甚至更多的探測器單元至更多的探測器單元緊湊地封裝緊湊地封裝在焦平面上。在焦平面上。 紅外焦平面器件已用于夜視、跟紅外焦平面器件已用于夜視、跟蹤、空間技術(shù)、無損探傷、溫度蹤、空間

24、技術(shù)、無損探傷、溫度監(jiān)測、天文、醫(yī)學(xué)等廣泛的領(lǐng)域，監(jiān)測、天文、醫(yī)學(xué)等廣泛的領(lǐng)域，是新一代高性能的紅外探測器，是新一代高性能的紅外探測器，世界上許多國家在這方面開展研世界上許多國家在這方面開展研究，已經(jīng)究，已經(jīng)在軍事上獲得了應(yīng)用。在軍事上獲得了應(yīng)用。7.2.1 紅外探測的工作原理紅外探測的工作原理 無論是直接的還是間接的，紅外探測器都是用來無論是直接的還是間接的，紅外探測器都是用來把入射輻射轉(zhuǎn)換成電信號。把入射輻射轉(zhuǎn)換成電信號。 如前所述，光子探測器，是通過光致激發(fā)將光子如前所述，光子探測器，是通過光致激發(fā)將光子直接轉(zhuǎn)換成半導(dǎo)體中的自由載流子。直接轉(zhuǎn)換成半導(dǎo)體中的自由載流子。 目前有四種主要類型

25、的光子探測器，即目前有四種主要類型的光子探測器，即光電導(dǎo)、光電導(dǎo)、光伏、光伏、MIS結(jié)構(gòu)和肖特基勢壘型。結(jié)構(gòu)和肖特基勢壘型。圖圖 7-8 四種常用的紅外探測器結(jié)構(gòu)和與其有關(guān)的能帶圍。四種常用的紅外探測器結(jié)構(gòu)和與其有關(guān)的能帶圍。(a)光電導(dǎo)光電導(dǎo)(b)光伏光伏(c)金屬金屬-絕緣體絕緣體-半導(dǎo)體半導(dǎo)體(d)肖特基勢壘肖特基勢壘7.2.2 紅外焦平面陣列特點(diǎn)紅外焦平面陣列特點(diǎn) 紅外焦平面陣列紅外焦平面陣列(IRFPA，InfraRed Focus Plane Array)，其方法是將兩維紅外其方法是將兩維紅外探測陣列集成在帶有探測陣列集成在帶有多路傳輸讀出電路的多路傳輸讀出電路的器件上器件上,該器

26、件位于紅該器件位于紅外系統(tǒng)的焦平面上。外系統(tǒng)的焦平面上。屬于凝視性器件。屬于凝視性器件。 何為焦平面何為焦平面? CCD,CMOS在焦面上在焦面上. Sprite探測器不在焦面上探測器不在焦面上. 為何特別叫為何特別叫”紅外焦平面紅外焦平面”? 相對于紅外相對于紅外Sprite探測器探測器.,它不位于紅外系統(tǒng)的它不位于紅外系統(tǒng)的焦平面上焦平面上. 何為陣列何為陣列? 相對于分離的相對于分離的Sprite探測器探測器,它不是陣列它不是陣列. 何為凝視何為凝視? 相對于掃描型的紅外相對于掃描型的紅外Sprite探測器探測器. (1) 可見光可見光CCD的探測器和多路傳輸器都是用硅材料來制做的探測器

27、和多路傳輸器都是用硅材料來制做的，而工作于的，而工作于35 m和和812 m大氣窗口的高靈敏度大氣窗口的高靈敏度IRFPA，則要求探測器的禁帶寬度為，則要求探測器的禁帶寬度為0.1到到0.25eV。因此，。因此，IRFPA一般是一般是用窄禁帶半導(dǎo)體作探測器，硅作多路傳輸器和用窄禁帶半導(dǎo)體作探測器，硅作多路傳輸器和處理器來制造，處理器來制造，由此將產(chǎn)生很復(fù)雜的互連問題和材料問題。由此將產(chǎn)生很復(fù)雜的互連問題和材料問題。 (2) 一般的大地紅外景物的紅外圖像對比度很低一般的大地紅外景物的紅外圖像對比度很低(與可見光不與可見光不同同)，而背景很強(qiáng)，這使其主要受限于光子噪聲。由于使用，而背景很強(qiáng)，這使其

28、主要受限于光子噪聲。由于使用了窄禁帶半導(dǎo)體材料，需要得到最低的電子噪聲使之盡可能了窄禁帶半導(dǎo)體材料，需要得到最低的電子噪聲使之盡可能達(dá)到光子噪聲限，必須對達(dá)到光子噪聲限，必須對IRFPA進(jìn)行低溫冷卻進(jìn)行低溫冷卻。因此，這種。因此，這種IRFPA器件都必須涉及到一些與低溫高性能模擬電路的電子器件都必須涉及到一些與低溫高性能模擬電路的電子設(shè)計有關(guān)的附加問題。如機(jī)械封裝，以及與低溫致冷器接口設(shè)計有關(guān)的附加問題。如機(jī)械封裝，以及與低溫致冷器接口的的杜瓦瓶杜瓦瓶的電氣連接問題。的電氣連接問題。 杜瓦瓶杜瓦瓶 （3）由于入射在）由于入射在MWIR（中波紅外）和（中波紅外）和LWIR（長波紅外）成像系統(tǒng)焦平

