第7章-致冷型紅外成像器件課件

第7章-致冷型紅外成像器件ppt課件1第7章致冷型紅外成像器件紅外輻射的發(fā)現(xiàn):紅外輻射是1800年由英國天文學(xué)家威廉．赫謝爾(Herschel)爵士發(fā)現(xiàn)的，他在重復(fù)牛頓著名的棱鏡實驗時，探測到緊鄰可見光譜低頻端的區(qū)域中存在的熱量。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。第7章致冷型紅外成像器件紅外輻射的發(fā)現(xiàn):2X射線紫外線近紅外線紅外線短波紅外線中波紅外線長波微波波長單位為微米(μm)10-410-20.280.400.702.006.008.0010415.00熱測量

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、衍射和偏振定律，區(qū)別只是波長(頻率)不同而已。紅外線波長范圍：

在0.75μm~1000μm紅外線波長的短波端與可見光相接，波長的長波端與無線電的微波(毫米波)相連。紅外熱像儀可以接收紅外輻射并將其轉(zhuǎn)換為溫度。X射線紫外線近紅外線紅外線短波紅外線中波紅外線長波微波波長單3紅外波段分為短波紅外(SWIR)1～3μm波段，中波紅外(MWIR)3～5μm波段和長波紅外(LWIR)8～14μm波段。大氣紅外透射曲線大氣對紅外線吸收比較少的波段，也就是透射率比較高的波段，被形象地稱為“大氣窗口”。對應(yīng)大氣窗口的波段，開發(fā)利用比較充分紅外波段分為短波紅外(SWIR)1～3μm波段4紅外技術(shù)用于夜視，是由于其工作原理決定的，它的許多特點使它不只用于夜視，還可用于探測、跟蹤、偵察、告警、火控、制導(dǎo)以及工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)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，并把它轉(zhuǎn)變成電信號輸出。圖是熱像儀夜間拍攝的熱圖像，它是景物的熱圖，不受有無陽光照射的影響。紅外技術(shù)用于夜視，是由于其工作原理決定的，它的許多5物體紅外鏡頭探測器紅外熱圖紅外輻射紅外熱像儀工作示意圖紅外熱像儀是全被動接收儀器，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設(shè)備沒有任何干擾。電路處理物紅外鏡頭探測器紅外熱圖紅外輻射紅外熱像儀工作示意圖紅外熱像6熱成像測量物體表面溫度

靈敏度高

空間分辨率高目前最靈敏的熱成像系統(tǒng)能測出0.01℃的溫度變化例如：點熱成像系統(tǒng)1s內(nèi)可測出20萬個點。熱成像測量物體表面溫度目前最靈敏的熱成像系統(tǒng)例如：7紅外熱像圖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?？梢姽鈭D紅外熱像圖紅外熱像圖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)可8紅外輻射的應(yīng)用:紅外線存在于自然界的任何角落，一切溫度高于絕對零度的有生命體和無生命體時時刻刻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，地球上，無論高山，還是森林湖泊，冰天雪地，都在日夜不停地放射紅外線，特別是，活動在地面、水中和空中的軍事裝置，如坦克、車輛、軍艦、飛機等，由于有高溫部位，往往形成強的紅外輻射源。紅外輻射的探測在軍事上和民生上有廣泛的應(yīng)用需求。在二次世界大戰(zhàn)開始前后，現(xiàn)代紅外成像技術(shù)進入了初期階段，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.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)濟各領(lǐng)域發(fā)揮著巨大的作用。紅外輻射的應(yīng)用:9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，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)星遙感等多個領(lǐng)域；在民用方面，紅外熱像儀可以用于材料缺陷的檢測與評價、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。這種熱像圖與物體表面的熱分布場相對應(yīng)；實質(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，缺少層次和立體感，因此，在實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，常采用一些輔助措施來增加儀器的實用功能，如圖像亮度、對比度的控制，實標(biāo)校正，偽色彩描繪等技術(shù)。第7章-致冷型紅外成像器件ppt課件10紅外應(yīng)用

