中遠紅外焦平面探測器

中遠紅外焦平面探測器第一頁，共七十八頁，2022年，8月28日內容

引言紅外探測器的分類紅外探測器的基本理論中遠紅外焦平面探測器紅外探測器的發(fā)展歷程與應用第二頁，共七十八頁，2022年，8月28日1.1紅外光電探測器 紅外光電探測器是將接收到的紅外輻射量轉換成電量(電流或電壓)。

AtmosphereWindows

1-3μm(SWIR):透射率大于80%，用于光纖通迅3-5μm(MWIR):透射率60-70%

8-14μm(LWIR):透射率80%引言第三頁，共七十八頁，2022年，8月28日電磁波譜圖引言第四頁，共七十八頁，2022年，8月28日國外研究現(xiàn)狀:紅外焦平面列陣(IRFPA):

美、法和英等發(fā)達國家，基于碲鎘汞材料的單色紅外焦平面器件的技術已經成熟，以480×4元長波和512×512元中波為代表的焦平面器件已基本取代了多元光導線列通用組件。 已實現(xiàn)向更大規(guī)模的凝視型焦平面列陣探測器、雙色探測器的發(fā)展，長波器件達到640×480元，中、短波達到2048×2048元的規(guī)模。1.2紅外光電探測器的研究現(xiàn)狀引言第五頁，共七十八頁，2022年，8月28日非致冷紅外焦平面列陣

目前主要研制鐵電型和熱敏電阻型焦平面列陣，如以鐵電陶瓷制作的384×288元的熱釋電紅外探測器；氧化釩熱敏電阻制成的非致冷紅外焦平面已達到640×480元的規(guī)模。國外的研究現(xiàn)狀引言第六頁，共七十八頁，2022年，8月28日目前，大多數(shù)QWIPs是用GsAs/AlGaAs（中遠紅外）和InGaAs/InAlAs（近紅外）制備的。

美國NASA/ARL研制的1024×1024元焦平面，NASA/JPL研制的640×512元四色焦平面，代表了當前的最高研究水平。量子阱紅外焦平面列陣引言國外的研究現(xiàn)狀第七頁，共七十八頁，2022年，8月28日從器件規(guī)模上：已經從紅外單元器件向大規(guī)模紅外焦平面陣列探測器發(fā)展；從波段上：短波1—3μm，中波3—5μm和長波8—14μm都有器件的研制.從器件的工作溫度上：在研制低溫下工作的器件同時，發(fā)展在室溫下工作的非制冷焦平面器件。上海技術物理研究所對碲鎘汞和量子阱紅外焦平面探測器件等方面進行了系統(tǒng)研究。國內目前的研究現(xiàn)狀引言第八頁，共七十八頁，2022年，8月28日目前主要研究方向目前紅外光電探測器主要集中在多色紅外焦平面列陣、量子阱紅外探測器、非制冷紅外焦平面探測器、THz級聯(lián)激光器和單光子遠紅外探測器等新型器件的研究。引言第九頁，共七十八頁，2022年，8月28日2.紅外光電探測器的分類光子探測器的原理及相應的探測器分類效應相應的探測器外光電效應（1）光陰發(fā)射光電子光電管（2）光電子倍增氣體繁流倍增打拿極倍增通道電子倍增充氣光電管光電倍增管像倍增管內光電效應（1）光電導效應光導管或光敏電阻（2）光生伏特效應PN結和PIN結（零偏）PN結和PIN結（反偏）雪崩肖特基勢壘p-n-p結和n-p-n結異質結光電池光電二極管雪崩光電二極管肖特基勢壘光電二極管光電三極管（3）光電磁效應光電磁探測器第十頁，共七十八頁，2022年，8月28日熱探測器的原理及相應的探測器分類效應相應的探測器（1）測輻射熱計負電阻溫度系數(shù)正電阻溫度系數(shù)超導熱敏電阻測輻射熱計金屬測輻射熱計超導遠紅外探測器（2）溫差電效應熱電偶、熱電堆（3）熱釋電效應熱釋電探測器（4）其它高萊盒，液晶等光熱效應第十一頁，共七十八頁，2022年，8月28日單元器件第十二頁，共七十八頁，2022年，8月28日線列結構第十三頁，共七十八頁，2022年，8月28日焦平面第十四頁，共七十八頁，2022年，8月28日3.光電探測器的基本理論3.1光電探測器的工作原理3.2光電探測器的性能參數(shù)第十五頁，共七十八頁，2022年，8月28日3.1光電探測器的基本工作原理物理效應光子效應入射光子流與探測材料相互作用產生的光電效應，探測器吸收到光子后，直接引起原子或分子內部電子狀態(tài)的改變。光熱效應利用輻射熱效應。探測器吸收光輻射能量后，引起探測器元件溫度上升，從而使探測元件的電學性質或其它物理性質發(fā)生變化。光子效應對光波頻率表現(xiàn)出選擇性，其響應速度比較快，靈敏度高。熱效應對光波頻率沒有選擇性，但光譜響應范圍較寬且較平坦。第十六頁，共七十八頁，2022年，8月28日3.1.1外光電效應:光電發(fā)射效應載止波長：為光電子的初動能,hv是入射光子的能量,為光電發(fā)射物體的功函數(shù)。當光照射在物體表面上時，物體表面有電子（光電子）逸出的現(xiàn)象，稱為光電發(fā)射效應。第十七頁，共七十八頁，2022年，8月28日機理：半導體吸收有足夠能量入射的紅外光子，產生電子空穴對，使得半導體的電導率增加，對其加一個恒定的偏流，檢測電導率的變化。3.1.2內光電效應:光電導效應hvhv+u光電導：光電流：第十八頁，共七十八頁，2022年，8月28日原理：入射光子產生電子空穴對，內部電勢壘的內建電場將把電子-空穴對分開，從而在勢壘兩側形成電荷堆積，形成光生伏特效應。+結區(qū)pn++++----光無光照光照下iVu