29、面上的紅外輻射的主（長波紅外）成像系統(tǒng)焦平面上的紅外輻射的主要特點(diǎn)在于具有很大的、占主要份量的環(huán)境背景要特點(diǎn)在于具有很大的、占主要份量的環(huán)境背景輻射，因此大多數(shù)的紅外圖像的特點(diǎn)是輻射，因此大多數(shù)的紅外圖像的特點(diǎn)是高背景本高背景本底和低對比度底和低對比度。 這與這與背景輻射很小且對比度很高背景輻射很小且對比度很高的近紅外和可見的近紅外和可見光光CCD圖像正好相反。因此，理想條件下的紅外圖像正好相反。因此，理想條件下的紅外成像就受限于背景光子到達(dá)速率的漲落成像就受限于背景光子到達(dá)速率的漲落(光子噪光子噪聲聲)。光子噪聲通常被用作比較探測器噪聲的參考。光子噪聲通常被用作比較探測器噪聲的參考點(diǎn)。點(diǎn)。

30、CCD圖象特征圖象特征:背景背景輻射很小且對比度輻射很小且對比度很高很高 紅外圖象特征紅外圖象特征: 高背景本底和低對比度。高背景本底和低對比度。 特征特征: 高背景本底和低對比度。高背景本底和低對比度。 致冷型致冷型 非致冷型非致冷型(下章論述下章論述) 實(shí)質(zhì)上是被測目標(biāo)物體各部分紅外輻射的熱像分實(shí)質(zhì)上是被測目標(biāo)物體各部分紅外輻射的熱像分布圖由于信號非常弱，布圖由于信號非常弱，與可見光圖像相比，缺少與可見光圖像相比，缺少層次和立體感層次和立體感，因此，在實(shí)際動作過程中為更有，因此，在實(shí)際動作過程中為更有效地判斷被測目標(biāo)的紅外熱分布場，常采用一些效地判斷被測目標(biāo)的紅外熱分布場，常采用一些輔助措

31、施來增加儀器的實(shí)用功能，如圖像亮度、輔助措施來增加儀器的實(shí)用功能，如圖像亮度、對比度的控制，實(shí)標(biāo)校正，偽色彩描繪等技術(shù)。對比度的控制，實(shí)標(biāo)校正，偽色彩描繪等技術(shù)。 2. IRFPA有幾個明顯的優(yōu)點(diǎn)：有幾個明顯的優(yōu)點(diǎn)： 第一第一，探測器整體結(jié)構(gòu)高密度封裝，實(shí)用方便、體，探測器整體結(jié)構(gòu)高密度封裝，實(shí)用方便、體積小、重量輕、簡單、可靠和低成本；積小、重量輕、簡單、可靠和低成本； 第二第二，IRFPA信號處理過程在焦平面器件上進(jìn)行；信號處理過程在焦平面器件上進(jìn)行； 第三第三，允許優(yōu)化設(shè)計系統(tǒng)參數(shù)，如較小的光學(xué)孔，允許優(yōu)化設(shè)計系統(tǒng)參數(shù)，如較小的光學(xué)孔徑，縮小的光譜帶寬和較高的幀速等；徑，縮小的光譜帶寬和

32、較高的幀速等； 與與SPRITE紅外探測器件相比，紅外探測器件相比， 第四第四，可以去掉現(xiàn)有系統(tǒng)中的一些處理電路，可以去掉現(xiàn)有系統(tǒng)中的一些處理電路(主要主要是附屬于分立探測器的前置放大器和多路傳輸器是附屬于分立探測器的前置放大器和多路傳輸器)和減少穿過杜瓦瓶信號線的數(shù)目。和減少穿過杜瓦瓶信號線的數(shù)目。 在在IR FPA出現(xiàn)之前，如用出現(xiàn)之前，如用SPRITE，制做大面陣，制做大面陣的唯一方法是將每個探測器連接到一根引線上的唯一方法是將每個探測器連接到一根引線上(也也許是一個前置放大器上許是一個前置放大器上)，而這些引線都必須封裝，而這些引線都必須封裝在同一個小杜瓦瓶內(nèi)在同一個小杜瓦瓶內(nèi). 在探