建筑檢測食品警用安防制造業(yè)石化預(yù)防性維護造紙科研/測試冶金電力動物醫(yī)療軍事上紅外應(yīng)用

建筑檢測造紙11臥室屋頂漏水建筑檢測

辦公樓隔熱玻璃BCAM/BCAMSD/B2/B4/B360/B400臥室屋頂漏水建筑檢測

辦公樓隔熱玻璃BCAM/BCAMSD12食品

冷凍的雞肉食品制作過程中控制溫度食品

冷凍的雞肉食品制作過程中控制溫度13警用安防樹叢里的嫌疑犯地毯上的腳印警用安防樹叢里的嫌疑犯地毯上的腳印14夜視監(jiān)視

夜視監(jiān)視15制造業(yè)芯片和電路板電器產(chǎn)品制造業(yè)芯片和電路板電器產(chǎn)品16石化石化17預(yù)防性維護

電器維護機械維護預(yù)防性維護

電器維護機械維護18造紙溫度不同生產(chǎn)造紙溫度不同生產(chǎn)19科研/測試飛機機翼冰箱保鮮科研/測試飛機機翼冰箱保鮮20冶金

冶金

21電力電力22動物醫(yī)療

動物醫(yī)療

23紅外武器裝備包括紅外夜視、前視紅外、偵察、告警、火控、跟蹤、定位、精確制導(dǎo)和光電對抗等先進技術(shù)裝備，對取得戰(zhàn)場主動權(quán)和進行夜戰(zhàn)，發(fā)揮了突出作用。

有人統(tǒng)計從1975—1985年，馬島戰(zhàn)爭至兩伊戰(zhàn)爭期間，被紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈擊落的飛機，占飛機損失總數(shù)的95％。紅外搜索跟蹤儀的跟蹤精度可以在10＂以內(nèi)，對超低空目標(biāo)和掠海飛行目標(biāo)的抗干擾能力以及對多目標(biāo)的選擇跟蹤能力，都是已有手段中最好的；“阿帕奇”武裝直升機的紅外偵察圖像

軍事上的應(yīng)用紅外武器裝備包括紅外夜視、前視紅外、偵察、告警、火24預(yù)警衛(wèi)星裝有高精度的探測器。始終指向敵對方的地區(qū)。一旦敵方發(fā)射導(dǎo)彈，衛(wèi)星就可以探測出來，同時通過對飛行彈道進行計算，可以確定它的落點和攻擊目標(biāo)，并馬上把信息傳到本部指揮中心，提醒作好反擊準(zhǔn)備。一般的洲際導(dǎo)彈要飛行幾十分種的時間，中程導(dǎo)彈也要飛行幾分種到十幾分種的時間。預(yù)警衛(wèi)星的報警就為自己一方贏得了寶貴的時間。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)的資金投入，到2016年，其年度費用將達150億美元。2012年7月，朝鮮進行導(dǎo)彈試射時，美軍的反導(dǎo)預(yù)警系統(tǒng)對朝鮮導(dǎo)彈試射情況掌握得一清二楚。預(yù)警衛(wèi)星裝有高精度的探測器。始終指向敵對方的地區(qū)。一旦敵方發(fā)25

衛(wèi)星紅外偵察、預(yù)警，可以在數(shù)十秒內(nèi)探測到彈道導(dǎo)彈助推段火箭的發(fā)射。預(yù)警衛(wèi)星的紅外望遠鏡，可以全天候探測“飛毛腿”導(dǎo)彈發(fā)射，30s內(nèi)就可探測到發(fā)動機噴射的尾焰，為“反導(dǎo)”贏得了時間；長波紅外熱像儀在夜間可看清戰(zhàn)場目標(biāo)，提高了飛機、坦克、戰(zhàn)車的夜間作戰(zhàn)能力和識別偽裝目標(biāo)的能力，海灣戰(zhàn)爭中飛機轟炸主要是在夜間進行的。從常規(guī)的夜間紅外瞄準(zhǔn)具到空間的衛(wèi)星攔截器都使用了紅外技術(shù)。紅外成像裝備及觀察到的F117圖像衛(wèi)星紅外偵察、預(yù)警，可以在數(shù)十秒內(nèi)探測到彈道26第7章-致冷型紅外成像器件ppt課件27第7章-致冷型紅外成像器件ppt課件28

紅外探測有兩種主要形式：第一類器件:需要致冷型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)體中的自由載流子。第二類器件:非致冷的量熱型紅外探測器件，在這類器件中，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。紅外探測有兩種主要形式：29許多常溫下物體的輻射光譜峰值都在10μm左右.軍事目標(biāo)輻射的峰值在8~14μm波段范圍，這個波段是軍事探測、紅外遙感的主要工作波段.也是大功率CO2激光器的工作波段，而且大氣在這個波段的透過率高，常稱為大氣第三個透過窗口。人們希望有工作于常溫或不很低的低溫而且D*又高的本征型光電導(dǎo)器件。根據(jù)本征光電效應(yīng)工作原理，適合于8~14μm的波段的半導(dǎo)體材料，其禁帶寬度應(yīng)為0.09~0.15eV.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的禁帶寬度。人們用多元化合物達到了這一目的。碲鎘汞（Hg1-xCdxTe，HgCdTe），簡寫為MCT或CMT，是最常用的長波紅外（LWIR，8-14μm）和中波紅外（MWIR，3-5μm）的探測器材料。7.1SPRITE紅外探測器許多常溫下物體的輻射光譜峰值都在10μm左右.7.1SP307.1.1碲鎘汞的性質(zhì)

