量子阱紅外探測(cè)器QWIP調(diào)研報(bào)告

量子阱紅外探測(cè)器（QWIP）調(diào)研匯報(bào)信息戰(zhàn)略中心（.07.12）TOC\o"1-3"\u引言 21、量子阱紅外探測(cè)器的原理 31.1量子阱紅外探測(cè)器基本原理簡介 31.2QWIP的幾種躍遷模式 41.3量子阱構(gòu)造的選擇 61.4QWIP的材料選擇 71.5入射光的耦合 91.6QWIP的性能參數(shù) 111.7量子阱周期數(shù)對(duì)器件性能的影響[9] 121.8QWIP的抗輻射機(jī)理與措施 13參照文獻(xiàn)： 172、量子阱紅外探測(cè)器的制備措施 192.1直接混雜法制備紅外探測(cè)器焦平面陣列像元 193、量子阱紅外探測(cè)器的國內(nèi)外重要應(yīng)用 223.1紅外探測(cè)器分類 223.2紅外探測(cè)器發(fā)展歷程 233.3紅外探測(cè)器基本性能參數(shù) 233.4多種焦平面陣列（FPAs）的性能比較 253.5紅外成像系統(tǒng)的完整構(gòu)造 263.5.1焦平面構(gòu)造 273.5.2讀出電路 273.6QWIP探測(cè)器實(shí)例分析 293.7QWIP的應(yīng)用領(lǐng)域及前景分析 31參照文獻(xiàn)： 33引言半導(dǎo)體量子阱(Qw)、超晶格(SL)材料是當(dāng)今材料科學(xué)研究的前沿課題，被比方為試驗(yàn)中的建筑學(xué)，即以原子為最小砌塊的微觀建筑學(xué)。它所產(chǎn)生的人工晶體，其性質(zhì)可人為變化控制，它比一般意義上的晶體材料具有巨大的優(yōu)越性和發(fā)展前景。它的一種極有前途、極為重要的應(yīng)用領(lǐng)域是新型紅外探測(cè)器，即第三代紅外焦平面量子阱探測(cè)器。量子阱新材料是發(fā)展新型紅外探測(cè)器的先導(dǎo)。紅外焦平面探測(cè)器是從單元和線陣基礎(chǔ)上發(fā)展起來的第三代紅外探測(cè)器，它標(biāo)志著熱像技術(shù)已從“光機(jī)掃描”躍進(jìn)到“凝視”這個(gè)高臺(tái)階，從而使熱像系統(tǒng)的敏捷度、可靠性、功能容量及實(shí)時(shí)性等都獲得無以倫比的矚目進(jìn)步。眾所周知，探測(cè)器是決定紅外系統(tǒng)屬性的重要矛盾，基于紅外焦平面探測(cè)器的問世，它與信號(hào)讀出處理電路一體化的成功，以及長壽命閉環(huán)斯特林致冷器的實(shí)用化，使紅外焦平面探測(cè)器在如下重要領(lǐng)域得到重要應(yīng)用或正在考慮其應(yīng)用：①空間制導(dǎo)武器。如用焦平面探測(cè)器導(dǎo)引頭攔截衛(wèi)星；②紅外預(yù)警衛(wèi)星及機(jī)載紅外預(yù)警系統(tǒng)；③巡航導(dǎo)彈、地地導(dǎo)彈、空地導(dǎo)彈、防空導(dǎo)彈、海防導(dǎo)彈及反艦導(dǎo)彈的紅外制導(dǎo)系統(tǒng)的基本構(gòu)成；④地基(包括艦艇平臺(tái))紅外制導(dǎo)站及紅外搜索，跟蹤系統(tǒng)；⑤小型導(dǎo)彈制導(dǎo)及夜間瞄準(zhǔn)；④坦克、飛機(jī)、艦艇等運(yùn)載工具的夜間觀測(cè)、目的瞄準(zhǔn)、自動(dòng)跟蹤等。紅外焦平面探測(cè)器初期實(shí)用的是Pbs，目前的重點(diǎn)是碲鎘汞，Si：Pt及半導(dǎo)體量子阱焦平面探測(cè)器。其中半導(dǎo)體量子阱焦平面探測(cè)器，在五年內(nèi)靠近走完了碲鎘汞(MCT)探測(cè)器30年的歷程，目前雖然在探測(cè)度指標(biāo)上還不如MCT，但通過深入的攀登，這種完全靠科學(xué)家、計(jì)算機(jī)的，由MBE或MOCND技術(shù)制造的新一代焦平面器件也許成為現(xiàn)代國防的復(fù)眼。無疑，此后哪個(gè)國家能搶占這個(gè)高地，這將在各國國防力量的對(duì)比方面產(chǎn)生重要的影響。1、量子阱紅外探測(cè)器的原理1.1量子阱紅外探測(cè)器基本原理簡介老式帶間光吸取指電子吸取光子后，從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，從而產(chǎn)生一種光生電子空穴對(duì)，這些光生載流子在外加偏壓的作用下，被搜集形成光電流，這是老式基于帶間吸取半導(dǎo)體光電探測(cè)器的基本原理。這種吸取規(guī)定光子的能量不小于材料的禁帶寬度，因此對(duì)于紅外光來講，需要材料具有很小的禁帶寬度才能發(fā)生這種光吸取。例如要探測(cè)10對(duì)于“寬”帶隙材料構(gòu)成的多量子阱構(gòu)造，通過量子阱構(gòu)造與摻雜的設(shè)計(jì)，在量子阱內(nèi)形成特定的子能級(jí)，這樣在紅外光的作用下，可以發(fā)生量子阱內(nèi)子能級(jí)之間或者子能級(jí)到持續(xù)態(tài)之間的躍遷（圖1.1.1）[1]，這些受激發(fā)的載流子在偏壓作用下被搜集形成光電流。