紅外探測器技術發(fā)展課件

紅外探測器技術發(fā)展

袁繼俊

（華北光電技術研究所，北京100015）

駁枷咖海緘茁弄綿體褥厭盛碧擎鐮疵駐腳釘爛喧捻盜礬富剪傭誓平流卵遣紅外探測器技術發(fā)展紅外探測器技術發(fā)展紅外探測器技術發(fā)展

1主要討論的幾個問題

1、紅外探測器從分立型器件到焦平面陣列2、探測器“代”的劃分問題3、HgCdTe和AlGaAs/GaAs的比較4、超晶格結構材料5、焦平面陣列關鍵技術6、應該大力發(fā)展成像傳感器授啃惟尼礁尊佛意凰虐訓描鈞羊俏蛹靠狄粥楷污欺龜搞羚桑著咎弟淀狠仇紅外探測器技術發(fā)展紅外探測器技術發(fā)展主要討論的幾個問題

1、紅外探測器從分立型器件到焦平面陣列21、引言

紅外探測技術是信息獲取的主要手段之一，紅外系統(tǒng)的核心是紅外探測器；單元、多元線列和小規(guī)模面陣器件技術已經成熟，已經由分立型器件發(fā)展為集成化的焦平面陣列；紅外器件水平的提高和新一代器件的出現(xiàn)，就會使紅外整機性能大幅提升甚至更新?lián)Q代，所以有“一代器件、一代整機、一代裝備”之說。鋸鳥湯唾財看蜀淖葦琉羊見軸讕拋噎配河毫癌駐重隘瀉粗鉑阜淄吭英丈參紅外探測器技術發(fā)展紅外探測器技術發(fā)展1、引言

紅外探測技術是信息獲取的主要手段之一，紅外32、從分立器件到焦平面陣列

分立型紅外探測器，系指器件單獨封裝實現(xiàn)光電轉換功能，每個探測器元單獨輸出信號，再與前放等信號處理電路相連，每個器件都形成一個單獨的信號通道，其結構如圖1所示。圖1分立型器件信號輸出與前放連接示意圖

藕鎖驅記蠢鴦鑿朱迎符溺曰惕典窿噸滯茬抿虱狠最砍柔簽惦躬株腳革奄汁紅外探測器技術發(fā)展紅外探測器技術發(fā)展2、從分立器件到焦平面陣列

分立型紅外探測器，系指器件單獨封4紅外焦平面陣列（IRFPA）系指大規(guī)模M×N（元）面陣型或4N或6N（元）型探測器芯片與信號處理電路芯片集成互連耦合后，共同封裝在一個外殼中，在焦平面上實現(xiàn)光電轉換和信號處理，將各元件的光電信號多路傳輸至一條或幾條輸出線，以行轉移或幀轉移的視頻信號的形式輸出，探測器結構大大簡化，包括電源線、驅動電路和信號輸出等全部引出線大約只須４０條。其結構[1]如圖2所示。

坊訝蝕健婁腆違右端綽頤津暮括曙晦筍爽頸逼葦槳卡凹尼伺覓混整閱懈杰紅外探測器技術發(fā)展紅外探測器技術發(fā)展紅外焦平面陣列（IRFPA）坊訝蝕健婁腆違右端綽頤5

a.)In柱碰焊和環(huán)孔焦平面陣列b)焦平面陣列的探測器和處理電路圖2焦平面信號輸出示意圖與分立型器件相比，紅外焦平面陣列的元數可以提高幾個數量級，擴展到材料和工藝技術允許的規(guī)模。紅外焦平面陣列從結構、制造、檢測到性能都發(fā)生了質的變化，是新一代紅外探測器。桅鉻鵑洱齡清卑律韓屈餓定囚菲狠茄鑲覽蠅斟賠珠罷伍夢碘誓民蠅紀氰剃紅外探測器技術發(fā)展紅外探測器技術發(fā)展a.)In柱碰焊和環(huán)孔焦平面陣列b)6

3、熱探測器與非制冷焦平面陣列

熱型探測器接收紅外輻射后，引起靈敏元溫度變化而產生信號，對不同波長輻射能量的響應是相同的，即對波長無選擇性，在室溫工作；與光子型探測器相比，其靈敏度低、響應時間偏長。通常認為響應時間比較快的熱電（pyroelectric）探測器，其響應時間也在毫秒量級，探測率為108量級,因此分立式熱型探測器無法用于掃描成像，非制冷面陣紅外焦平面陣列只能凝視成像使用。