Hg1-xCdxTe是由二元CdTe和HgTe構(gòu)成的固溶體。CdTe的禁帶寬度較寬，HgTe是半金屬。通過不同的配比x（按摩爾數(shù)比），以及在不同的工作溫度T，可以得到不同的帶隙的MCT。研究指出，Hg1-xCdxTe的禁帶寬度Eg可用經(jīng)驗公式表示：1.禁帶寬度隨組分和溫度而改變7.1.1碲鎘汞的性質(zhì)

Hg1-xCdxTe是由二元Cd31在0.17<x<0.33，T>77K時，計算結(jié)果同實驗值相當(dāng)一致。在x較小時，Eg同x可視為呈直線關(guān)系，Eg變?yōu)椋核訣g對T的變化率為：在0.17<x<0.33，T>77K時，計算結(jié)果同實驗值相當(dāng)32從式（7-3）可以看出，在x<0.48時，隨T升高，Eg線性增大，如圖7-1所示。當(dāng)x=0.48時，Eg不隨T而變化，且有Eg=0。通過控制配比x和工作溫度T，可以得到所需的禁帶寬度。但是，到目前為止，幾乎所有的本征碲鎘汞，其x值均在0.18-0.4之間。這相當(dāng)于截止波長為3～30μm。而重點研究是x=0.2的合金，即Hg0.8Cd0.2Te。這種材料正好迎合于8～14μm的大氣窗口。對于高x值Hg1-xCdxTe,也正在研究之中。從式（7-3）可以看出，在x<0.48時，隨T升高，Eg線性33

SPRITE(SignalProcessingIntheElement)探測器是英國皇家信號與雷達研究所的埃略特(Elliott)等人于1974年首先研制成功的一種新型紅外探測器，它實現(xiàn)了在器件內(nèi)部進行信號處理。

這種器件利用紅外圖像掃描速度等于光生載流子雙極漂移速度這一原理實現(xiàn)了在探測器內(nèi)進行信號延遲、疊加，從而簡化了信息處理電路。7.1.2SPRITE探測器的工作原理與結(jié)構(gòu)SPRITE(SignalProcessingI34目前國內(nèi)外研制的SPRITE探測器，其材料是N型MCT材料。Hg1-xCdxTe。工作溫度為77K、工作波段為8~14μm;工作溫度為200K左右、工作波段為3~5μm兩種。將它用于熱成像系統(tǒng)中，既完成探測輻射信號的功能，又完成信號的延遲、積分功能，大大簡化了信息處理電路，有利于探測器的密集封裝和整機體積的縮小。目前國內(nèi)外研制的SPRITE探測器，其材料是N型MCT材料。35目前具有代表性的SPRITE探測器是由多條細長條Hg1-xCdxTe組成，每條長700μm、寬62.5μm，厚10μm，長條間彼此間隔12.5μm。將n型Hg1-xCdxTe材料按要求進行切、磨、拋后粘貼于襯底上，經(jīng)精細加工、鍍制電極，刻蝕成小條，再經(jīng)適當(dāng)處理就成了SPRITE探測器的芯片。每一長條相當(dāng)于N個分立的單元探測器。N的數(shù)目由長條的長度和掃描光斑的大小決定。對于上述結(jié)構(gòu)，每條相當(dāng)于11~14個單元件，所以8條SPRITE相當(dāng)于100個單元探測器。每一長條有三個電極，其中兩個用于加電場，另一個為信號讀出電極。讀出電極非常靠近負端電極，讀出區(qū)的長度約為50μm、寬度約為35μm。目前具有代表性的SPRITE探測器是由多條細長條Hg1-xC36SPRITE探測器原理SPRITE探測器原理37

有一穩(wěn)定的非常窄的小的光信號照射在樣品上，x=0處樣品中產(chǎn)生的非平衡載流子在樣品兩端加電壓作用下，光生載流子要經(jīng)過產(chǎn)生、復(fù)合、擴散、漂移等過程，其濃度變化遵循連續(xù)性方程