這就是量子阱紅外探測(cè)器（QWIP）的基本原理。圖1.1.1量子阱的能帶構(gòu)造與帶內(nèi)躍遷[1]量子阱紅外探測(cè)器運(yùn)用半導(dǎo)體多量子阱（超晶格）材料制成,其機(jī)理是運(yùn)用量子阱導(dǎo)帶（或價(jià)帶）內(nèi)子能帶間或子能帶到擴(kuò)展態(tài)間的電子（或空穴）躍遷。根據(jù)探測(cè)波段的不一樣可分為：以InP襯底上生長的InGaAs/InAlAsQWIP為代表的短波紅外探測(cè)器；以AlGaAs/GaAsQWIP為代表的中長波探測(cè)器。電學(xué)構(gòu)造方面，一般為N-I-N（n型）和P-I-P型（p型）。例如，對(duì)于載流子為電子的n型QWIP，兩端N型摻雜層作為接觸層，中間的I區(qū)為低摻雜的多量子阱區(qū)域。無光照時(shí)，電子被束縛在導(dǎo)帶阱內(nèi)，I區(qū)的電阻很高，在紅外輻射下，I區(qū)的束縛電子躍遷到激發(fā)態(tài)，在偏壓作用下被兩端電極搜集形成光電流。1.2QWIP的幾種躍遷模式在量子阱構(gòu)造設(shè)計(jì)中，從減小器件暗電流，提高探測(cè)器探測(cè)率角度出發(fā)，研究人員先后提出了四種躍遷模式[2][3]：束縛態(tài)到束縛態(tài)（B-BQWIP）、束縛態(tài)到持續(xù)態(tài)（B-CQWIP）、束縛態(tài)到準(zhǔn)束縛態(tài)（B-QBQWIP）以及束縛態(tài)到微帶（B-MiniBQWIP）。圖1.2.1束縛態(tài)到束縛態(tài)躍遷的能帶構(gòu)造示意圖[2]世界上第一臺(tái)QWIP就屬于n型摻雜的B-BQWIP。量子構(gòu)造如圖1.2.1所示，基態(tài)和第一激發(fā)態(tài)均為束縛態(tài)。當(dāng)探測(cè)器吸取紅外輻射，位于基態(tài)的電子受光激發(fā)越遷到第一激發(fā)態(tài)，在偏置電場(chǎng)作用下隧穿出量子阱，形成光電流。由于這里存在電子遂穿過程，所需的偏置電壓較大（>3V），并且勢(shì)壘厚度也不適宜過大，因此這種遂穿模式中基態(tài)電子遂穿引起的暗電流較大。假如合適增長勢(shì)壘厚度和高度可以減少引起暗電流的基態(tài)電子隧穿數(shù)目，從而提高器件的探測(cè)率通過減小阱寬，使B-BQWIP中的第一激發(fā)態(tài)成為持續(xù)態(tài)，即束縛態(tài)到持續(xù)態(tài)躍遷的QWIP（B-CQWIP），如圖1.2.2所示[2]。B-CQWIP的重要長處是電子直接被激發(fā)到持續(xù)態(tài)上，不需要隧穿過程，可以減少搜集光電子所需的偏置電壓從而減少暗電流。此外不需要考慮勢(shì)壘厚度對(duì)光電子搜集效率的影響，可以通過增長勢(shì)壘厚度有效地減少由基態(tài)電子隧穿引起的暗電流。Levine等[4]早在1990年就基于這兩個(gè)原因，使B-CQWIP的探測(cè)率到達(dá)3×1010cmHz1/2/W，截至波長圖1.2.2束縛態(tài)到持續(xù)態(tài)躍遷的能帶構(gòu)造示意圖[2]一般認(rèn)為，較低溫（<50K）時(shí)，暗電流基本由基態(tài)載流子的持續(xù)共振遂穿決定，在較小偏壓下其值會(huì)大幅減少；較高溫（～77K）時(shí)，暗電流基本由載流子的熱激發(fā)決定。因此為了深入減少暗電流，提高探測(cè)率，1995年加州理工學(xué)院的Gunapala等人設(shè)計(jì)了基態(tài)為束縛態(tài)，第一激發(fā)態(tài)為準(zhǔn)束縛態(tài)的量子阱構(gòu)造。通過變化阱寬、勢(shì)壘寬度和高度，使第一激發(fā)態(tài)位于量子阱的頂部（圖1.2.3）。如圖1.2.4所示，在B-CQWIP中，對(duì)熱激發(fā)而言勢(shì)壘高度比光激發(fā)低，因此熱激發(fā)的噪聲較大；而在B-DBQWIP中，熱激發(fā)和光激發(fā)的勢(shì)壘是同樣大的，因此相比于B-CQWIP，大大減少了其暗電流，也就提高了器件的探測(cè)率。圖1.2.3束縛態(tài)到準(zhǔn)束縛態(tài)躍遷的能帶構(gòu)造示意圖[3]圖1.2.4B-CQWIP和B-DBQWIP能帶構(gòu)造示意圖以及暗電流對(duì)比[2]另一中躍遷模式為束縛態(tài)到微帶（B-MiniBQWIP）的躍遷，如圖1.2.5所示。各量子阱內(nèi)子能級(jí)之間的耦合產(chǎn)生了一定的微帶，載流子從基態(tài)躍遷到這一微帶中發(fā)生輸運(yùn)作用。圖1.2.5束縛態(tài)到微帶躍遷的能帶構(gòu)造示意圖[3]1.3量子阱構(gòu)造的選擇器件設(shè)計(jì)時(shí)，量子阱構(gòu)造一般設(shè)計(jì)成對(duì)稱的矩形構(gòu)造，這樣的長處是：量子阱中能級(jí)的計(jì)算簡樸，便于材料構(gòu)造和器件構(gòu)造的設(shè)計(jì)。