33、測器引線數(shù)很大時，很明顯這將產(chǎn)生一個無在探測器引線數(shù)很大時，很明顯這將產(chǎn)生一個無法處理的導(dǎo)線和電子元件的迷宮，要求一個大得法處理的導(dǎo)線和電子元件的迷宮，要求一個大得無法接受的致冷器。無法接受的致冷器。 焦平面陣列技術(shù)焦平面陣列技術(shù)的目的是的目的是采用集成電路技術(shù)采用集成電路技術(shù)來滿來滿足制作非常大的探測器陣列。目前，有三種主要足制作非常大的探測器陣列。目前，有三種主要的結(jié)構(gòu)形式：的結(jié)構(gòu)形式：混合式混合式IRFPA、全單片式、全單片式IRFPA、準(zhǔn)單片式準(zhǔn)單片式IRFPA。 IRFPA的出現(xiàn)已經(jīng)為紅外系統(tǒng)在增加靈敏度和空的出現(xiàn)已經(jīng)為紅外系統(tǒng)在增加靈敏度和空間分辨率方面帶來了許多新的可能性間分辨率

34、方面帶來了許多新的可能性.7.2.3 紅外焦平面陣列的材料紅外焦平面陣列的材料當(dāng)前，用于當(dāng)前，用于IRFPA的材料有的材料有: 硅化鉑硅化鉑(PtSi) 銻化銦銻化銦(InSb) 碲鎘汞（碲鎘汞（HgCdTe） GaAsAlGaAs多量子阱多量子阱 等。等。1.硅化鉑硅化鉑(PtSi) Si肖特基勢壘器件肖特基勢壘器件IRFPA以工作于以工作于35m波段的波段的PtSi IRFPA的發(fā)展最快，已制成高于的發(fā)展最快，已制成高于1000萬像素萬像素(40964096)器件，被認(rèn)為是目前制作高密度器件，被認(rèn)為是目前制作高密度IRFPA最先進(jìn)的方法。最先進(jìn)的方法。 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn): 關(guān)鍵在于關(guān)鍵在于PtSi

35、 具有良好的紅外響應(yīng)均勻性具有良好的紅外響應(yīng)均勻性 與硅大規(guī)模集成電路工藝兼容的突出優(yōu)點(diǎn)。與硅大規(guī)模集成電路工藝兼容的突出優(yōu)點(diǎn)。 高像素點(diǎn)高像素點(diǎn),高集程度高集程度. PtSi IRFPA的主要缺點(diǎn)的主要缺點(diǎn): 量子效率低。量子效率低。 為了提高量子效率，目前國內(nèi)外在探測器結(jié)構(gòu)上采用了：為了提高量子效率，目前國內(nèi)外在探測器結(jié)構(gòu)上采用了：(1)薄薄PtSi膜膜(2l0nm)；(2)光學(xué)共振腔；光學(xué)共振腔；(3)P型硅襯底背型硅襯底背面加抗反射層面加抗反射層(器件采用背面進(jìn)光模式器件采用背面進(jìn)光模式)。實(shí)踐證明，上述。實(shí)踐證明，上述改進(jìn)措施使量子效率得到了大幅度提高。改進(jìn)措施使量子效率得到了大幅度

36、提高。 后面將詳述后面將詳述 量子型量子型InSb IRFPA對于對于35um波段的紅外輻射非常敏感。波段的紅外輻射非常敏感。InSb是一種直接帶隙半導(dǎo)體，其帶隙是一種直接帶隙半導(dǎo)體，其帶隙Eg很小。如圖很小。如圖7-9. 在室溫在室溫300K時，時，Eg為為0.17eV，長波限和峰值響應(yīng)波長分，長波限和峰值響應(yīng)波長分別為別為7um和和6um，響應(yīng)率為，響應(yīng)率為2109cmHz1/2/W。 當(dāng)用液氮冷卻至當(dāng)用液氮冷卻至77K時，帶隙增加到時，帶隙增加到0.23eV，長波限為，長波限為5.4um，峰值響主波長為，峰值響主波長為5um，響應(yīng)率為，響應(yīng)率為6.51010cmHz1/2/W。 InSb

37、是通過改變器件工作溫度來改變其光譜響應(yīng)特性的。是通過改變器件工作溫度來改變其光譜響應(yīng)特性的。 2.銻化銦銻化銦(InSb) 常溫下，常溫下，InSb的電子遷移率為的電子遷移率為60000cm2/V.s，77K時時InSb的電子遷移率為的電子遷移率為 300000 cm2/V.s。 作為作為InSb材料，因?yàn)槟芰畠r地制作大面積、缺陷材料，因?yàn)槟芰畠r地制作大面積、缺陷少的單晶，故容易解決一些制作技術(shù)上的難點(diǎn)，少的單晶，故容易解決一些制作技術(shù)上的難點(diǎn)，制成電學(xué)性能好的二極管。制成電學(xué)性能好的二極管。 因?yàn)橐驗(yàn)镮nSb和單晶硅不一樣，還得不到良好的和單晶硅不一樣，還得不到良好的MOS特性，因此采用折衷