（7-1）（7-2）

在場強為均勻場時，

有一穩(wěn)定的非常窄的小的光信號照射在樣品上，x=0處樣38

（7-3）（7-4）（7-3）+（7-4）

并且，（7-5）

（7-6）

（7-7）（7-3）（7-4）（7-3）+（7-4）并且，（7-39D和μ為雙極擴散系數(shù)及雙極遷移率，D、μ已不是原來的量，僅表示非平衡載流子濃度分布的擴散和漂移運動。如圖7-2。圖7-2Δp與Δn的漂移過程在外加電場比較強的情況下，可以忽略擴散項。得

D和μ為雙極擴散系數(shù)及雙極遷移率，D、μ已不是原來的40如漂移長度大于樣品長度L，即Ld>L，則在τ時間內(nèi)Δp完全移出體外；如漂移長度小于樣品長度L，即Ld<L，則在τ時間內(nèi)部分Δp移出體外；產(chǎn)生的空穴以μE的漂移速度運動，Δp的漂移速度vd=μE產(chǎn)生的空穴在壽命期間漂移的長度，Δp的漂移長度Ld=μEτ

即全部掃出條件之一，μEτ=L

即臨界掃出電壓U≥L2/μτ

如果Ld=L，則樣品中的Δp在τ時間內(nèi)正好完全移出體外。如漂移長度大于樣品長度L，即Ld>L，則在τ時間內(nèi)Δp完全移41實現(xiàn)SPRITE探測器信號延遲和疊加的必要條件是紅外圖像掃描速度vs等于非平衡少數(shù)載流子空穴的雙極漂移速度。這可以認為是全掃出的條件之二,即

vs=vd，雙極漂移速度vd與n型Hg1-xCdxTe材料少數(shù)載流子的遷移率μp和加于長條的電場強度Ex有關(guān)。對于一定的材料，μp是一定的，唯有外加電場強度可以調(diào)節(jié)。如果在器件允許的條件下所加電場強度足夠高，非平衡少數(shù)載流子被電場全部或大部分掃出，這樣就能實現(xiàn)信號的延遲和疊加；實現(xiàn)SPRITE探測器信號延遲和疊加的必要條件是紅外圖像掃描42SPRITE探測器的結(jié)構(gòu)圖7-3SPRITE探測器實際結(jié)構(gòu)

典型的掃積型探測器8塊N型MCT的細長條組成。每條長×寬×高=700×62.5×10μm3。條間距12.5μm，讀出區(qū)長為50μm，寬為35μm。

SPRITE探測器的結(jié)構(gòu)圖7-3SPRITE探測器實際結(jié)構(gòu)43第7章-致冷型紅外成像器件ppt課件44第7章-致冷型紅外成像器件ppt課件45

每個細條有三個電極。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)有音叉、平角、楔形一平角形。如圖7-4。圖7-4SPRITE探測器讀出電極結(jié)構(gòu)每個細條有三個電極。一個電極為信號探針或讀出端，另兩46第7章-致冷型紅外成像器件ppt課件477.2紅外焦平面陣列的結(jié)構(gòu)和工作原理與SPRITE探測器相比，陣列型紅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，常稱為紅外焦平面陣列（InfraredFocusPlaneArray，IRFPA）。紅外焦平面陣列要求將高達106甚至更多的探測器單元緊湊地封裝在焦平面上。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，世界上許多國家在這方面開展研究，已經(jīng)在軍事上獲得了應(yīng)用。7.2紅外焦平面陣列的結(jié)構(gòu)和工作原理與SPRITE探測器48

7.2.1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的光子探測器，即光電導(dǎo)、光伏、MIS結(jié)構(gòu)和肖特基勢壘型。

7.2.1紅外探測的工作原理無論是直接的還是間接的，紅49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。(a)光電導(dǎo)(b)光伏(c)金屬--絕緣體-半導(dǎo)體(d)肖特基勢壘圖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。507.2.2紅外焦平面陣列特點

紅外焦平面陣列(IRFPA，InfraRedFocusPlaneArray)，其方法是將兩維紅外探測陣列集成在帶有多路傳輸讀出電路的器件上,該器件位于紅外系統(tǒng)的焦平面上。屬于凝視性器件。7.2.2紅外焦平面陣列特點紅外焦平面陣列(IRFP51何為焦平面?CCD,CMOS在焦面上.Sprite探測器不在焦面上.為何特別叫”紅外焦平面”?

相對于紅外Sprite探測器.,它不位于紅外系統(tǒng)的焦平面上.何為陣列?

相對于分離的Sprite探測器,它不是陣列.何為凝視?