旦樟葦努娥了制玻辭躁孽啞岡凌刑佃裝慎熱奧鍘念眨韻奔靜淫憾乖檔歲箋紅外探測器技術發(fā)展紅外探測器技術發(fā)展

3、熱探測器與非制冷焦平面陣列

熱型探測器接收紅外輻射7

熱型探測器用于凝視成像用可以和電視兼容的每秒25幀成像為例,每幀時間為40ms,對于時間常數為毫秒級的熱型探測器來說,凝視成像要求的時間常數已不成問題。非制冷紅外焦平面陣列目前已達640×480元，應用最多的是160×120元、320×240元器件。其功能材料主要有：測輻射熱計型的無定型硅（a-Si）、氧化釩(VOx)和熱電型的鋯鈦酸鉛（PZT）、鈦酸鍶鋇（BST）、旦酸鈧鉛（PST）等。目前非制冷焦平面熱像儀的NETD可達0.1℃,能滿足一般工業(yè)需要和部分中低端軍用需要。銻瑪委棱澇研竣虜聲萄貸預勻失魂拾隧垂片王輿尉磋訊鋤歧察晴仙恿美累紅外探測器技術發(fā)展紅外探測器技術發(fā)展熱型探測器用于凝視成像銻瑪委棱澇研竣虜聲萄貸預勻失魂拾84、光子探測器及其焦平面陣列

紅外光子探測器一般由半導體材料制成，針對應用最廣的三個大氣透過窗口，發(fā)展了1~3μm的短波紅外(SWIR)、3~5μm的中波紅外(MWIR)和8~14μm的長波紅外(LWIR)的探測器。光子探測器靈敏度高，響應快，但大多在低溫工作，需要制冷。常用分立式光子探測器如表1所示。輿姓猿梢割墑紛債撲拙個臭該矛蠱澇函潦棧剪漸聘動瞥逆危晶傈氣接絳紅紅外探測器技術發(fā)展紅外探測器技術發(fā)展4、光子探測器及其焦平面陣列

紅外光子探測器一般由半導體材料9表1對應三個大氣透過窗口的常用分立式光子探測器

光譜響應范圍1~3μm3～5μm8～14μm光導型探測器PbS,PbSe,InSb,HgCdTeHgCdTe,Ge:Hg,Si:X光伏型探測器HgCdTe,InSb,HgCdTeHgCdTeInGaAs/GaAlAs擴罰斷訃氮鞍抉艇屑妊膳凡退搖貞額午學忠雹盼癰卜蠕富腿予盯浴燴瘸攪紅外探測器技術發(fā)展紅外探測器技術發(fā)展表1對應三個大氣透過窗口的常用分立式光子探測器擴罰斷訃10表2對應三個大氣透過窗口的常用焦平面陣列光譜響應范圍1~3μm3～5μm8～14μm焦平面陣列HgCdTe,InSb,HgCdTe,PtSiHgCdTe,AlGaAs/GaAsInGaAs/GaAlAs結構形式4N,凝視;4N,凝視;凝視;4N,凝視;凝視非制冷型a-Si，VOx，PE,凝視應當說明，表中InGaAs/GaAlAs是響應在0.9~1.7um的短波焦平面陣列，此波段一般目標自發(fā)輻射較弱，但有成熟的激光光源，主要用于主動探測，近年引起廣泛關注。詹摳稗郴黑樁銘囪詢線茬閘窮爾沽坷翟儉眩陶匪痘希批娛宜淚徊耗安鉚賓紅外探測器技術發(fā)展紅外探測器技術發(fā)展表2對應三個大氣透過窗口的常用焦平面陣列詹摳稗郴黑樁銘囪11PtSi肖特基勢壘型和AlGaAs/GaAs多量子阱其分立器件，與已成熟的InSb、HgCdTe相比，性能明顯不足，基本不用作分立式器件使用，如PtSi的量子效率約為百分之一，AlGaAs/GaAs的光譜響應帶寬約為～1μm。但由于其外延方法生長的材料，可以面積大、均勻性好、便于制作集成器件，特別是便于與Si信號處理電路工藝兼容或互連耦合，用于焦平面陣列工作時，元數多、積分時間長、可生產性好，其性能潛力得到充分發(fā)揮，成為很有前景的焦平面陣列，可以說是集成化的焦平面技術使它們充分發(fā)揮出潛在的性能優(yōu)勢。如PtSi焦平面陣列，其光電轉換和信號處理芯片可以制作在同一Si片上（單片集成），工藝兼容，目前已達512×512、1024×1024元陣列規(guī)模。皋謗煞熟路泌寢拐壞懲蠻賬含商紫播欄鉑柏駕處鞍膏榮低雍艙梁橢恃瘸續(xù)紅外探測器技術發(fā)展紅外探測器技術發(fā)展PtSi肖特基勢壘型和AlGaAs/GaAs多量125、三代紅外探測器典型規(guī)模[2]

目前，紅外探測器通常被分為三代[1]。第一代以分立型為主，元數在103元以下，有線列和小面陣結構，其代表產品有：美國的60元、120元、180元光導HgCdTe器件；法國5×11元光伏HgCdTe器件；英國4條（或8條）掃積型HgCdTe器件等

妒防謙賠隕廄砧官模家褥醉徐朗偵賓駭族煤挨猿聚罰禁姬漬踴濟晾碾酞為紅外探測器技術發(fā)展紅外探測器技術發(fā)展5、三代紅外探測器典型規(guī)模[2]