不過對(duì)稱的量子阱構(gòu)造中，能級(jí)之間的躍遷選擇性強(qiáng)，也就導(dǎo)致了響應(yīng)波長相對(duì)單一，此外，設(shè)計(jì)對(duì)稱的量子阱構(gòu)造中可變的參數(shù)也相對(duì)較少。非對(duì)稱量子阱構(gòu)造也被廣泛用于QWIP器件中，它給設(shè)計(jì)帶來了更多的自由度以及更多的可選躍遷波長。例如對(duì)于圖1.3.1中的階梯量子阱[1]，我們可以觀測(cè)到E1到E2以及E1到E3的躍遷，而在對(duì)稱量子阱中，E1到E3的躍遷則是被躍遷嚴(yán)禁的。圖1.3.1階梯量子阱能級(jí)以及能級(jí)間躍遷[1]1.4QWIP的材料選擇目前量子阱紅外探測(cè)器的研制絕大部分基于GaAs基的GaAs/AlGaAs多量子阱或者GaAs/InGaAs/AlGaAs多量子阱；其中前者材料的晶格相匹配，有助于生長高質(zhì)量的量子阱材料，后者在材料生長時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮到晶格失配帶來的應(yīng)力問題，不過后者在量子阱構(gòu)造設(shè)計(jì)方面的自由度更大，有助于實(shí)現(xiàn)不一樣紅外波段的探測(cè)。當(dāng)然，在同一GaAs襯底上，也可以同步存在GaAs/AlGaAs量子阱和GaAs/InGaAs/AlGaAs量子阱，并且通過變化其中Al、In的組分以實(shí)現(xiàn)多色探測(cè)[5]。GaAs基材料生長與器件制備工藝已經(jīng)相稱成熟，這非常有助于制備大面積的QWIP焦平面陣列（FPA）。目前，GaAs基FPA已實(shí)現(xiàn)商品化，相對(duì)于HgCdTeFPA，在成品率和成本控制上具有很大優(yōu)勢(shì)。GaAs基QWIP的長處重要有：（1）波長持續(xù)可調(diào)；（2）材料生長和器件制備技術(shù)成熟，可獲得大面積、均勻性好、低成本、高性能的紅外焦平面；（3）光譜響應(yīng)帶寬窄，可控制（約為1μm），在不一樣波段之間的光學(xué)串音小，可以通過不一樣材料構(gòu)造設(shè)計(jì)獲得不一樣波段的響應(yīng)，適合制作雙色、多色焦平面探測(cè)器。（4）抗輻射，適合于天基紅外探測(cè)及其應(yīng)用?？梢哉f，這些GaAs基QWIP的長處基本上代表了整個(gè)QWIP的長處。目前，對(duì)InP基QWIP的研究也投入了相稱的工作[6][7]，相對(duì)于GaAs基材料，InP基材料的優(yōu)勢(shì)重要有：（1）In0.53Ga0.47As/In0.52Al0.48As異質(zhì)構(gòu)造與InP襯底晶格匹配，且其導(dǎo)帶帶階為，高于GaAs/AlGaAs量子阱,因此易于制作短波長QWIP。（2）InP基近紅外（尤其是光通信波段）探測(cè)器和激光器的發(fā)展相稱成熟，In0.53Ga0.47As/InP異質(zhì)構(gòu)造晶格匹配，被廣泛用于光通信光源和探測(cè)器并有著高度發(fā)展的制備工藝。InP基QWIP易于實(shí)現(xiàn)近紅外、中紅外、遠(yuǎn)紅外波段的多色探測(cè)。（3）與GaAs/AlGaAs相比，InP基QWIP的響應(yīng)度較高，由于電子在AlGaAs中的輸運(yùn)輕易受到氧有關(guān)缺陷的影響，并且Al的氧化不利于某些器件制作工藝，而InP基InGaAsP/InP材料不存在這些問題，因此在In0.53Ga0.47As/InP材料中，熱電子的平均自由程要遠(yuǎn)不小于GaAs/AlxGa1-xGs材料，利于載流子輸運(yùn)，提高響應(yīng)度。當(dāng)然InP基材料相對(duì)于GaAs基材料來說，其局限性也很明顯。例如，InP基材料較為昂貴，制作大面積FPA方面成本較高；此外InP材料易碎，給器件制備帶來一定困難。InAs/GaInSb超晶格構(gòu)造具有Ⅱ型能帶構(gòu)造，如圖1.4.1所示，其中分別形成了電子（E1）和空穴（HH1）的微帶構(gòu)造，這樣整個(gè)超晶格構(gòu)造的帶隙基本在0~250meV之間變化，可以實(shí)現(xiàn)紅外光探測(cè)。圖1.4.1InAs/GaInSb超晶格的能帶構(gòu)造示意圖[8]InAs/GaInSb超晶格構(gòu)造對(duì)正入射光有很強(qiáng)的吸取，因此可以得到很高的響應(yīng)度，目前基本已經(jīng)到達(dá)HgCdTe材料的水平；此外，光伏的工作模式、較高的工作溫度也是其優(yōu)勢(shì)。這種材料在第三代紅外光探測(cè)系統(tǒng)中具有很強(qiáng)的競(jìng)爭力。不過這一材料體系，發(fā)展的較晚，在材料生長、器件制備工藝、襯底的選擇方面都存在一定的問題[8]。