相對于掃描型的紅外Sprite探測器.何為焦平面?52

(1)可見光CCD的探測器和多路傳輸器都是用硅材料來制做的，而工作于3—5m和8—12m大氣窗口的高靈敏度IRFPA，則要求探測器的禁帶寬度為0.1到0.25eV。因此，IRFPA一般是用窄禁帶半導(dǎo)體作探測器，硅作多路傳輸器和處理器來制造，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(與可見光不同)，而背景很強，這使其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達到光子噪聲限，必須對IRFPA進行低溫冷卻。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設(shè)計有關(guān)的附加問題。如機械封裝，以及與低溫致冷器接口的杜瓦瓶的電氣連接問題。1.IRFPA和可見光CCD成像器件之間

有幾個主要的差別：

(1)可見光CCD的探測器和多路傳輸器都是用硅材料來制53杜瓦瓶杜瓦瓶54（3）由于入射在MWIR（中波紅外）和LWIR（長波紅外）成像系統(tǒng)焦平面上的紅外輻射的主要特點在于具有很大的、占主要份量的環(huán)境背景輻射，因此大多數(shù)的紅外圖像的特點是高背景本底和低對比度。這與背景輻射很小且對比度很高的近紅外和可見光CCD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速率的漲落(光子噪聲)。光子噪聲通常被用作比較探測器噪聲的參考點。（3）由于入射在MWIR（中波紅外）和LWIR（長波紅外）成55CCD圖象特征:背景輻射很小且對比度很高紅外圖象特征:高背景本底和低對比度。CCD圖象特征:背景輻射很小且對比度很高紅外圖象特征:56特征:高背景本底和低對比度。致冷型非致冷型(下章論述)特征:高背景本底和低對比度。致冷型非致冷型(下章論述)57實質(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，缺少層次和立體感，因此，在實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，常采用一些輔助措施來增加儀器的實用功能，如圖像亮度、對比度的控制，實標(biāo)校正，偽色彩描繪等技術(shù)。實質(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582.IRFPA有幾個明顯的優(yōu)點：

第一，探測器整體結(jié)構(gòu)高密度封裝，實用方便、體積小、重量輕、簡單、可靠和低成本；

第二，IRFPA信號處理過程在焦平面器件上進行；

第三，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；與SPRITE紅外探測器件相比，第四，可以去掉現(xiàn)有系統(tǒng)中的一些處理電路(主要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。2.IRFPA有幾個明顯的優(yōu)點：第一，探測器整體59第7章-致冷型紅外成像器件ppt課件60在IRFPA出現(xiàn)之前，如用SPRITE，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(也許是一個前置放大器上)，而這些引線都必須封裝在同一個小杜瓦瓶內(nèi).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，要求一個大得無法接受的致冷器。焦平面陣列技術(shù)的目的是采用集成電路技術(shù)來滿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：混合式IRFPA、全單片式IRFPA、準(zhǔn)單片式IRFPA。