0光生伏特i0短路光電流3.1.3內光電效應:光生伏特效應+-Ei第十九頁，共七十八頁，2022年，8月28日光照零偏PN結產生開路電壓的效應，稱為光伏效應。這就是光電池的工作原理。光照反偏條件下工作時，觀測到的光電信號是光電流，而不是光電壓，這便是結型光電探測器的工作原理。反偏的PN結通常稱為光電二極管。光伏探測器在理論上能達到的最大探測率比光電導探測器大40％，而且能零偏置工作，是高阻抗器件，即使加反向偏置，偏置功耗很低。與同樣為高阻抗的CMOS讀出電路很容易匹配。

第二十頁，共七十八頁，2022年，8月28日利用輻射熱效應而引起電阻變化的熱探測器應稱之為測輻射熱計（Bolometer），俗稱熱敏電阻。

3.1.5光熱效應:輻射熱效應第二十一頁，共七十八頁，2022年，8月28日

原理:當兩種不同的配偶材料，兩端并聯(lián)熔接時，當光照熔接端（稱為電偶接頭）時，吸收光能使電偶接頭溫度升高，電表就有相應的電流讀數(shù)，電流的數(shù)值就間接反映了光照能量的大小。3.1.6光熱效應:溫差電效應第二十二頁，共七十八頁，2022年，8月28日

熱釋電效應是通過熱電材料實現(xiàn)的。熱電材料是結晶對稱性很差的晶體，該類材料在溫度發(fā)生變化時，其內部自發(fā)極化強度發(fā)生改變，會在材料表面呈現(xiàn)出相應于溫度變化的面電荷變化。 它是響應與材料的溫度變化率，所以比其它熱效應的響應速度要快得多，已獲得日益廣泛的應用。工作時不用冷卻，也不用加偏壓，使用方便，光譜響應范圍很寬，已廣泛用于輻射測量。3.1.7光熱效應:熱釋電效應第二十三頁，共七十八頁，2022年，8月28日3.2光電探測器的性能參數(shù)量子效率η靈敏度R/響應時間噪聲等效功率NEP歸一化探測度D*第二十四頁，共七十八頁，2022年，8月28日3.2.1量子效率η在半導體內部，入射光生成的電子-空穴對與入射的光子數(shù)量之比。定義式：式中P0是入射到探測器表面的光功率，Iph是產生的光電流，hv是入射光子能量。第二十五頁，共七十八頁，2022年，8月28日 光譜響應度是光電探測器光電轉換特性的量度，定義為輸出信號的光電流或電壓與入射的輻射光功率。

Ri=Iph/Po

[AW-1]電流響應度Ru=Vd/Po[VW-1]電壓響應度Iph和Vd分別指輸出信號的光電流和電壓，Po入射光功率

Ri=he/hn=hel/hc3.2.2光譜響應度和響應時間響應時間：（上升時間和下降時間）當探測器的輸入光信號為方波時，輸出信號的電流從最大值的90%減小到10%所需的時間稱為下降時間τd，以及從最大值的10%上升到90%所需的時間稱為上升時間τr。第二十六頁，共七十八頁，2022年，8月28日3.2.3噪聲等效功率NEP（1）實際上，當P0=0時，光電探測器的輸出電流并不為0，這時的電流就稱為暗電流in。（2）NEP用來表征探測器探測能力，定義為相應于單位信噪比的入射光功率：