1.5入射光的耦合根據(jù)量子躍遷選擇定則，對(duì)于n型量子阱紅外探測(cè)器，只有電矢量垂直于量子阱生長面的入射光才能被子帶中的電子吸取由基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，因此需要進(jìn)行光耦合才能使輻射被探測(cè)器吸取。一種措施是讓入射光線與量子阱成45°角，即邊耦合方式（圖1.5.1），就是在器件的一邊刻蝕出傾角為45°的斜面，這種耦合方式只合用于線陣列和單個(gè)器件并且這種耦合方式也不夠均勻。圖1.5.1邊耦合構(gòu)造示意圖[2]二維周期光柵耦合(CGW)是目前應(yīng)用最廣泛的耦合方式（圖1.5.2），光柵在探測(cè)器表面的2個(gè)垂直方向上周期性反復(fù)。紅外光束在量子阱區(qū)經(jīng)歷1次衍射，2次反射。雖然CGW耦合模式比邊耦合模式好，不過光柵耦合依托集合的衍射效應(yīng)，光敏元臺(tái)面越大耦合的量子效率和探測(cè)率越高，但為了提高器件的辨別率必須減小臺(tái)面尺寸，而這樣做會(huì)影響CGW耦合的性能參數(shù)。并且CGW耦合對(duì)探測(cè)波長有選擇性，這是由光柵耦合固有特性決定的。這些原因都制約了光柵耦合技術(shù)在寬帶探測(cè)和復(fù)色探測(cè)方面的應(yīng)用。圖1.5.2二維周期光柵耦合示意圖[2]隨機(jī)反射耦合(CRR)是針對(duì)不一樣的探測(cè)波長設(shè)計(jì)所需要的隨機(jī)反射單元（圖1.5.3），通過光刻技術(shù)在頂層GaAs接觸面上隨機(jī)刻蝕出反射單元，形成粗糙的反射面，垂直于襯底入射光束碰到反射面將發(fā)生大角度反射，這些角度大部分符合全反射條件，光束被捕捉在量子區(qū)域，只有晶體反射錐角內(nèi)小部分輻射逃逸，從而增長了可吸取途徑次數(shù)，提高了量子效率和探測(cè)率。無論對(duì)于大面積焦平面陣列還是單個(gè)器件，隨機(jī)反射耦合都是一種比較優(yōu)秀的耦合方式。不過由于光刻工藝的制約，在光敏元臺(tái)面面積較小的狀況下，在臺(tái)面上刻蝕反射單元比較困難，因此CRR耦合不太適合小面積的光敏元。圖1.5.3隨機(jī)反射耦合示意圖[2]波紋耦合是由普林斯頓大學(xué)的科學(xué)家提出的（圖1.5.4），它是通過化學(xué)的措施，在量子阱區(qū)域刻蝕出V型槽，刻蝕深度達(dá)究竟層GaAs接觸層，器件表面就由某些三角線構(gòu)成。如圖示光路，光在AlGaAs和空氣界面發(fā)生全反射，入射光束在量子阱區(qū)的途徑幾乎平行于量子阱生長面，有助于量子阱對(duì)輻射的吸取，提高器件量子效率。波紋耦合的光耦合效率與V型槽的數(shù)目關(guān)系不大，因此波紋耦合更適于光敏元小的探測(cè)器。在波紋耦合中全反射與探測(cè)器的波長沒有關(guān)系，因此探測(cè)的波長范圍可以從3μm~17μm，對(duì)于寬帶探測(cè)和復(fù)色探測(cè)來說，波紋耦合是理想的光耦合模式。圖1.5.4波紋耦合構(gòu)造示意圖[2]1.6QWIP的性能參數(shù)圖1.6.1QWIP中量子阱構(gòu)造示意圖[8]QWIP的性能一般由如下幾種參數(shù)表征：QWIP光電流：，q為電子電量，F(xiàn)為入射光子流（1/s），為量子效率，g為光電流增益：（為載流子漂移速度，為上能級(jí)壽命，為超晶格的總長度）。暗電流：較低溫（<50K）時(shí)，基本由基態(tài)載流子的持續(xù)共振遂穿決定，在較小偏壓下其值為大幅減少；較高溫（～77K）時(shí)，基本由載流子的熱激發(fā)決定，，為熱激發(fā)到上能級(jí)的載流子密度，）。探測(cè)率：，（單位：，1瓦輻射功率入射到光敏面積1cm2的探測(cè)器上，并用帶寬為1赫茲電路測(cè)量所得的信噪比。）背景限制溫度BLIP：在這一溫度時(shí)，光電流與背景噪聲大小相等。噪聲等效溫度差分（NETD）：能辨別的輻射源的最小溫度變化。1.7量子阱周期數(shù)對(duì)器件性能的影響[9]假如用阱捕捉幾率Pc的概念來考慮光增益g，把量子阱作為一種單一陷阱來看待，流經(jīng)一種量子阱的總電流Ip將有一部分（PcIp）被捕捉，剩余的部分（1-Pc）Ip傳送到下一種周期，如圖1.7.1所示，同步，尚有一種由阱發(fā)射出的光電流ip。由于電流持續(xù)性，必然有Ip=（1-Pc）Ip+ip，因此可以得到：PcIp=ip，即：阱中光激發(fā)的電流ip與阱捕捉的電流相等，即增長阱的數(shù)目不能增長總光電流，QWIP的量子效率、響應(yīng)度與阱的數(shù)目無關(guān)。