IRFPA的出現(xiàn)已經(jīng)為紅外系統(tǒng)在增加靈敏度和空間分辨率方面帶來了許多新的可能性.在IRFPA出現(xiàn)之前，如用SPRITE，制做大面陣的唯一方617.2.3紅外焦平面陣列的材料當(dāng)前，用于IRFPA的材料有:硅化鉑(PtSi)銻化銦(InSb)碲鎘汞（HgCdTe）GaAs／AlGaAs多量子阱等。7.2.3紅外焦平面陣列的材料621.硅化鉑(PtSi)Si肖特基勢壘器件IRFPA以工作于3~5m波段的PtSiIRFPA的發(fā)展最快，已制成高于1000萬像素(4096×4096)器件，被認為是目前制作高密度IRFPA最先進的方法。優(yōu)點:關(guān)鍵在于PtSi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。高像素點,高集程度.PtSiIRFPA的主要缺點: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：(1)薄PtSi膜(2～l0nm)；(2)光學(xué)共振腔；(3)P型硅襯底背面加抗反射層(器件采用背面進光模式)。實踐證明，上述改進措施使量子效率得到了大幅度提高。后面將詳述1.硅化鉑(PtSi)Si肖特基勢壘器件IRFPA以工作于363量子型InSbIRFPA對于3～5um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Eg很小。如圖7-9.在室溫300K時，Eg為0.17eV，長波限和峰值響應(yīng)波長分別為7um和6um，響應(yīng)率為2×109cm·Hz1/2/W。當(dāng)用液氮冷卻至77K時，帶隙增加到0.23eV，長波限為5.4um，峰值響主波長為5um，響應(yīng)率為6.5×1010cm·Hz1/2/W。InSb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(InSb)量子型InSbIRFPA對于3～5um波段的紅外輻射非常敏64常溫下，InSb的電子遷移率為60000cm2/V.s，77K時InSb的電子遷移率為300000cm2/V.s。作為InSb材料，因為能廉價地制作大面積、缺陷少的單晶，故容易解決一些制作技術(shù)上的難點，制成電學(xué)性能好的二極管。因為InSb和單晶硅不一樣，還得不到良好的MOS特性，因此采用折衷方法，即探測器采用InSb光電二極管陣列，信號處理器采用Si-CCD構(gòu)成，再用銦（In）丘將兩者進行機械、電學(xué)結(jié)合，形成混合型IRFPA。因InSb材料較成熟，在3～5um波段前景看好。常溫下，InSb的電子遷移率為60000cm2/V.s，77653.碲鎘汞（HgCdTe）(前面已論述)窄禁帶半導(dǎo)體混晶碲鎘汞（Hg1-xCdxTe）是目前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IRFPA。由于Hg-Te鍵的脆弱及其與Cd-Te鍵之間的巨大差別，導(dǎo)致這種材料較高的本征缺陷密度和較高溫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。近年來的大量研究已經(jīng)對最終認識這種本征缺陷態(tài)成分和結(jié)構(gòu)以及電子態(tài)等提供了大量的信息，并對降低這類缺陷密度的途徑提供了各種可能性和嘗試機會。3.碲鎘汞（HgCdTe）(前面已論述)窄禁帶半導(dǎo)體混晶碲鎘664.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)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。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。人們在實驗中證實量子阱子帶間電子躍遷可以和紅外輻射有強的耦合，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)的周期和勢壘高度等能帶工程手段，起著碲鎘汞混晶中調(diào)節(jié)組份相似的作用，能實現(xiàn)不同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7.7um的128×128元GaAs／CaAlAs超晶格多量子阱探測器混合式焦平面陣列。4.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)的紅外光電探67

每種IRFPA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。

IRFPA的兩種結(jié)構(gòu):混合型和單片型.混合式器件：有兩種:倒裝式,Z平面結(jié)構(gòu)一般是在窄禁帶半導(dǎo)體材料(探測器陣列)完成光子探測過程，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)?；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的特殊優(yōu)點。單片式器件：有四種:PtSi肖特基勢壘型、異質(zhì)結(jié)型、MIS像元型、準(zhǔn)單片式。在同一個芯片上完成光子探測、信號轉(zhuǎn)移、傳輸?shù)裙δ埽@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.7.2.4混合式結(jié)構(gòu)之-----倒裝式結(jié)構(gòu)每種IRFPA的設(shè)計必須考慮幾種主要的功能：光子探68該結(jié)構(gòu)是在探測器陣列和硅多路傳輸器上分別預(yù)先做上銦柱，然后通過兩邊的銦柱將探測器陣列正面的每個探測器與多路傳輸器一對一地對準(zhǔn)配接起來。倒裝式結(jié)構(gòu)該結(jié)構(gòu)是在探測器陣列和硅多路傳輸器上分別預(yù)先做上銦柱，然后通697.2.5混合式結(jié)構(gòu)之----Z平面結(jié)構(gòu)混合式結(jié)構(gòu)還可用同樣類型的背照式探測器陣列制成如圖7-9(b)所示的Z平面結(jié)構(gòu)。其工藝過程是將許多集成電路芯片一個一個地層疊起來以形成一個三維的“電子樓房”，因此將其命名為z平面結(jié)構(gòu)。7.2.5混合式結(jié)構(gòu)之----Z平面結(jié)構(gòu)混合式結(jié)構(gòu)還可用同70探測器陣列被置于層疊集成電路芯片的側(cè)緣，每個探測器具有一個通道。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)換以及某些圖像處理功能。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薄，而目前減薄技術(shù)只能達到50~75m，因此限制了IRFPA最終的分辯率。探測器陣列被置于層疊集成電路芯片的側(cè)緣，每個探測器具有一個通71混合式結(jié)構(gòu)有兩種互連技術(shù).

1.對接技術(shù)---冷焊銦柱混合式結(jié)構(gòu)有兩種互連技術(shù).