38、方法，即探測器采用特性，因此采用折衷方法，即探測器采用InSb光光電二極管陣列，信號處理器采用電二極管陣列，信號處理器采用Si-CCD構(gòu)成，再構(gòu)成，再用銦（用銦（In）丘將兩者進(jìn)行機(jī)械、電學(xué)結(jié)合，形成）丘將兩者進(jìn)行機(jī)械、電學(xué)結(jié)合，形成混合型混合型IRFPA。 因因InSb材料較成熟，在材料較成熟，在35um波段前景看好。波段前景看好。3.碲鎘汞（碲鎘汞（HgCdTe）(前面已論述前面已論述) 窄禁帶半導(dǎo)體混晶碲鎘汞（窄禁帶半導(dǎo)體混晶碲鎘汞（Hg1-xCdxTe）是目前）是目前最重要的紅外光電子材料，通過調(diào)節(jié)混晶組份，最重要的紅外光電子材料，通過調(diào)節(jié)混晶組份，可以獲得適用于不同波段的高性能可以獲

39、得適用于不同波段的高性能IRFPA。 由于由于Hg-Te鍵的脆弱及其與鍵的脆弱及其與Cd-Te鍵之間的巨大差鍵之間的巨大差別，導(dǎo)致這種材料較高的別，導(dǎo)致這種材料較高的本征缺陷密度和較高溫本征缺陷密度和較高溫度下和輻射作用下的不穩(wěn)定性。度下和輻射作用下的不穩(wěn)定性。 這些問題長期困擾著碲鎘汞的研究者們。近年來這些問題長期困擾著碲鎘汞的研究者們。近年來的大量研究已經(jīng)對最終認(rèn)識這種本征缺陷態(tài)成分的大量研究已經(jīng)對最終認(rèn)識這種本征缺陷態(tài)成分和結(jié)構(gòu)以及電子態(tài)等提供了大量的信息，并對降和結(jié)構(gòu)以及電子態(tài)等提供了大量的信息，并對降低這類缺陷密度的途徑提供了各種可能性和嘗試低這類缺陷密度的途徑提供了各種可能性和嘗試

40、機(jī)會。機(jī)會。4.半導(dǎo)體超晶格和量子阱半導(dǎo)體超晶格和量子阱 半導(dǎo)體超晶格和量子阱結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體超晶格和量子阱結(jié)構(gòu)的紅外光電探測研究，是近年的紅外光電探測研究，是近年來紅外物理和量子阱物理研究的一個共同熱點(diǎn)。來紅外物理和量子阱物理研究的一個共同熱點(diǎn)。 這些研究正促使半導(dǎo)體超晶格和量子阱結(jié)構(gòu)成為新一類重這些研究正促使半導(dǎo)體超晶格和量子阱結(jié)構(gòu)成為新一類重要的紅外光電子材料。要的紅外光電子材料。 人們在實(shí)驗(yàn)中證實(shí)人們在實(shí)驗(yàn)中證實(shí)量子阱子帶間電子躍遷可以和紅外輻射量子阱子帶間電子躍遷可以和紅外輻射有強(qiáng)的耦合有強(qiáng)的耦合，因而可以用于紅外輻射探測。，因而可以用于紅外輻射探測。 調(diào)節(jié)超晶格、量子阱結(jié)構(gòu)的周期和勢壘高

41、度調(diào)節(jié)超晶格、量子阱結(jié)構(gòu)的周期和勢壘高度等等能帶工程能帶工程手手段，起著碲鎘汞混晶中調(diào)節(jié)組份相似的作用，能實(shí)現(xiàn)不同段，起著碲鎘汞混晶中調(diào)節(jié)組份相似的作用，能實(shí)現(xiàn)不同波段紅外輻射的探測。波段紅外輻射的探測。 據(jù)介紹，美國洛克威爾公司已制成截止波長為據(jù)介紹，美國洛克威爾公司已制成截止波長為7.7um的的128128元元GaAsCaAlAs超晶格多量子阱探測器混合超晶格多量子阱探測器混合式焦平面陣列。式焦平面陣列。 每種每種IR FPA的設(shè)計必須考慮幾種主要的功能：光的設(shè)計必須考慮幾種主要的功能：光子探測，電荷存儲和多路傳輸讀出。子探測，電荷存儲和多路傳輸讀出。 IR FPA 的兩種結(jié)構(gòu)的兩種結(jié)構(gòu):

42、混合型和單片型混合型和單片型. 混合式器件：混合式器件：有兩種有兩種:倒裝式倒裝式,Z平面結(jié)構(gòu)平面結(jié)構(gòu) 一般是在窄禁帶半導(dǎo)體材料一般是在窄禁帶半導(dǎo)體材料(探測器陣列探測器陣列)完成光完成光子探測過程，然后將信號轉(zhuǎn)移到硅多路傳輸器上子探測過程，然后將信號轉(zhuǎn)移到硅多路傳輸器上(每個探測器有一個接觸點(diǎn)每個探測器有一個接觸點(diǎn))。混合式器件具有在?；旌鲜狡骷哂性诔Ｒ?guī)模擬硅器件上存儲電荷和完成多路傳輸功能常規(guī)模擬硅器件上存儲電荷和完成多路傳輸功能的特殊優(yōu)點(diǎn)。的特殊優(yōu)點(diǎn)。 單片式器件：單片式器件：有四種有四種:PtSi肖特基勢壘型、異質(zhì)結(jié)肖特基勢壘型、異質(zhì)結(jié)型、型、MIS像元型、準(zhǔn)單片式。像元型、準(zhǔn)單片式