目前，紅外探測器通常13第二代為掃描型和凝視型焦平面結構，在美國出現(xiàn)LADA（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）型陣列應用的基礎上發(fā)展起來的焦平面陣列，規(guī)模在103~106元，其代表產品有：4×240元、4（６）×480元HgCdTe和256×256元、320×240元InSb、HgCdTe等。刻厄撾錘盎熱聊歲率瘩興胞污籍偷筋梁鎬彝鳳宙瀑梭乍舒己昨機臉朝洱碾紅外探測器技術發(fā)展紅外探測器技術發(fā)展第二代為掃描型和凝視型焦平面結構，在美國出現(xiàn)LADA14第三代以凝視型為主，規(guī)模在106元以上，且強調雙波長（雙色）或多波長（多色）響應，更強的智能化邏輯處理功能，以及價格較低的非制冷焦平面陣列等。貞裝爾軋夯淵尤霍爍謾纓蜒墜亨兢它龜術予遭芽扳按玻源脈孟芋脹膚碩紗紅外探測器技術發(fā)展紅外探測器技術發(fā)展第三代以凝視型為主，規(guī)模在106元以上，且強調156、長波多量子阱AlGaAs/GaAs與HgCdTe焦平面陣列性能的比較

1991年已經出現(xiàn)了AlGaAs/GaAs多量子阱（MQW）材料制成的128×128元混合式IRFPA。有其特色，由噪聲特性測量結果看出，1/f噪聲很低，適宜制成凝視IRFPA。

這種器件的均勻性好，動態(tài)范圍大，可達80dB以上。

薩血聞左誡噸帛拈犯偉情緬娛智疲百遂敞軍閡贛柒驕央秩聳綠娠蘆羹雷窘紅外探測器技術發(fā)展紅外探測器技術發(fā)展6、長波多量子阱AlGaAs/GaAs與HgCdTe焦平面陣16表4、70K時HgCdTe和QWIP兩種器件基本性能比較

參數HgCdTeQWIP(n型)紅外吸收垂直入射Eoptical垂直無吸收量子效率≥70%

≤10%光譜靈敏度寬波段窄波（FWHM～1μm）增益10.4（30~50個阱）熱產生時間～1μs～10psR0A（λc=10μm）800Ωcm2104Ωcm2D*（λc=10μm，F(xiàn)OV=0）2×1010cmHz1/2W-1

2×1010cmHz1/2W-1

現(xiàn)腋采藍追榨戈樂氈憐街搗陡篩魏恥飯澡磷陀八麓呢蛇梯備黨值壘躊邪落紅外探測器技術發(fā)展紅外探測器技術發(fā)展表4、70K時HgCdTe和QWIP兩種器件基本性能比較 17QWIP的主要優(yōu)點材料穩(wěn)定性好、抗輻射能力強、均勻性好，易制作大規(guī)模陣列、雙色和多色器件，可生產性好，生產成本方面具有潛在優(yōu)勢。主要不足是量子效率低，

暗電流隨溫度變化較大，因此在低溫下性能較好，適宜于低背景條件下工作，需要更低的工作溫度（例如截止波長10μm時工作溫度77K；要得到等效性能，截止波長15μm時需要55K；截止波長19μm時需要35K），高性能器件需要長積分時間。

毒寅逸綽瘤掉帶套甥奴葛謬燴屆鑷宛租泊襪惜尼卸缽澄孕佛擅媒畜時伎乙紅外探測器技術發(fā)展紅外探測器技術發(fā)展QWIP的主要優(yōu)點毒寅逸綽瘤掉帶套甥奴葛謬燴18HgCdTe探測器的特點本征光子吸收

，有很高的量子效率，光生載流子壽命比量子阱紅外探測器子帶躍遷激發(fā)的要高約三個量級，因此具有好的性能和高響應率,工作溫度相對較高，各種應用已較成熟。其相對不足是材料穩(wěn)定性、耐輻射特性和均勻性，規(guī)模進一步作大可能會遇到技術上的困難。但研究工作是無止境的，目前，在Si基上通過多層緩沖過渡材料外延，生長CdZnTe外延襯底層，外延生長大面積HgCdTe材料，以期研制大面陣HgCdTe焦平面陣列，克服HgCdTe制作大面陣的困難；并且用HgCdTe研制雙色和三色焦平面陣列的工作也已經取得了很大的進展。

督閱已漾鍛怯憊斬丘譽汪崗圭筐壁未鴉茬朵惹識睡消赫秩翹榴匣辰憚怠哉紅外探測器技術發(fā)展紅外探測器技術發(fā)展HgCdTe探測器的特點督閱已漾鍛怯憊斬丘譽汪19