1.對接技術(shù)---冷焊銦柱72采用這種結(jié)構(gòu)時，探測器陣列既可用前照式(光子穿過透明的硅多路傳輸器)，也可用背照式(光子穿過透明的探測器陣列襯底)。一般來講，背照式更為優(yōu)越，因為多路傳輸器一般都有一定的金屬化區(qū)域和其他不透明的區(qū)域，這將縮小有效透光面積。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當(dāng)?shù)脑鐾?AR)膜。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，不需要任何特殊處理。實際上，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。采用這種結(jié)構(gòu)時，探測器陣列既可用前照式(光子穿過透明的硅多路73在混合工藝過程中，銦凸點技術(shù),由于冷焊銦柱時需要一定的壓力，在探測器上可能造成機械損壞。在混合完成后，硅多路傳輸器與探測器陣列材料(如InSb和HgCdTe)之間熱膨脹系數(shù)的失配,將在探測器陣列被冷卻到低溫時引起銦對接處的剪切機械變形。在混合工藝過程中，銦凸點技術(shù),由于冷焊銦柱時需要一定的壓力，74對銦柱采用專門的設(shè)計和嚴格控制的工藝，同時選擇與多路傳輸器能很好地進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。如果探測器襯底與讀出電路(Si材料)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1／2英寸的陣列，并可承受幾百次的熱循環(huán)變化。盡管如此，單元尺寸很難縮小到25m以下，而且混合式的工藝用于實際生產(chǎn)時成本較高。對銦柱采用專門的設(shè)計和嚴格控制的工藝，同時選擇與多路傳輸器能75可以替代銦凸點技術(shù)的是圖7-11(b)所示的環(huán)孔(或穿導(dǎo)孔)技術(shù)。其工藝要求：將探測器芯片和硅讀出芯片的表面拋光到具有很高的平直度和平行度(容差小于lm)，然后將它們粘接在一起形成一個可象硅片一樣來處理的單個芯片乃至晶片。接著，用離子注入或擴散的方法在探測器陣列上形成光伏二極管(與硅讀出芯片的多路傳輸單元相對準(zhǔn))。2.對接技術(shù)---環(huán)孔(或穿導(dǎo)孔)技術(shù)可以替代銦凸點技術(shù)的是圖7-11(b)所示的環(huán)孔(或穿導(dǎo)孔)76

然后，再用離子研磨或激光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行摻雜并用金屬回填，這樣就將探測器和多路傳輸器連接在一起了。最后一步是將處理過的探測器表面進行鈍化。用此技術(shù)制成的器件在機械性能和熱性能穩(wěn)定方面的情況已有較大的改進，其單元尺寸可以小到40m.

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。然后，再用離子研磨或激光的方法在每個探測器的中心鉆出環(huán)孔777.2.6單片式陣列之---肖特基勢壘型

1.工作原理

結(jié)構(gòu)和原理圖7.2.6單片式陣列之---肖特基勢壘型78目前,常采用了PtSi來制造全單片式的IRFPA，這些類型的探測器實質(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)計與可見光CCD是兼容的。PtSi肖特基勢壘器件IRFPA的發(fā)展最快，已制成1000萬像素(4096×4096)器件，被認為是目前制作高密度IRFPA最先進的方法。優(yōu)點:PtSiIRFPA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。缺點:PtSiIRFPA的主要是量子效率低。目前,常采用了PtSi來制造全單片式的IRFPA，這些類型的79SBD（肖特基勢壘器件）的金屬硅化物（PtSi）和半導(dǎo)體Si相接觸，如圖7-12(c)，因功函數(shù)不同，故接觸時要發(fā)生電荷的流動，形成勢壘，最后使費米能級在各處都達到同一水平，如圖7-12(d).該器件采用背面光照工作模式。入射的紅外輻射先照到硅襯底，光子能量小于硅能帶間隙(Eg=1.1eV)的紅外輻射透過硅襯底，到達很薄的PtSi層。在PtSi中的感光是通過所謂內(nèi)光電發(fā)射過程來完成的。SBD（肖特基勢壘器件）的金屬硅化物（PtSi）和半導(dǎo)體Si80此過程分為兩步：（1）紅外輻射在PtSi中被吸收或部分吸收，激發(fā)產(chǎn)生電子-空穴對，電子在費米能級以上，留下空穴；（2）到達PtSi硅界面的空穴越過肖特基勢壘，進入硅襯底。因此，凈的負電荷(電子)將存貯在PtSi中。通過電子轉(zhuǎn)移從PtSi中進入BCCD，如圖7-12(b)，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“熱空穴發(fā)射”。所謂熱空穴是指其能量高于勢壘高度，冷空穴是指其能量低于勢壘高度。顯然，只有熱空穴才能越過勢壘，即是說，要使入射的紅外輻射產(chǎn)生內(nèi)光電發(fā)射，SB探測器的光譜能量窗口必須滿足下式：