圖1.7.1量子阱電流捕捉和產(chǎn)生示意圖由于阱中基態(tài)的電子被激發(fā)后，基態(tài)會(huì)留下諸多空的量子態(tài)，這會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)影響：(1)大的賠償-復(fù)合電流：被激發(fā)而輸運(yùn)走的電子必須要獲得源源不停的補(bǔ)充，這依賴于前面阱中產(chǎn)生的光生載流子在流經(jīng)這個(gè)阱區(qū)時(shí)被復(fù)合來進(jìn)行補(bǔ)充，這就形成了一種大的賠償-復(fù)合電流，因此總光電流與阱數(shù)目無關(guān)；（2）很強(qiáng)的復(fù)合過程，即激發(fā)態(tài)的光生載流子壽命很短（~1ps）。量子阱數(shù)目越大，對(duì)應(yīng)阱區(qū)總的寬度也越大，因此增益就越小，噪聲也越小，因此提高量子阱的數(shù)目有助于增大器件的信噪比。有人做了對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)對(duì)比[10]，在同一襯底上分別做了2周期和20周期的QWIP器件，分別測(cè)試了器件的響應(yīng)度和暗電流，發(fā)現(xiàn)：器件的響應(yīng)度兩者基本一致，甚至2周期的QWIP要稍大，而暗電流方面則是20周期的QWIP大大不不小于2周期的QWIP器件（圖1.7.2）。圖1.7.2具有2周期和20周期量子阱的QWIP響應(yīng)度和暗電流對(duì)比1.8QWIP的抗輻射機(jī)理與措施紅外探測(cè)技術(shù)在現(xiàn)代多種系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越廣泛，其中一種重要方面就是作為多種空間系統(tǒng)的關(guān)鍵，進(jìn)行天文觀測(cè)，對(duì)地觀測(cè)，導(dǎo)彈發(fā)射的偵察及追蹤等。器件在太空中工作時(shí)，不可防止地會(huì)受到太空中多種輻射的照射，因此研究紅外探測(cè)器的輻照效應(yīng)就有很重要的實(shí)際意義。此外，該研究也對(duì)提高其他狀況下，如核爆炸和光電對(duì)抗中，儀器的工作能力有很大協(xié)助。1.8.1物質(zhì)輻照效應(yīng)概述[11]物質(zhì)的輻射效應(yīng)基本上分為兩類，即位移效應(yīng)和電離效應(yīng)。位移效應(yīng)是入射粒子和被輻射材料的原子核發(fā)生碰撞而產(chǎn)生的一種效應(yīng)。晶格中的位移效應(yīng)使晶格在已位移的原子的位置上留下一種空位，已位移的原子又會(huì)停留在晶格的某一間隙位置上。這些空位間隙原子對(duì)，常被稱弗倫克耳(Frenke1)缺陷，破壞了晶格的位能，在禁帶中形成新的電子能級(jí)。這是一種永久性損傷?？瘴灰婚g隙原子對(duì)會(huì)對(duì)電導(dǎo)率、載流子遷移率、尤其是少數(shù)載流子壽命之類的參數(shù)產(chǎn)生影響。電離效應(yīng)是輻射粒子與材料中電子的互相作用，產(chǎn)生電子-空穴對(duì)而電離的過程。此時(shí)輻射粒子有足夠的能量傳給電子，使電子脫離原子軌道。不光電子，質(zhì)子和其他帶電粒子能產(chǎn)生電離效應(yīng)，射線和x射線尤其輕易產(chǎn)生電離效應(yīng)而產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。當(dāng)光子穿透物質(zhì)時(shí)，它會(huì)產(chǎn)生光電子和康普頓電子。當(dāng)光子將其所有能量傳給電子時(shí)，會(huì)產(chǎn)生光電子，而使原子電離。當(dāng)僅把一部分能量傳給原子中的電子時(shí)，便產(chǎn)生康普頓散射電子，而光子自身又變成低能光子?？灯疹D散射電子依賴于入射光子的能量，一般會(huì)獲得足夠多的能量，沿這一方向深入產(chǎn)生二次電離效應(yīng)，甚至使原子產(chǎn)生位移，在這條道上產(chǎn)生弗倫克耳缺陷。電離效應(yīng)重要導(dǎo)致材料性能(重要指電導(dǎo)率)的瞬態(tài)變化，也可在絕緣體材料內(nèi)建立空間電荷和在絕緣體／半導(dǎo)體界面產(chǎn)生界面態(tài)，使表面器件性能產(chǎn)生半永久性變化。1.8.2紅外探測(cè)器的輻照效應(yīng)研究（1）HgCdTe器件[11]初期的HgCdTe紅外探測(cè)器為單元器件。對(duì)這些單元器件進(jìn)行鈍化可以穩(wěn)定它們的性能，但鈍化層不作為器件的一部分。因此器件的性能退化重要由位移損傷導(dǎo)致，總劑量效應(yīng)不是很重要。紅外探測(cè)器由單元發(fā)展到多元。為了提高性能，對(duì)敏感元列陣進(jìn)行了表面鈍化。在HgCdTe多元列陣光伏探測(cè)器中，最常見的構(gòu)造是光敏元列陣上再加一層沉積的ZnS作為鈍化層。ZnS捕捉電荷的能力很強(qiáng)，這使總劑量誘導(dǎo)的永久性損傷對(duì)性能的影響比位移損傷更大。20世紀(jì)80年代末到90年代初，在HgCdTe列陣的制造中開始使用CdTe鈍化層。這種鈍化層的性能比ZnS及其他初期使用過的鈍化層的性能要好得多。