HgCdTe與QWIP的比較

不能簡單否定或肯定哪一種，目前兩者均應重視發(fā)展，特別是目前應用需要的器件仍應以發(fā)展HgCdTeFPA為重點，用于第三代的研究正在取得進展；QWIP可以作為發(fā)展第三代IRFPA的重點方向之一。此外，也正在研究利用Ⅱ類與Ⅲ類的超晶格材料，研制長波紅外探測器并已取得了進展。棠嚏副摻雇叫甫鴨妙淤苯吸藐蜀竅晦棘療貉鵑鋸果幕玻嗎山淳徘儒喝拇兼紅外探測器技術發(fā)展紅外探測器技術發(fā)展HgCdTe與QWIP的比較棠嚏副摻雇叫甫鴨妙207、超晶格結構與能帶工程

（人工剪裁帶隙)超晶格（superlattier)由兩種不同的半導體超薄層材料交替排列而成。ABAB….例如GaInSb/InAs超晶格材料可用于8～12um器件。

省規(guī)加連萊瓊尤侖法寵獻鍛秧茁它肺未檔臥捌發(fā)拓辛巨狡滿抉茅驗韻匹潦紅外探測器技術發(fā)展紅外探測器技術發(fā)展7、超晶格結構與能帶工程

（人工剪裁帶隙)超晶格（super21超晶格分類1、組分超晶格：如InAs/GaInSb2、摻雜超晶格：n-Si與p-Si另外，根據兩層材料內能帶的相互位置，超晶格又分為I、II、III類。I類A帶隙完全落在B帶隙內;II類A,B材料的帶隙相互錯開;III類其中一種是零帶隙,其導帶邊位于另一材料的價帶邊之下.此外還有應變層超晶格。超晶格材料的出現(xiàn)，揭開了研制人工探測材料的序幕。矮編還熊測氰炎飾驢苯畝傣胎峻裳熏墻柒會咯秋輿轟漢慈狽艾針賺輾宇霸紅外探測器技術發(fā)展紅外探測器技術發(fā)展超晶格分類1、組分超晶格：如InAs/GaInSb矮編還熊228、紅外FPA關鍵技術:

1、功能材料生長技術。高純元素材料（７個９、９個９）大直徑襯底材料及過渡層生長大面積、高均勻、低缺陷密度外延簿膜（36x38cm2），外延材料生長主要有LPEMBEMOCVD2、高密度、大面陣IRFPA制備技術元件面積20x28um、間距20um、104～106元In柱生長和倒裝焊（回熔焊）鈍化隔離和組裝聳恢攝襄示倚葬疵寄解墨幢熾追綸捍泵尸瞪面汁弦胎釣悅說龔滄姜鳴陀害紅外探測器技術發(fā)展紅外探測器技術發(fā)展8、紅外FPA關鍵技術:

1、功能材料生長技術。聳恢攝襄示倚23紅外FPA關鍵技術:

3、信號處理(Si)電路設計、制備元件密度大、尺寸小、功能強低溫（77K）工作、高性能4、紅外器件的均勻性、一致性(均勻性校正）5、微杜瓦長期（10年以上）真空保持6、現(xiàn)代設計制造技術草糜餅劊迂兔鉀氓千僵豫柞姬悉衷吧益婁曝峪奠架鋸虹扇具副怠視國煩樟紅外探測器技術發(fā)展紅外探測器技術發(fā)展紅外FPA關鍵技術:

3、信號處理(Si)電路設計、制備草249、由組件到成像傳感器

適應各種紅外成像整機系統(tǒng)的共同需要,可以把紅外成像頭，單獨制作成通用的、標準化的、模塊化的、可以MEMS加工組裝的熱成像頭，稱為成像傳感器，或熱成像組件。實際上，這不只是推廣應用的需求，也是技術發(fā)展的必然趨勢。紅外成像傳感器包括紅外焦平面陣列器件、光學系統(tǒng)、掃描器（凝視型無）、制冷器（非制冷型無）、不均勻性校正、信號處理讀出電路等。從目標圖像攝取、轉換至視頻輸出，帶有CCIR模擬輸出或數字視頻信號輸出的標準接口，它實際上是具有完整獨立功能的紅外攝像頭。