43、。 在同一個芯片上完成光子探測、信號轉(zhuǎn)移、傳輸在同一個芯片上完成光子探測、信號轉(zhuǎn)移、傳輸?shù)裙δ?，這就要求使用類似加工硅晶片的工藝來等功能，這就要求使用類似加工硅晶片的工藝來制作，而且最終得到造價很低的器件制作，而且最終得到造價很低的器件.7.2.4 混合式結(jié)構(gòu)之混合式結(jié)構(gòu)之-倒裝式結(jié)構(gòu)倒裝式結(jié)構(gòu) 該結(jié)構(gòu)是在該結(jié)構(gòu)是在探測器陣探測器陣列和硅多路傳輸器列和硅多路傳輸器上上分別預(yù)先做上銦柱，分別預(yù)先做上銦柱，然后通過兩邊的然后通過兩邊的銦柱銦柱將探測器陣列正面的將探測器陣列正面的每個探測器與多路傳每個探測器與多路傳輸器一對一地對準(zhǔn)配輸器一對一地對準(zhǔn)配接起來。接起來。7.2.5 混合式結(jié)構(gòu)之混合式結(jié)構(gòu)

44、之-Z平面結(jié)構(gòu)平面結(jié)構(gòu) 混合式結(jié)構(gòu)混合式結(jié)構(gòu)還可用同樣還可用同樣類型的背照式探測器陣類型的背照式探測器陣列制成如圖列制成如圖7-9(b)所示所示的的Z平面結(jié)構(gòu)。平面結(jié)構(gòu)。 其工藝過程是將許多集其工藝過程是將許多集成電路芯片一個一個地成電路芯片一個一個地層疊起來以形成一個三層疊起來以形成一個三維的維的“電子樓房電子樓房”，因，因此將其命名為此將其命名為z平面結(jié)平面結(jié)構(gòu)。構(gòu)。 探測器陣列被置于層疊集成電路探測器陣列被置于層疊集成電路芯片的側(cè)緣，每個探測器具有一芯片的側(cè)緣，每個探測器具有一個通道。個通道。 由于附加了許多集成電路芯片，由于附加了許多集成電路芯片，所以在焦平面上可以完成許多信所以在焦平

45、面上可以完成許多信號處理功能，如前置放大、帶通號處理功能，如前置放大、帶通濾波、增益和偏移修正、模數(shù)轉(zhuǎn)濾波、增益和偏移修正、模數(shù)轉(zhuǎn)換以及某些圖像處理功能。換以及某些圖像處理功能。 然而，為了把探測器做得很小，然而，為了把探測器做得很小，就必須把硅集成電路芯片減得很就必須把硅集成電路芯片減得很薄，而目前薄，而目前減薄技術(shù)只能達(dá)到減薄技術(shù)只能達(dá)到5075 m，因此限制了，因此限制了IRFPA最終的分辯率。最終的分辯率。混合式結(jié)構(gòu)有兩種互連技術(shù)混合式結(jié)構(gòu)有兩種互連技術(shù). 1. 對接技術(shù)對接技術(shù)-冷焊銦柱冷焊銦柱 采用這種結(jié)構(gòu)時，探測器陣列采用這種結(jié)構(gòu)時，探測器陣列既可用既可用前照式前照式(光子穿過透

46、明光子穿過透明的硅多路傳輸器的硅多路傳輸器)，也可用也可用背背照式照式(光子穿過透明的探測器光子穿過透明的探測器陣列襯底陣列襯底)。 一般來講，背照式更為優(yōu)越，一般來講，背照式更為優(yōu)越，因?yàn)槎嗦穫鬏斊饕话愣加幸欢ㄒ驗(yàn)槎嗦穫鬏斊饕话愣加幸欢ǖ慕饘倩瘏^(qū)域和其他不透明的的金屬化區(qū)域和其他不透明的區(qū)域，這將縮小有效透光面積。區(qū)域，這將縮小有效透光面積。此外，從多路傳輸器這一面照明還意味著光子必須三次此外，從多路傳輸器這一面照明還意味著光子必須三次通過半導(dǎo)體表面，而這三個面中只有兩個面可以鍍以適通過半導(dǎo)體表面，而這三個面中只有兩個面可以鍍以適當(dāng)?shù)脑鐾府?dāng)?shù)脑鐾?AR)膜。膜。從探測器陣列的背面照明時，僅有