CdTe鈍化層的出現(xiàn)大大提高了探測(cè)器的性能和敏感元列陣的質(zhì)量(更少的壞元)。由于CdTe鈍化層的使用，它的抗總劑量輻射性能也有了很大的提高．CdTe鈍化層的使用不僅是技術(shù)發(fā)展的一種巨大進(jìn)步，更重要的是使抗總劑量輻射能力增強(qiáng)了諸多。加了CdTe鈍化層的HgCdTe探測(cè)器在>1Mrad(HgCdTe)的輻照下仍能工作。這意味著混成構(gòu)造的探測(cè)器的抗輻射能力不再由其敏感元列陣決定，而重要由CMOS讀出電路決定。敏感元列陣和讀出電路通過銦柱焊接在一起，敏感元列陣必須工作在低溫下，因此讀出電路也在低溫下工作。由于氧化層的電荷捕捉作用在低溫下得到加強(qiáng)，CMOS在低溫下的總劑量效應(yīng)變得比室溫時(shí)更嚴(yán)重。敏感元列陣與未通過抗輻射加固的讀出電路構(gòu)成的器件在數(shù)十Krad(SiO2)的輻射下就會(huì)失效。低溫下抗輻射劑量達(dá)Mrad(SiO2)的讀出電路也可以生產(chǎn)，但這樣器件的成本會(huì)很高，有生產(chǎn)能力的生產(chǎn)線也很少．目前某些商用CMOS電路也有一定的抗輻射能力，這樣在某些商用生產(chǎn)線上生產(chǎn)該探測(cè)器就成為也許。這樣生產(chǎn)出來的器件就可以適應(yīng)空間輻射環(huán)境。（2）量子阱紅外探測(cè)器量子阱紅外探測(cè)器，采用了“寬”帶隙的多量子阱構(gòu)造，其材料自身的抗輻照性能要大大好于HgCdTe材料。不過在射線等電離輻射的轟擊下，量子阱紅外探測(cè)器的量子阱價(jià)帶中的電子會(huì)吸取這些高能射線后躍遷到導(dǎo)帶中，產(chǎn)生出電子-空穴對(duì)，即產(chǎn)生了輻照的電離效應(yīng)。然而，量子阱紅外探測(cè)器是運(yùn)用導(dǎo)帶中電子吸取紅外輻射光子，發(fā)生子帶躍遷而產(chǎn)生光電流信號(hào)。高能射線引起的電子和空穴電流，成為量子阱紅外探測(cè)器中的重要噪聲來源。有研究表明[12]，InGaAsQWIP經(jīng)不一樣劑量的射線輻照后，器件的響應(yīng)光譜和信號(hào)沒有發(fā)生明顯的變化，而器件的暗電流和噪聲則伴隨輻照劑量的增大而增大，零偏阻抗逐漸減小，表明器件經(jīng)射線輻照后探測(cè)率變小，性能下降（圖1.8.1因此）。圖1.8.1QWIP經(jīng)輻照后光電流和暗電流的變化量子阱紅外探測(cè)器抗輻照的措施和措施，重要有器件構(gòu)造的特殊設(shè)計(jì)和采用涂覆鈍化吸取層兩個(gè)方面。如圖1.8.1所示[13]，在量子阱紅外探測(cè)器的頂部增長一種p-n結(jié)，其中p型接觸層可以搜集高能射線引起的空穴，n型接觸層可以搜集高能射線引起的電子。通過測(cè)量空穴電流大小，并從測(cè)得的電子電流中扣除和空穴電流同樣大小的電子電流，從而消除了高能射線引起的噪聲信號(hào)，可得到量子阱紅外探測(cè)器吸取紅外輻射產(chǎn)生的光電流信號(hào)。圖1.8.1器件能帶以及載流子輸運(yùn)示意圖[13]對(duì)于從襯底入光的量子阱紅外探測(cè)器，可以在襯底上生長CdTe(0.5micron),Si3N4(1micron)和類金剛石材料(0.2micron)（圖1.8.2）。這些抗反射層可以吸取高能射線，防止了高能射線在量子阱紅外探測(cè)器中產(chǎn)生電子-空穴噪聲信號(hào)，阻擋了高能粒子和射線對(duì)量子阱紅外探測(cè)器的轟擊，并且對(duì)紅外輻射光子幾乎是完全透明的[14]（圖1.8.3）。圖1.8.2幾種鈍化吸取材料的性質(zhì)圖1.8.3鈍化構(gòu)造示意圖參照文獻(xiàn)：[1]B.F.Levine,“Quantum-wellinfraredphotodetectors”,J.Appl.Phys.74(8):R1,().[2]連潔，王青圃，程興奎，魏愛儉，“量子阱紅外探測(cè)器的研究與應(yīng)用”，光電子激光，13（10）：1092，（）。[3]熊大元，“量子阱紅外探測(cè)器及有關(guān)量子器件的研究進(jìn)展”，紅外，27（12）：10，（）。[4]B.F.Levine,C.G.Bethea,G.Hasnain,etal.,“Highsensitivitylowdarkcurrent10mGaAsquantumwellinfraredphotodetectors”[5]S.D.Gunapala,S.V.Bandara,J.K.Liu,etal.,“TowardsdualbandmegapixelQWIPfocalplanearrays”,InfraredPhysics&Technology,50(2-3):217,().[6]S.V.Bandara,S.D.Gunapala,D.Z.Ting,etal.,“Monolithicallyintegratednear-infraredandmid-infrareddetectorarrayforspectralimaging”,InfraredPhysics&Technology,50(2-3):211,().