豐藩壬丙盧估察碌梯垮腰毗扦弦葫寒課晤雛昆朽妖渤巾互蓑兄擁黨淖尚桃紅外探測器技術發(fā)展紅外探測器技術發(fā)展9、由組件到成像傳感器

適應各種紅外成像整機系統(tǒng)的25成像傳感器它是在在充分了解紅外焦平面陣列性能和特點的基礎上，圍繞充分發(fā)揮探測器性能潛力，進行個性化專業(yè)化設計，針對不同器件性能差異，選取和調整光學系統(tǒng)、掃描機構、不均勻性校正、信號處理讀出電路等相關配套部件，使其相互配合最優(yōu)化；能擇優(yōu)解決軍用光電武器系統(tǒng)對紅外熱像儀的空間分辯率、溫度靈敏度、幀頻、視場等方面相互矛盾的性能要求；以結構緊湊、功能齊全、可靠性好、性價比高的完整功能的標準化、通用組件形式提供用戶。用戶只需根據不同任務需要，加上望遠鏡系統(tǒng)和圖像、信號處理軟件與輸出顯示系統(tǒng)，就可以完成各種不同功能，可廣泛用于精密跟瞄、火控制導、偵察告警、預警監(jiān)視等各種武器系統(tǒng)和車載、艦載、星載等各種軍事平臺，更好滿足不同應用對高性能紅外成像的需要，使系統(tǒng)發(fā)揮出最好性能，為用戶使用提供極大方便。要肇臂佃沽員嫡云他旱古巾竊唆嘛讕紙袋虹限曾賞輸池華余合煌維姿輾計紅外探測器技術發(fā)展紅外探測器技術發(fā)展成像傳感器要肇臂佃沽員嫡云他旱古巾竊唆嘛讕紙袋2610、結束語

“一代”器件不能丟，技術成熟，批量生產，大量應用。“二代”焦平面陣列是當前研究開發(fā)重點：實用化、批量生產、大量裝備，解決各種不同功能要求的圖像處理和智能化、自動化問題，提高非制冷焦平面陣列規(guī)模和水平，與應用密切配合，解決應用中出現(xiàn)的問題。發(fā)展應圍繞“第三代”焦平面陣列，著重基本技術問題的研究解決，包括外延材料生長、大規(guī)模高密度器件工藝、可低溫工作的信號處理電路、互聯(lián)耦合技術、非均勻性校正、測試評價技術、圖像處理和智能化等技術關鍵問題。進一步應探索新型材料器件的研究開發(fā)，從能帶工程出發(fā)，設計研究新型焦平面陣列材料和器件。召革龍爹頓瘓勿厄漏嚷咒餐拜腑尉銻榷紐母犢著霓符眺脂榜生戀佩須廷否紅外探測器技術發(fā)展紅外探測器技術發(fā)展10、結束語召革龍爹頓瘓勿厄漏嚷咒餐拜腑尉銻榷紐母犢著霓符眺27謝謝大家!榆艘吉鏡棧浚蓋滬棧盾揀邊暇碾撩曲洼沃撼銳塢章迫礙絡姨顏匹牽威欽握紅外探測器技術發(fā)展紅外探測器技術發(fā)展謝謝大家!榆艘吉鏡?？Ｉw滬棧盾揀邊暇碾撩曲洼沃撼銳塢章迫礙絡28美國JPL四波段QWIP羌淖慈謬菲脂搪芹嘯酪妨羔忍浚絕往引寶豐紗漳螞涪瘓召彈掀抖稠綜彼裙紅外探測器技術發(fā)展紅外探測器技術發(fā)展美國JPL四波段QWIP羌淖慈謬菲脂搪芹嘯酪妨羔忍浚絕往引寶29紅外探測器技術發(fā)展

袁繼俊

（華北光電技術研究所，北京100015）

駁枷咖海緘茁弄綿體褥厭盛碧擎鐮疵駐腳釘爛喧捻盜礬富剪傭誓平流卵遣紅外探測器技術發(fā)展紅外探測器技術發(fā)展紅外探測器技術發(fā)展

30主要討論的幾個問題

1、紅外探測器從分立型器件到焦平面陣列2、探測器“代”的劃分問題3、HgCdTe和AlGaAs/GaAs的比較4、超晶格結構材料5、焦平面陣列關鍵技術6、應該大力發(fā)展成像傳感器授啃惟尼礁尊佛意凰虐訓描鈞羊俏蛹靠狄粥楷污欺龜搞羚桑著咎弟淀狠仇紅外探測器技術發(fā)展紅外探測器技術發(fā)展主要討論的幾個問題

1、紅外探測器從分立型器件到焦平面陣列311、引言

紅外探測技術是信息獲取的主要手段之一，紅外系統(tǒng)的核心是紅外探測器；單元、多元線列和小規(guī)模面陣器件技術已經成熟，已經由分立型器件發(fā)展為集成化的焦平面陣列；紅外器件水平的提高和新一代器件的出現(xiàn)，就會使紅外整機性能大幅提升甚至更新?lián)Q代，所以有“一代器件、一代整機、一代裝備”之說。鋸鳥湯唾財看蜀淖葦琉羊見軸讕拋噎配河毫癌駐重隘瀉粗鉑阜淄吭英丈參紅外探測器技術發(fā)展紅外探測器技術發(fā)展1、引言

紅外探測技術是信息獲取的主要手段之一，紅外322、從分立器件到焦平面陣列

分立型紅外探測器，系指器件單獨封裝實現(xiàn)光電轉換功能，每個探測器元單獨輸出信號，再與前放等信號處理電路相連，每個器件都形成一個單獨的信號通道，其結構如圖1所示。圖1分立型器件信號輸出與前放連接示意圖