47、一個表面需要鍍增透從探測器陣列的背面照明時，僅有一個表面需要鍍增透膜，而且這個表面不含有任何微電子器件，不需要任何膜，而且這個表面不含有任何微電子器件，不需要任何特殊處理。實(shí)際上，探測器陣列的背面能減薄到幾個微特殊處理。實(shí)際上，探測器陣列的背面能減薄到幾個微米以改善瞬時抗輻射能力。米以改善瞬時抗輻射能力。 在混合工藝過程中，在混合工藝過程中，銦凸點(diǎn)技術(shù)銦凸點(diǎn)技術(shù),由于冷焊銦柱時需要一定的由于冷焊銦柱時需要一定的壓力，在探測器上可能造成機(jī)械損壞。壓力，在探測器上可能造成機(jī)械損壞。 在混合完成后，硅多路傳輸器與探測器陣列材料在混合完成后，硅多路傳輸器與探測器陣列材料(如如InSb和和HgCdTe)

48、之間之間熱膨脹系數(shù)的失配熱膨脹系數(shù)的失配,將在探測器陣列被冷卻到低將在探測器陣列被冷卻到低溫時引起銦對接處的溫時引起銦對接處的剪切機(jī)械變形剪切機(jī)械變形。 對銦柱采用專門的設(shè)計和嚴(yán)格控制的工藝，同時選擇與多對銦柱采用專門的設(shè)計和嚴(yán)格控制的工藝，同時選擇與多路傳輸器能很好地進(jìn)行熱膨脹特性匹配的探測器襯底材料路傳輸器能很好地進(jìn)行熱膨脹特性匹配的探測器襯底材料將會大大減小這些問題的影響。將會大大減小這些問題的影響。 如果探測器襯底與讀出電路如果探測器襯底與讀出電路(Si材料材料)兩者的熱膨脹系數(shù)很兩者的熱膨脹系數(shù)很接近的話，銦對接技術(shù)可以用來制做接近的話，銦對接技術(shù)可以用來制做12英寸的陣列，并英寸的

49、陣列，并可承受幾百次的熱循環(huán)變化。盡管如此，單元尺寸很難縮可承受幾百次的熱循環(huán)變化。盡管如此，單元尺寸很難縮小到小到25 m以下，而且混合式的工藝用于實(shí)際生產(chǎn)時成本以下，而且混合式的工藝用于實(shí)際生產(chǎn)時成本較高。較高。 可以替代銦凸點(diǎn)技術(shù)的是圖可以替代銦凸點(diǎn)技術(shù)的是圖7-11(b)所示的環(huán)孔所示的環(huán)孔(或穿導(dǎo)孔或穿導(dǎo)孔)技術(shù)。技術(shù)。 其工藝要求：將探測器芯片和硅讀出芯片的表面其工藝要求：將探測器芯片和硅讀出芯片的表面拋光拋光到具到具有很高的平直度和平行度有很高的平直度和平行度(容差小于容差小于l m)， 然后將它們?nèi)缓髮⑺鼈冋辰诱辰釉谝黄鹦纬梢粋€可象硅片一樣來處理的單在一起形成一個可象硅片一樣來

50、處理的單個芯片乃至晶片。接著，用個芯片乃至晶片。接著，用離子注入或擴(kuò)散離子注入或擴(kuò)散的方法在探測的方法在探測器陣列上形成光伏二極管器陣列上形成光伏二極管(與硅讀出芯片的多路傳輸單元與硅讀出芯片的多路傳輸單元相對準(zhǔn)相對準(zhǔn))。 2.對接技術(shù)對接技術(shù)-環(huán)孔環(huán)孔(或穿導(dǎo)孔或穿導(dǎo)孔)技術(shù)技術(shù) 然后，再用然后，再用離子研磨或激光離子研磨或激光的方法在每個探測器的中心鉆的方法在每個探測器的中心鉆出環(huán)孔，然后在每個洞壁暴露的探測器材料上進(jìn)行出環(huán)孔，然后在每個洞壁暴露的探測器材料上進(jìn)行摻雜并摻雜并用金屬回填用金屬回填，這樣就將探測器和多路傳輸器連接在一起了。，這樣就將探測器和多路傳輸器連接在一起了。 最后一步是

51、將處理過的探測器表面進(jìn)行最后一步是將處理過的探測器表面進(jìn)行鈍化鈍化。用此技術(shù)制。用此技術(shù)制成的器件在機(jī)械性能和熱性能穩(wěn)定方面的情況已有較大的成的器件在機(jī)械性能和熱性能穩(wěn)定方面的情況已有較大的改進(jìn)，其單元尺寸可以小到改進(jìn)，其單元尺寸可以小到40 m. 所存在的問題是所存在的問題是:穿導(dǎo)孔減小了占空因數(shù)。環(huán)孔技術(shù)被認(rèn)為穿導(dǎo)孔減小了占空因數(shù)。環(huán)孔技術(shù)被認(rèn)為是屬于混合式結(jié)構(gòu)范圍，卻保留了類似硅工藝的某些優(yōu)點(diǎn)。是屬于混合式結(jié)構(gòu)范圍，卻保留了類似硅工藝的某些優(yōu)點(diǎn)。7.2.6 單片式陣列之單片式陣列之-肖特基勢壘型肖特基勢壘型 1.工作原理工作原理 結(jié)構(gòu)和原理圖結(jié)構(gòu)和原理圖 目前目前,常采用了常采用了PtS