[7]L.Sun,D.H.Zhang,K.H.Yuan,etal.,“InGaAsP/InPlongwavelengthquantumwellinfraredphotodetectors”,ThinSolidFilms,515(10):4450,().[8]JanetL.Pan,CliftonG.FonstadJr.,“Theory,fabricationandcharacterizationofquantumwellinfraredphotodetectors”,MaterialsScienceandEngineering,28:65,().[9]劉松妍，“新型GaAs/AlGaAs量子阱中遠(yuǎn)紅外探測(cè)器的研究與改善”，北京工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文，。[10]G.Hasnain,B.F.Levins,S.Gunapala,andNareshChand,“Largephotoconductivegaininquantumwellinfraredphotodetectors”,Appl.Phys.Lett.,57(6):608,(1990).[11]廖毅，“空間輻照環(huán)境及紅外光子探測(cè)器的輻照效應(yīng)”，紅外，27（5）：1，（）。[12]黃楊程，黃光明，劉大福，龔海梅，“InGaAs紅外探測(cè)器的輻照研究”，功能材料與器件學(xué)報(bào)，11（1）：68，（）。[13]C.S.WU,C.P.WEN,P.REINER,C.W.TUandH.Q.HOU,“RadiationhardblockedtunnelingbandGaAs/AlGaAssuperlatticelongwavelengthinfrareddetectors”.Solid-StateElectronics,39(9):1253,(1996).[14]AshokK.SoodandYashR.Puri,etal,“DevelopmentofHighPerformanceRadiationHardenedAntireflectionCoatingsforLWIRandMulticolorIRFocalPlaneArrays”,Proc.ofSPIE,6206:620615,().2、量子阱紅外探測(cè)器的制備措施2.1直接混雜法制備紅外探測(cè)器焦平面陣列像元現(xiàn)今大多數(shù)紅外焦平面陣列（FPAs）采用混雜措施來制備，為了使得器件具有更高的穩(wěn)定性和低成本，整合了Si基ROIC的FPA像元將會(huì)是此后紅外探測(cè)器陣列的發(fā)展趨勢(shì)。紅外線焦平面陣列的制備工藝重要分為三類，包括直接混雜法、雙邊整合法和選擇性外延整合法。在匯報(bào)中重點(diǎn)簡介了用直接混雜法制備整合Si基ROIC紅外探測(cè)器焦平面陣列像元的工藝過程，并簡樸解釋了每一種工藝環(huán)節(jié)的基本原理和必要性。單個(gè)FPA像元如圖1所示，在圖中包括了各個(gè)部件在像元中的分布位置以及互接狀況。銦鏈接塊銦鏈接塊填充材料Si基底金屬連接片超晶格薄層鈍化層半絕緣基底UMB(UnderBumpMetallury)圖1單個(gè)FPA像元放大圖 整個(gè)像元制備過程包括10個(gè)環(huán)節(jié)，下面詳細(xì)簡介每個(gè)環(huán)節(jié)的內(nèi)容，工藝以及某些細(xì)節(jié)問題：QWIP薄膜與FPA像元基底生長。QWIP薄膜的生長和FPA像元基底的生長可以用MOCVD或者M(jìn)BE工藝同步進(jìn)行，QWIP薄膜的生長質(zhì)量非常重要，其對(duì)整個(gè)器件的性能具有決定性的作用。FPA像元制備。在這一步中使用紫外光刻蝕法將QWIP薄膜刻蝕成陣列單元像素點(diǎn)。對(duì)于大尺寸的FPA，像素點(diǎn)之間的間距一般在25到40um。探測(cè)器像元表面鈍化像素點(diǎn)生成后用PECVD工藝在像素點(diǎn)和基底外表面上沉積一層鈍化膜，其材料一般選用Si3N4和SiO2。鈍化膜的作用從內(nèi)在來看是為了清除表面的缺陷，改善表面特性，外在來看是為了保護(hù)器件不受外界的影響，但最終的目的都是防止器件因電老化而失效。鈍化膜刻蝕為了使像元吸取光子后激發(fā)的非平衡載流子通過QWIP薄膜調(diào)幅后能流出并產(chǎn)生電信號(hào)，因此需要將QWIP上的鈍化膜刻蝕出開口。觸頭金屬片連接過程觸頭金屬片不做成圓片形而做成帽檐形狀是由于器件工作的時(shí)候在鈍化膜開口直角與QWIP薄膜接觸處有微弱的干擾電場(chǎng)，這個(gè)電場(chǎng)會(huì)被器件極大地?cái)U(kuò)大從而使器件工作時(shí)失效，帽檐狀的觸頭金屬片可以有效地消除這種干擾電場(chǎng)。