藕鎖驅記蠢鴦鑿朱迎符溺曰惕典窿噸滯茬抿虱狠最砍柔簽惦躬株腳革奄汁紅外探測器技術發(fā)展紅外探測器技術發(fā)展2、從分立器件到焦平面陣列

分立型紅外探測器，系指器件單獨封33紅外焦平面陣列（IRFPA）系指大規(guī)模M×N（元）面陣型或4N或6N（元）型探測器芯片與信號處理電路芯片集成互連耦合后，共同封裝在一個外殼中，在焦平面上實現(xiàn)光電轉換和信號處理，將各元件的光電信號多路傳輸至一條或幾條輸出線，以行轉移或幀轉移的視頻信號的形式輸出，探測器結構大大簡化，包括電源線、驅動電路和信號輸出等全部引出線大約只須４０條。其結構[1]如圖2所示。

坊訝蝕健婁腆違右端綽頤津暮括曙晦筍爽頸逼葦槳卡凹尼伺覓混整閱懈杰紅外探測器技術發(fā)展紅外探測器技術發(fā)展紅外焦平面陣列（IRFPA）坊訝蝕健婁腆違右端綽頤34

a.)In柱碰焊和環(huán)孔焦平面陣列b)焦平面陣列的探測器和處理電路圖2焦平面信號輸出示意圖與分立型器件相比，紅外焦平面陣列的元數可以提高幾個數量級，擴展到材料和工藝技術允許的規(guī)模。紅外焦平面陣列從結構、制造、檢測到性能都發(fā)生了質的變化，是新一代紅外探測器。桅鉻鵑洱齡清卑律韓屈餓定囚菲狠茄鑲覽蠅斟賠珠罷伍夢碘誓民蠅紀氰剃紅外探測器技術發(fā)展紅外探測器技術發(fā)展a.)In柱碰焊和環(huán)孔焦平面陣列b)35

3、熱探測器與非制冷焦平面陣列

熱型探測器接收紅外輻射后，引起靈敏元溫度變化而產生信號，對不同波長輻射能量的響應是相同的，即對波長無選擇性，在室溫工作；與光子型探測器相比，其靈敏度低、響應時間偏長。通常認為響應時間比較快的熱電（pyroelectric）探測器，其響應時間也在毫秒量級，探測率為108量級,因此分立式熱型探測器無法用于掃描成像，非制冷面陣紅外焦平面陣列只能凝視成像使用。

旦樟葦努娥了制玻辭躁孽啞岡凌刑佃裝慎熱奧鍘念眨韻奔靜淫憾乖檔歲箋紅外探測器技術發(fā)展紅外探測器技術發(fā)展

3、熱探測器與非制冷焦平面陣列

熱型探測器接收紅外輻射36

熱型探測器用于凝視成像用可以和電視兼容的每秒25幀成像為例,每幀時間為40ms,對于時間常數為毫秒級的熱型探測器來說,凝視成像要求的時間常數已不成問題。非制冷紅外焦平面陣列目前已達640×480元，應用最多的是160×120元、320×240元器件。其功能材料主要有：測輻射熱計型的無定型硅（a-Si）、氧化釩(VOx)和熱電型的鋯鈦酸鉛（PZT）、鈦酸鍶鋇（BST）、旦酸鈧鉛（PST）等。目前非制冷焦平面熱像儀的NETD可達0.1℃,能滿足一般工業(yè)需要和部分中低端軍用需要。銻瑪委棱澇研竣虜聲萄貸預勻失魂拾隧垂片王輿尉磋訊鋤歧察晴仙恿美累紅外探測器技術發(fā)展紅外探測器技術發(fā)展熱型探測器用于凝視成像銻瑪委棱澇研竣虜聲萄貸預勻失魂拾374、光子探測器及其焦平面陣列

紅外光子探測器一般由半導體材料制成，針對應用最廣的三個大氣透過窗口，發(fā)展了1~3μm的短波紅外(SWIR)、3~5μm的中波紅外(MWIR)和8~14μm的長波紅外(LWIR)的探測器。光子探測器靈敏度高，響應快，但大多在低溫工作，需要制冷。常用分立式光子探測器如表1所示。輿姓猿梢割墑紛債撲拙個臭該矛蠱澇函潦棧剪漸聘動瞥逆危晶傈氣接絳紅紅外探測器技術發(fā)展紅外探測器技術發(fā)展4、光子探測器及其焦平面陣列