[W]Vn是指器件輸出暗噪聲電壓的有效值，Ru為電壓響應度。（3）NEP越n小，探測器探測微弱信號的能力越強。

第二十七頁，共七十八頁，2022年，8月28日D*與NEP直接相關。 [cmHz1/2W-1]式中Aopt為器件受光面積,BW為(噪聲)帶寬。D*越大的探測器其探測能力一定好。3.2.4歸一化探測度D*第二十八頁，共七十八頁，2022年，8月28日4紅外焦平面探測器（IRFPA）原理：焦平面上排列著感光元件陣列，入射光線經過光學系統(tǒng)成像在系統(tǒng)焦平面的這些感光元件上，探測器將接受到光信號轉換為電信號，并通過信號讀出電路(包括積分放大、采樣保持和多路傳輸系統(tǒng))輸出形成圖像。第二十九頁，共七十八頁，2022年，8月28日IRFPA與單元器件或線列器件相比的優(yōu)點集成光電轉換和信號讀出處理于一體；由于具有對信號積分累加，因而提高系統(tǒng)的靈敏度和分辨率；簡化信號處理電路，降低對制冷系統(tǒng)的要求，減小系統(tǒng)體積，降低功耗和成本。第三十頁，共七十八頁，2022年，8月28日IRFPA的分類結構：

單片式

混合式光學系統(tǒng)的掃描方式：掃描型:采用時間延遲積分技術，采用串行方式讀取電信號凝視型:無需延遲積分，速度快，采用并行方式讀取電信號。讀出電路電荷耦合器件（CCD）金屬氧化物半導體場效應管（MOSFET）電荷注入（CAM）制冷方式：

制冷型D*~1011cmHz1/2W-1

，響應時間us

非制冷型D*~109cmHz1/2W-1

，響應時間ms第三十一頁，共七十八頁，2022年，8月28日銦柱將陣列上的每一個紅外探測器與多路傳輸器一對一地準確地配接起來，從而使紅外探測器陣列能夠和單片式結構相似地將所采集的圖像信號通過多路傳輸器輸送出去，完成全部的功能。第三十二頁，共七十八頁，2022年，8月28日第二代光伏型HgCdTe焦平面探測器的兩種掃描方式：（a）掃描型和（b）凝視型(a)(b)第三十三頁，共七十八頁，2022年，8月28日幾種材料的紅外凝視焦平面陣列元數(shù)的增長，及2010年前的變化趨勢預測。第三十四頁，共七十八頁，2022年，8月28日幾種工作在中遠紅外探測的材料MaterialNameSymbolEg(eV)c(m)OperatingTemp.(K)Mer-Cad-TelHgCdTe可調0.7–2550-250IndiumAntimonideInSb0.1896.5580ArsenicdopedSiliconSi:As0.0524.810第三十五頁，共七十八頁，2022年，8月28日第三十六頁，共七十八頁，2022年，8月28日Hg1-xCdxTe（MCT）IRFPA帶隙在0.7-25um內可調直接帶隙，吸收系數(shù)高；熱膨脹系數(shù)與Si膨脹系數(shù)相近，而且極易鈍化；用于紅外各波段的MCT材料具有接近相同的晶格常數(shù)。MCT材料的特性能隙第三十七頁，共七十八頁，2022年，8月28日HgTe與CdTe之間的晶格失配小，約為0.3%CdZnTe是與HgCdTe晶格匹配的優(yōu)質襯底。Cd0.96Zn0.04Te第三十八頁，共七十八頁，2022年，8月28日HgCdTe可以按任何比例混合，構成一種禁帶寬度連續(xù)變化的材料，而且工作溫度較高，是目前性能最好、使用最廣泛也最有發(fā)展?jié)摿Φ陌雽w紅外光電探測器材料。第三十九頁，共七十八頁，2022年，8月28日HgCdTe器件結構通過銦丘互連的背照式混成HgCdTe焦平面列陣的結構圖第四十頁，共七十八頁，2022年，8月28日第四十一頁，共七十八頁，2022年，8月28日TheevolutionofthreegenerationsofHgCdTeIRFPA第四十二頁，共七十八頁，2022年，8月28日