52、i來制造來制造全單片式的全單片式的IRFPA，這，這些類型的探測器實(shí)質(zhì)上是采用了硅基底，將探測些類型的探測器實(shí)質(zhì)上是采用了硅基底，將探測器陣列和硅多路傳輸器及襯底做在一起。其設(shè)計器陣列和硅多路傳輸器及襯底做在一起。其設(shè)計與可見光與可見光CCD是兼容的。是兼容的。 PtSi肖特基勢壘器件肖特基勢壘器件IRFPA的發(fā)展最快，已制成的發(fā)展最快，已制成1000萬像素萬像素(40964096)器件，被認(rèn)為是目前制器件，被認(rèn)為是目前制作高密度作高密度IRFPA最先進(jìn)的方法。最先進(jìn)的方法。優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn): PtSi IRFPA具有良好的紅外響應(yīng)均勻性具有良好的紅外響應(yīng)均勻性 硅大規(guī)模集成電路工藝兼容。硅大規(guī)模集成

53、電路工藝兼容。缺點(diǎn)缺點(diǎn): PtSi IRFPA的主要是量子效率低。的主要是量子效率低。 SBD（肖特基勢壘器件肖特基勢壘器件）的金屬硅化物（）的金屬硅化物（PtSi）和半導(dǎo)體）和半導(dǎo)體Si相接觸，如圖相接觸，如圖7-12(c)，因功函數(shù)不同，故接觸時要發(fā)生，因功函數(shù)不同，故接觸時要發(fā)生電荷的流動，形成勢壘，最后使費(fèi)米能級在各處都達(dá)到同電荷的流動，形成勢壘，最后使費(fèi)米能級在各處都達(dá)到同一水平，如圖一水平，如圖7-12(d) . 該器件采用該器件采用背面光照工作模式。入射的紅外輻射先照到硅背面光照工作模式。入射的紅外輻射先照到硅襯底，襯底，光子能量小于硅能帶間隙光子能量小于硅能帶間隙(Eg=1.1

54、eV)的紅外輻射透的紅外輻射透過硅襯底，到達(dá)很薄的過硅襯底，到達(dá)很薄的PtSi層。在層。在PtSi中的感光是通過所中的感光是通過所謂內(nèi)光電發(fā)射過程來完成的。謂內(nèi)光電發(fā)射過程來完成的。 此過程分為兩步：（此過程分為兩步：（1）紅外輻射在紅外輻射在PtSi中被吸收或部分吸收，激發(fā)產(chǎn)生中被吸收或部分吸收，激發(fā)產(chǎn)生電子電子-空穴對，電子在費(fèi)米能級以上，空穴對，電子在費(fèi)米能級以上，留下空穴；留下空穴； （2）到達(dá)到達(dá)PtSi硅界面的空穴越過肖硅界面的空穴越過肖特基勢壘，進(jìn)入硅襯底。特基勢壘，進(jìn)入硅襯底。因此，凈的因此，凈的負(fù)電荷負(fù)電荷(電子電子)將存貯在將存貯在PtSi中。通過中。通過電子轉(zhuǎn)移從電子轉(zhuǎn)移

55、從PtSi中進(jìn)入中進(jìn)入BCCD，如圖，如圖7-12(b)，完成紅外輻射信號的探測。，完成紅外輻射信號的探測。 在第二步中硅中增加的空穴效，稱為在第二步中硅中增加的空穴效，稱為“熱空穴發(fā)射熱空穴發(fā)射”。所謂。所謂熱空穴是指其熱空穴是指其能量高于勢壘高度，冷空穴是指其能能量高于勢壘高度，冷空穴是指其能量低于勢壘高度量低于勢壘高度。顯然，只有熱空穴。顯然，只有熱空穴才能越過勢壘，即是說，要使入射的才能越過勢壘，即是說，要使入射的紅外輻射產(chǎn)生內(nèi)光電發(fā)射，紅外輻射產(chǎn)生內(nèi)光電發(fā)射，SB探測探測器的光譜能量窗口必須滿足下式：器的光譜能量窗口必須滿足下式：mshvEgm s 為金屬為金屬-半導(dǎo)體肖特基勢壘高度