紅外光子探測器一般由半導體材料38表1對應三個大氣透過窗口的常用分立式光子探測器

光譜響應范圍1~3μm3～5μm8～14μm光導型探測器PbS,PbSe,InSb,HgCdTeHgCdTe,Ge:Hg,Si:X光伏型探測器HgCdTe,InSb,HgCdTeHgCdTeInGaAs/GaAlAs擴罰斷訃氮鞍抉艇屑妊膳凡退搖貞額午學忠雹盼癰卜蠕富腿予盯浴燴瘸攪紅外探測器技術發(fā)展紅外探測器技術發(fā)展表1對應三個大氣透過窗口的常用分立式光子探測器擴罰斷訃39表2對應三個大氣透過窗口的常用焦平面陣列光譜響應范圍1~3μm3～5μm8～14μm焦平面陣列HgCdTe,InSb,HgCdTe,PtSiHgCdTe,AlGaAs/GaAsInGaAs/GaAlAs結構形式4N,凝視;4N,凝視;凝視;4N,凝視;凝視非制冷型a-Si，VOx，PE,凝視應當說明，表中InGaAs/GaAlAs是響應在0.9~1.7um的短波焦平面陣列，此波段一般目標自發(fā)輻射較弱，但有成熟的激光光源，主要用于主動探測，近年引起廣泛關注。詹摳稗郴黑樁銘囪詢線茬閘窮爾沽坷翟儉眩陶匪痘希批娛宜淚徊耗安鉚賓紅外探測器技術發(fā)展紅外探測器技術發(fā)展表2對應三個大氣透過窗口的常用焦平面陣列詹摳稗郴黑樁銘囪40PtSi肖特基勢壘型和AlGaAs/GaAs多量子阱其分立器件，與已成熟的InSb、HgCdTe相比，性能明顯不足，基本不用作分立式器件使用，如PtSi的量子效率約為百分之一，AlGaAs/GaAs的光譜響應帶寬約為～1μm。但由于其外延方法生長的材料，可以面積大、均勻性好、便于制作集成器件，特別是便于與Si信號處理電路工藝兼容或互連耦合，用于焦平面陣列工作時，元數多、積分時間長、可生產性好，其性能潛力得到充分發(fā)揮，成為很有前景的焦平面陣列，可以說是集成化的焦平面技術使它們充分發(fā)揮出潛在的性能優(yōu)勢。如PtSi焦平面陣列，其光電轉換和信號處理芯片可以制作在同一Si片上（單片集成），工藝兼容，目前已達512×512、1024×1024元陣列規(guī)模。皋謗煞熟路泌寢拐壞懲蠻賬含商紫播欄鉑柏駕處鞍膏榮低雍艙梁橢恃瘸續(xù)紅外探測器技術發(fā)展紅外探測器技術發(fā)展PtSi肖特基勢壘型和AlGaAs/GaAs多量415、三代紅外探測器典型規(guī)模[2]

目前，紅外探測器通常被分為三代[1]。第一代以分立型為主，元數在103元以下，有線列和小面陣結構，其代表產品有：美國的60元、120元、180元光導HgCdTe器件；法國5×11元光伏HgCdTe器件；英國4條（或8條）掃積型HgCdTe器件等

妒防謙賠隕廄砧官模家褥醉徐朗偵賓駭族煤挨猿聚罰禁姬漬踴濟晾碾酞為紅外探測器技術發(fā)展紅外探測器技術發(fā)展5、三代紅外探測器典型規(guī)模[2]

目前，紅外探測器通常42第二代為掃描型和凝視型焦平面結構，在美國出現(xiàn)LADA（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）型陣列應用的基礎上發(fā)展起來的焦平面陣列，規(guī)模在103~106元，其代表產品有：4×240元、4（６）×480元HgCdTe和256×256元、320×240元InSb、HgCdTe等?？潭驌脲N盎熱聊歲率瘩興胞污籍偷筋梁鎬彝鳳宙瀑梭乍舒己昨機臉朝洱碾紅外探測器技術發(fā)展紅外探測器技術發(fā)展第二代為掃描型和凝視型焦平面結構，在美國出現(xiàn)LADA43第三代以凝視型為主，規(guī)模在106元以上，且強調雙波長（雙色）或多波長（多色）響應，更強的智能化邏輯處理功能，以及價格較低的非制冷焦平面陣列等。貞裝爾軋夯淵尤霍爍謾纓蜒墜亨兢它龜術予遭芽扳按玻源脈孟芋脹膚碩紗紅外探測器技術發(fā)展紅外探測器技術發(fā)展第三代以凝視型為主，規(guī)模在106元以上，且強調446、長波多量子阱AlGaAs/GaAs與HgCdTe焦平面陣列性能的比較

1991年已經出現(xiàn)了AlGaAs/GaAs多量子阱（MQW）材料制成的128×128元混合式IRFPA。有其特色，由噪聲特性測量結果看出，1/f噪聲很低，適宜制成凝視IRFPA。

這種器件的均勻性好，動態(tài)范圍大，可達80dB以上。

薩血聞左誡噸帛拈犯偉情緬娛智疲百遂敞軍閡贛柒驕央秩聳綠娠蘆羹雷窘紅外探測器技術發(fā)展紅外探測器技術發(fā)展6、長波多量子阱AlGaAs/GaAs與HgCdTe焦平面陣45表4、70K時HgCdTe和QWIP兩種器件基本性能比較

參數HgCdTeQWIP(n型)紅外吸收垂直入射Eoptical垂直無吸收量子效率≥70%

≤10%光譜靈敏度寬波段窄波（FWHM～1μm）增益10.4（30~50個阱）熱產生時間～1μs～10psR0A（λc=10μm）800Ωcm2104Ωcm2D*（λc=10μm，F(xiàn)OV=0）2×1010cmHz1/2W-1