HgCdTePhotoconduction(PC)HgCdTe長波HgCdTe光導型探測器的特性參數(shù)：?50-100Ω/cm2?105V/Wat1mAbiasfora50×50μmdevice.?D*about80%ofbackgroundlimit.?PhotonnoiselevelofafewnV/Hz.第四十三頁，共七十八頁，2022年，8月28日

HgCdTePhotovoltaic(PV)HgCdTePV探測器的臺面刻蝕剖面圖。在透明的CdZnTe襯底上生長n-typeHgCdTe，然后再摻雜p+-layer.表面鈍化是為了保護防止表面電荷積累和漏電流．紅外光從背面照射進去第四十四頁，共七十八頁，2022年，8月28日ThethirdgenerationHgCdTedevices雙波段焦平面列陣的每個單元由兩個駐并在同一處的探測器組成，截止波長較長的光電二極管是通過外延方法生長在截止波長較短的光電二極管的頂部的，中間用p-tpye隔開。每個探測器敏感一個不同的譜段，在背面照射的雙波段探測器，截止波長較短的那個光電二極管就相當于截止波長較長的那個光電二極管的一個長波通濾光片。第四十五頁，共七十八頁，2022年，8月28日

HgCdTetwo-colourdetector波長與相對響應度的曲線圖第四十六頁，共七十八頁，2022年，8月28日HgCdTe紅外焦平面面臨的問題HgCdTe晶體存在嚴重的缺點：結構完整性差和合金組分不均勻。為克服上述缺點，目前應用液相外延（LPE）和分子束外延（MBE）方法制備HgCdTe薄膜材料；用于外延生長的襯底材料有CdZnTe、Si、GaAs。在低溫（＜50K），HgCdTe材料存在p型摻雜、肖克萊-里德復合、陷阱隧道效應以及表面和界面的不穩(wěn)定的問題第四十七頁，共七十八頁，2022年，8月28日（1）大面積列陣、小型化、降低價格；（2）雙色及多色紅外焦平面列陣的發(fā)展；（3）高性能的非致冷紅外焦平面列陣的發(fā)展；（4）紅外焦平面技術發(fā)展趨勢能將紅外成像傳感器和神經網絡信息處理器相結合，具有類似動物眼睛作用的新功能。HgCdTe紅外焦平面列陣的主要發(fā)展方向第四十八頁，共七十八頁，2022年，8月28日

QuantumWellInfraredPhotodetectors（QWIPs）基本原理：

QWIPs是利用摻雜量子阱的導帶中形成的子帶間躍遷,將從基態(tài)躍遷到第一激發(fā)態(tài)的電子通過電場作用形成光電流的物理過程，實現(xiàn)對紅外輻射的探測。

短波紅外:以在InP襯底上生長的InGaAs/InAlAsQWIP為代表中、長波紅外:以GaAs/AlGaAsQWIP為代表，這是目前研究得最多的。第四十九頁，共七十八頁，2022年，8月28日GaAs/AlGaAsQWIPs1.4242.13利用MBE交替生長作為勢阱層的GaAs和勢壘層的AlGaAs通過調節(jié)AlxGa1-xAs中Al的組分含量改變量子阱寬度和勢壘高度可獲得3-20um的響應。第五十頁，共七十八頁，2022年，8月28日量子阱結構中束縛態(tài)上的電子吸收紅外光向高能態(tài)躍遷，并在電場的作用下輸運形成光電流，實現(xiàn)對紅外光的探測。GaAs/AlGaAsQWIPs第五十一頁，共七十八頁，2022年，8月28日量子阱的導帶中電子激發(fā)躍遷，以及光電流輸運過程的示意圖。由N型注入區(qū)、多量子阱吸收區(qū)和N型收集區(qū)組成N+GaAs注入區(qū)N+GaAs收集區(qū)第五十二頁，共七十八頁，2022年，8月28日1.從束縛態(tài)到束縛態(tài)暗電流較大，后來Choi等人對此結構進行改進，適當?shù)卦黾觿輭镜暮穸群透叨?，導致引起暗電流的基態(tài)電子隧穿數(shù)目減少，從而也提高了探測率。第五十三頁，共七十八頁，2022年，8月28日沒有隧穿過程，使有效地收集光電子所需的偏置電壓大大降低，暗電流也大幅度減小。第三種是第一激發(fā)態(tài)為準束縛態(tài)(量子阱頂部)，這種結構也具有較高的特性。2.從束縛態(tài)到連續(xù)態(tài)第五十四頁，共七十八頁，2022年，8月28日QWIP結構設計的主要方面交替生長作為勢阱層和勢壘層；入射光束在量子阱區(qū)的路徑就盡量平行于量子阱的生長面；只有當電子吸收光子能量后躍遷到高能態(tài)或直接躍遷出量子阱，才能被探測到；通過改變層材料的特性可以改變阱深和阱寬。第五十五頁，共七十八頁，2022年，8月28日NASA/ARL聯(lián)合研制出了當前世界上最大規(guī)模的單色量子阱焦平面器件：1024×1024，陣列中心距18μm，峰值波長8.8μm，截止波長9.2μm，75K溫度下達到背景限性能。第五十六頁，共七十八頁，2022年，8月28日光耦合方式波紋耦合方式：利用AlGaAs和空氣之間能夠發(fā)生全反射的原理，使入射光束在量子阱區(qū)的路徑幾乎平行于量子阱的生長面。提高器件的量子效率近一半的量子阱被化學刻蝕，降低器件的暗電流適合于更小的光敏元面積第五十七頁，共七十八頁，2022年，8月28日640×512四色焦平面器件。響應波段為4～5.5μm，8.5～10μm，10～12μm，13～15.5μm，由4個128器件構成.第五十八頁，共七十八頁，2022年，8月28日HgCdTeIRFPA:

本征光吸收過程，光生載流子壽命比QWIPs的子帶間躍遷激發(fā)要高約三個數(shù)量級，因而量子效應高；吸收系數(shù)高；能適應于更高的工作溫度。QWIPs:

材料穩(wěn)定性好、抗輻射能力強、均勻性好；具有高阻抗，更快的響應時間，較長的積分時間和低功耗；中長波QWIPsVs.HgCdTeIRFPA第五十九頁，共七十八頁，2022年，8月28日DisadvantagesofQWIPS量子效應較低:子帶間的躍遷器件工作溫度低:暗電流和噪聲大第六十頁，共七十八頁，2022年，8月28日Solution光導器件結構改為光伏器件結構，實現(xiàn)無偏置電壓工作，減小暗電流。撇出功能的實現(xiàn)，通過降低采集信號的暗電流和背景光電流，增加積分時間，同時降低噪聲。第六十一頁，共七十八頁，2022年，8月28日法國的Sofradir通過在探測器部分對每一元同時制作兩個QWIP器件，一個作為參考QWIP器件，實現(xiàn)撇出功能，器件工作溫度大大提高。85K溫度下即獲得了65K溫度下的器件性能，噪聲等效溫差（NETD）10mK。撇出功能的實現(xiàn)第六十二頁，共七十八頁，2022年，8月28日（1）量子阱紅外焦平面器件的大面積化及性能的進一步提高。（2）高溫化，降低成本、功耗及系統(tǒng)體積。（4）雙色及多色焦平面。（5）甚長波紅外探測器及其它低維結構（量子點或量子線）的量子器件。量子阱紅外探測器的發(fā)展方向第六十三頁，共七十八頁，2022年，8月28日紅外探測器的發(fā)展歷程第六十四頁，共七十八頁，2022年，8月28日最早的紅外探測器：1800年W.Herschel發(fā)現(xiàn)紅外輻射時使用的是水銀溫度計，這是最原始的熱敏型紅外探測器。1830年，L.Nobili利用塞貝克發(fā)現(xiàn)的溫差電效應制成了“溫差電型輻射探測器”。隨后發(fā)明了測輻射熱計。1917年，Gase研制了亞硫酸鉈探測器，首次利用了紅外的光電導效應。第六十五頁，共七十八頁，2022年，8月28日20世紀40年代以前：研制成的紅外探測器主要是熱敏型探測器。20世紀40年代：光導型紅外探測器， 主要為PbS，PbSe及PbTe探測器20世紀50年代： 用InSb,InAs及Ge:Hg材料。分別應用于波長1—3μm，3—5μm，8—14μm3個“大氣透明窗口”的紅外探測。第六十六頁，共七十八頁，2022年，8月28日

60年代初，由于激光器的發(fā)明和光刻技術的應用，產生了第一個非本征鍺摻汞長波線列（14—30μm），并應用于紅外前視系統(tǒng)。60年代末和70年代初，發(fā)展了第一代HgCdTe光導探測器。1970年發(fā)明了電荷耦合器件CCD，使得帶讀出電路的第二代紅外焦