56、；半導(dǎo)體肖特基勢壘高度；h為光子能量；為光子能量；Eg為硅帶隙能量。為硅帶隙能量。 SB探測器的截止波長取決于探測器的截止波長取決于SB高度，長波閾值有下式：高度，長波閾值有下式： 由半導(dǎo)體材料和金屬硅化物由半導(dǎo)體材料和金屬硅化物的性質(zhì)決定。由于的性質(zhì)決定。由于PtSi/P-Si系統(tǒng)使接觸界面深入到硅系統(tǒng)使接觸界面深入到硅材料內(nèi)部材料內(nèi)部，避免避免了了表面沾污表面沾污和中間層的影響和中間層的影響，保證了的，保證了的均勻性和工藝的重復(fù)性，尤均勻性和工藝的重復(fù)性，尤其是極好的光響應(yīng)均勻性，其是極好的光響應(yīng)均勻性，保證了熱成像的質(zhì)量。保證了熱成像的質(zhì)量。1.24thms 最早的肖特基勢壘最早的肖特基

57、勢壘FPA采用厚的采用厚的Pd2Si和和PtSi探測器制成，探測器制成，淀積了大約淀積了大約60nm的鈀和鉑。這些器件的光響應(yīng)很弱。的鈀和鉑。這些器件的光響應(yīng)很弱。 為了提高為了提高PtSiSBD FPA的量子效率，的量子效率，SBD結(jié)構(gòu)采用了：結(jié)構(gòu)采用了：（1）?。┍tSi膜；膜；(2)光腔結(jié)構(gòu)光腔結(jié)構(gòu)Al-介質(zhì)介質(zhì)-PtSi；(3)硅襯底背硅襯底背面加抗反射層面加抗反射層SiO，如圖，如圖7-13(a)所示。所示。 2.結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) SBD由由抗反射層抗反射層(SiO)、硅襯底、硅化鉑層、介質(zhì)層、硅襯底、硅化鉑層、介質(zhì)層(SiO2、SiO、Si3N4、或、或SixOyNz)以及鋁反射鏡共五部

58、分組成，其中硅化鉑、以及鋁反射鏡共五部分組成，其中硅化鉑、介質(zhì)和鋁鏡構(gòu)成光腔。介質(zhì)和鋁鏡構(gòu)成光腔。 這種器件結(jié)構(gòu)設(shè)計的這種器件結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)是：是： (1)減薄了減薄了PtSi層的厚度，使之遠(yuǎn)小于空穴在層的厚度，使之遠(yuǎn)小于空穴在PtSi中的平均自由程中的平均自由程(約約43nm)，使產(chǎn)生的熱載流子幾乎可全部到達(dá)界面；，使產(chǎn)生的熱載流子幾乎可全部到達(dá)界面； (2)增加了絕緣層，提供了一個反射界面，增加熱載流子在增加了絕緣層，提供了一個反射界面，增加熱載流子在PtSi介介質(zhì)界面的反射，從而增加了光學(xué)吸收比，提高了熱空穴到襯底的質(zhì)界面的反射，從而增加了光學(xué)吸收比，提高了熱空穴到襯底的注入效率。熱

59、空穴運(yùn)動如圖注入效率。熱空穴運(yùn)動如圖7-13(b)所示。注入效率的提高，將所示。注入效率的提高，將被稱之為內(nèi)部量子效率增益。被稱之為內(nèi)部量子效率增益。 (3) 抗反射涂層抗反射涂層SiO 。FPA輸出信號的強(qiáng)弱與其量輸出信號的強(qiáng)弱與其量子效率及投射到探測器表面的紅外輻射量成正比。子效率及投射到探測器表面的紅外輻射量成正比?？狗瓷渫繉涌狗瓷渫繉覵iO，淀積在已減薄到，淀積在已減薄到200250um的的硅襯底背面，硅襯底背面，將耦合到將耦合到SBD的紅外輻射量提高了的紅外輻射量提高了約約30，從而使光腔結(jié)構(gòu)探測器的光學(xué)吸收比最從而使光腔結(jié)構(gòu)探測器的光學(xué)吸收比最佳化。在佳化。在PtSi層與鋁鏡之間引

60、入最佳光學(xué)厚度的層與鋁鏡之間引入最佳光學(xué)厚度的介質(zhì)層，器件的量子效率可進(jìn)一步提高。介質(zhì)層，器件的量子效率可進(jìn)一步提高。 從理論上講，從理論上講，PtSi膜越薄，內(nèi)光電發(fā)射幾率越高。膜越薄，內(nèi)光電發(fā)射幾率越高。但實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)珜?shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)PtSi膜厚度小于膜厚度小于1.4nm時，時，PtSi膜不連續(xù)。因此，目前在該器件制作中，選取的膜不連續(xù)。因此，目前在該器件制作中，選取的最佳最佳PtSi膜厚為膜厚為2.0nm。 據(jù)介紹，薄層據(jù)介紹，薄層PtSi-SBD的量子效率比厚的量子效率比厚PtSi-SBD高出高出32倍多，其中倍多，其中3.46倍歸因于光學(xué)吸收比倍歸因于光學(xué)吸收比的提高，的提高，9.25