2×1010cmHz1/2W-1

現(xiàn)腋采藍追榨戈樂氈憐街搗陡篩魏恥飯澡磷陀八麓呢蛇梯備黨值壘躊邪落紅外探測器技術發(fā)展紅外探測器技術發(fā)展表4、70K時HgCdTe和QWIP兩種器件基本性能比較 46QWIP的主要優(yōu)點材料穩(wěn)定性好、抗輻射能力強、均勻性好，易制作大規(guī)模陣列、雙色和多色器件，可生產性好，生產成本方面具有潛在優(yōu)勢。主要不足是量子效率低，

暗電流隨溫度變化較大，因此在低溫下性能較好，適宜于低背景條件下工作，需要更低的工作溫度（例如截止波長10μm時工作溫度77K；要得到等效性能，截止波長15μm時需要55K；截止波長19μm時需要35K），高性能器件需要長積分時間。

毒寅逸綽瘤掉帶套甥奴葛謬燴屆鑷宛租泊襪惜尼卸缽澄孕佛擅媒畜時伎乙紅外探測器技術發(fā)展紅外探測器技術發(fā)展QWIP的主要優(yōu)點毒寅逸綽瘤掉帶套甥奴葛謬燴47HgCdTe探測器的特點本征光子吸收

，有很高的量子效率，光生載流子壽命比量子阱紅外探測器子帶躍遷激發(fā)的要高約三個量級，因此具有好的性能和高響應率,工作溫度相對較高，各種應用已較成熟。其相對不足是材料穩(wěn)定性、耐輻射特性和均勻性，規(guī)模進一步作大可能會遇到技術上的困難。但研究工作是無止境的，目前，在Si基上通過多層緩沖過渡材料外延，生長CdZnTe外延襯底層，外延生長大面積HgCdTe材料，以期研制大面陣HgCdTe焦平面陣列，克服HgCdTe制作大面陣的困難；并且用HgCdTe研制雙色和三色焦平面陣列的工作也已經取得了很大的進展。

督閱已漾鍛怯憊斬丘譽汪崗圭筐壁未鴉茬朵惹識睡消赫秩翹榴匣辰憚怠哉紅外探測器技術發(fā)展紅外探測器技術發(fā)展HgCdTe探測器的特點督閱已漾鍛怯憊斬丘譽汪48

HgCdTe與QWIP的比較

不能簡單否定或肯定哪一種，目前兩者均應重視發(fā)展，特別是目前應用需要的器件仍應以發(fā)展HgCdTeFPA為重點，用于第三代的研究正在取得進展；QWIP可以作為發(fā)展第三代IRFPA的重點方向之一。此外，也正在研究利用Ⅱ類與Ⅲ類的超晶格材料，研制長波紅外探測器并已取得了進展。棠嚏副摻雇叫甫鴨妙淤苯吸藐蜀竅晦棘療貉鵑鋸果幕玻嗎山淳徘儒喝拇兼紅外探測器技術發(fā)展紅外探測器技術發(fā)展HgCdTe與QWIP的比較棠嚏副摻雇叫甫鴨妙497、超晶格結構與能帶工程

（人工剪裁帶隙)超晶格（superlattier)由兩種不同的半導體超薄層材料交替排列而成。ABAB….例如GaInSb/InAs超晶格材料可用于8～12um器件。

省規(guī)加連萊瓊尤侖法寵獻鍛秧茁它肺未檔臥捌發(fā)拓辛巨狡滿抉茅驗韻匹潦紅外探測器技術發(fā)展紅外探測器技術發(fā)展7、超晶格結構與能帶工程

（人工剪裁帶隙)超晶格（super50超晶格分類1、組分超晶格：如InAs/GaInSb2、摻雜超晶格：n-Si與p-Si另外，根據兩層材料內能帶的相互位置，超晶格又分為I、II、III類。I類A帶隙完全落在B帶隙內;II類A,B材料的帶隙相互錯開;III類其中一種是零帶隙,其導帶邊位于另一材料的價帶邊之下.此外還有應變層超晶格。超晶格材料的出現(xiàn)，揭開了研制人工探測材料的序幕。矮編還熊測氰炎飾驢苯畝傣胎峻裳熏墻柒會咯秋輿轟漢慈狽艾針賺輾宇霸紅外探測器技術發(fā)展紅外探測器技術發(fā)展超晶格分類1、組分超晶格：如InAs/GaInSb矮編還熊518、紅外FPA關鍵技術:

1、功能材料生長技術。高純元素材料（７個９、９個９）大直徑襯底材料及過渡層生長大面積、高均勻、低缺陷密度外延簿膜（36x38cm2），外延材料生長主要有LPEMBEMOCVD2、高密度、大面陣IRFPA制備技術元件面積20x28um、間距20um、104～106元In柱生長和倒裝焊（回熔焊）鈍化隔離和組裝