為金屬-半導(dǎo)體肖特基勢壘高度；hν為光子能量；Eg為硅帶隙能量。此過程分為兩步：（1）紅外輻射在PtSi中被吸收或部分吸收，81SB探測器的截止波長取決于SB高度，長波閾值有下式：

由半導(dǎo)體材料和金屬硅化物的性質(zhì)決定。由于PtSi/P-Si系統(tǒng)使接觸界面深入到硅材料內(nèi)部，避免了表面沾污和中間層的影響，保證了的均勻性和工藝的重復(fù)性，尤其是極好的光響應(yīng)均勻性，保證了熱成像的質(zhì)量。SB探測器的截止波長取決于SB高度，長波閾值有下式：82最早的肖特基勢壘FPA采用厚的Pd2Si和PtSi探測器制成，淀積了大約60nm的鈀和鉑。這些器件的光響應(yīng)很弱。為了提高PtSi—SBDFPA的量子效率，SBD結(jié)構(gòu)采用了：（1）薄PtSi膜；(2)光腔結(jié)構(gòu)Al-介質(zhì)-PtSi；(3)硅襯底背面加抗反射層SiO，如圖7-13(a)所示。2.結(jié)構(gòu)2.結(jié)構(gòu)83SBD由抗反射層(SiO)、硅襯底、硅化鉑層、介質(zhì)層(SiO2、SiO、Si3N4、或SixOyNz)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。這種器件結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)點是：(1)減薄了PtSi層的厚度，使之遠小于空穴在PtSi中的平均自由程(約43nm)，使產(chǎn)生的熱載流子幾乎可全部到達界面；(2)增加了絕緣層，提供了一個反射界面，增加熱載流子在PtSi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注入效率。熱空穴運動如圖7-13(b)所示。注入效率的提高，將被稱之為內(nèi)部量子效率增益。SBD由抗反射層(SiO)、硅襯底、硅化鉑層、介質(zhì)層(SiO84(3)抗反射涂層SiO。FPA輸出信號的強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?？狗瓷渫繉覵iO，淀積在已減薄到200—250um的硅襯底背面，將耦合到SBD的紅外輻射量提高了約30％，從而使光腔結(jié)構(gòu)探測器的光學(xué)吸收比最佳化。在PtSi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一步提高。(3)抗反射涂層SiO。FPA輸出信號的強弱與其量子效率85

從理論上講，PtSi膜越薄，內(nèi)光電發(fā)射幾率越高。但實驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)PtSi膜厚度小于1.4nm時，PtSi膜不連續(xù)。因此，目前在該器件制作中，選取的最佳PtSi膜厚為2.0nm。據(jù)介紹，薄層PtSi-SBD的量子效率比厚PtSi-SBD高出32倍多，其中3.46倍歸因于光學(xué)吸收比的提高，9.25倍是因為增益系數(shù)G，即是說，這種提高是由于熱空穴在PtSi介質(zhì)界面反射的結(jié)果。從理論上講，PtSi膜越薄，內(nèi)光電發(fā)射幾率越高。但實驗發(fā)現(xiàn)863.PtSi陣列ITCCD讀出電路行間轉(zhuǎn)移CCD（ITCCD）是迄今PtSiFPA用得最多的讀出結(jié)構(gòu)，因ITCCD的結(jié)構(gòu)設(shè)計和工藝制作趨于成熟，且具有結(jié)構(gòu)簡單，讀出噪聲低、信號處理能力強的優(yōu)點。采用ITCCD結(jié)構(gòu)的PtSiFPA要獲得最佳性能，必須考慮垂直CCD移位寄存器的電荷處理容量與SBD的電荷存儲容量之間的平衡。使這兩個參數(shù)最大化的ITCCD采用2：1垂直隔行掃描，即兩個SBD光敏元對應(yīng)一個垂直CCD單元。3.PtSi陣列ITCCD讀出電路行間轉(zhuǎn)移CCD（ITC87因為要考慮垂直CCD的電荷處理容量與SBD的電荷存貯容量之間的平衡，故采用ITCCD結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的缺點:很難設(shè)計出填充系數(shù)高、而象元尺寸又小的列陣。因此,在有限的象元尺寸（為了提高空間分辨率，象元尺寸設(shè)計得很?。┐_定后，為了追求高填充系數(shù)，在器件結(jié)構(gòu)設(shè)計上必須另辟蹊徑。因為要考慮垂直CCD的電荷處理容量與SBD的電荷存貯容量之間884．PtSi陣列MOS讀出電路具有MOS讀出多路傳輸器的PtSiFPA可以設(shè)計成列(Column)讀出工作方式或行(row)讀出工作方式.圖7-15列讀出