銦柱生長在生長銦柱之前需要在器件上沉積被稱為UBM(UnderBumpMetallurgy)的部件，它可以用來加固銦柱與觸頭金屬片的連接。然后在UMB上用蒸鍍或者電鍍的方式生長銦柱，銦柱首先起的是探測(cè)器像元和ROIC之間的電氣，機(jī)械互聯(lián)作用，此外它還可以增長FPA像元的高度，像元高度的合適提高可以減少ROIC與FPA之間不平行所帶來的器件性能弱化。選擇銦這種材料的原因有二，其一，銦在極低的溫度（如液氦溫度下）下能保持很好的延展性，機(jī)械性能好，因此可以對(duì)其進(jìn)行“冷焊”。其二，室溫下，49號(hào)元素銦有低熔點(diǎn)（156.6oC），并且十分軟（室溫下的屈服強(qiáng)度僅為1.4MPa布氏硬度為0.9，甚至在室溫下，銦已經(jīng)處在其絕對(duì)溫度下熔點(diǎn)的0.698Tm），因此處在該材料的熱加工溫度范圍。所有這些特性使得銦作為低熔點(diǎn)焊料適合于要進(jìn)行低溫互聯(lián)的電子器件，尤其是紅外器件的互聯(lián)。Si基ROIC與FPA像元之間的焊接首先在Si基底上貼好與對(duì)應(yīng)于FPA像元分布的ROIC，然后用倒裝焊接的工藝將已得到的FPA像元倒過來焊接于其上。Si基ROIC于FPA像元之間的高度重要由焊接時(shí)的壓力大小和銦柱自身的高度決定，由于Si基ROIC于FPA像元之間的不平行會(huì)減少紅外焦平面器件的性能，因此倒裝焊接工藝一般在倒裝焊接校準(zhǔn)臺(tái)上進(jìn)行以保證平行度。FPA像元與ROIC之間的空隙填充FPA像元與ROIC之間的空隙填充物質(zhì)一般為環(huán)氧基樹脂，環(huán)氧樹脂的填充首先可以提高紅外焦平面陣列器件的機(jī)械強(qiáng)度以抵御外界劇烈機(jī)械運(yùn)動(dòng)影響的能力（劇烈振動(dòng)和沖擊作用），此外還可以減小FPA像元與ROIC之間熱膨脹失配以及保護(hù)器件各元件不受外界水分的侵蝕和離子污染。FPA基底減薄減薄FPA基底的作用首先是為了深入減小FPA像元與ROIC之間的熱膨脹失配，此外首先重要的作用是消除像元與像元之間的光波干擾，提高器件的紅外光學(xué)耦合特性。FPA混雜器件封裝減薄后FPAs器件的制作工序基本完畢，不過還需要將制作好的FPAs器件集成到無鉛的陶瓷載體芯片LCCC(Lead-freeceramicchipcarrier)上。首先要用膜片鍵合工藝將FPA混雜器件鏈接到LCCC上，然后用金屬線鍵合工藝將FPA混雜器件的輸入輸出端連接到LCCC上的針腳以形成一種完整的回路。在器件整個(gè)制備過程中，第一步中QWIP薄層生長質(zhì)量對(duì)器件的各項(xiàng)性能有決定性的作用，第六步的銦柱生長是最復(fù)雜，問題最多的一種環(huán)節(jié)，不過對(duì)于微電子器件制造來說，所謂堤潰蟻穴，每一種環(huán)節(jié)都非常關(guān)鍵，都影響到大局。3、量子阱紅外探測(cè)器的國內(nèi)外重要應(yīng)用3.1紅外探測(cè)器分類紅外探測(cè)器是一種輻射能轉(zhuǎn)換器，重要用于將接受到的紅外輻射能轉(zhuǎn)換為便于測(cè)量或觀測(cè)的電能、熱能等其他形式的能量。根據(jù)能量轉(zhuǎn)換方式，紅外探測(cè)器可分為熱探測(cè)器和光子探測(cè)器兩大類[1]。熱探測(cè)器的工作機(jī)理是基于入射輻射的熱效應(yīng)引起探測(cè)器某一電特性的變化，而光子探測(cè)器是基于入射光子流與探測(cè)材料互相作用產(chǎn)生的光電效應(yīng)，詳細(xì)體現(xiàn)為探測(cè)器響應(yīng)元自由載流子（即電子和/或空穴）數(shù)目的變化。由于這種變化是由入射光子數(shù)的變化引起的，光子探測(cè)器的響應(yīng)正比于吸取的光子數(shù)。而熱探測(cè)器的響應(yīng)正比與所吸取的能量。按照詳細(xì)換能方式的不一樣，紅外探測(cè)器還可以進(jìn)行更為細(xì)致的分類（如圖3.1所示）。熱探測(cè)器的換能過程包括：熱阻效應(yīng)、熱伏效應(yīng)、熱氣動(dòng)效應(yīng)和熱釋電效應(yīng)。光子探測(cè)器的換能過程包括：光生伏特效應(yīng)、光電導(dǎo)效應(yīng)、光電磁效應(yīng)和光發(fā)射效應(yīng)。而量子阱紅外探測(cè)器屬于光子探測(cè)器的一種。圖3.1紅外探測(cè)器的分類3.2紅外探測(cè)器發(fā)展歷程40年代后期到50年代，為提高紅外探測(cè)器的敏捷度和效應(yīng)速度，光子探測(cè)器得到迅速發(fā)展。PbS是第一種實(shí)用的紅外探測(cè)器，可響應(yīng)至3微米，PbS在二次大戰(zhàn)中期間在德國發(fā)展起來的，并在戰(zhàn)爭中得到多種應(yīng)用。從第一種實(shí)用的紅外探測(cè)器出現(xiàn)以來，已經(jīng)有半個(gè)多世紀(jì)了，而紅外成像系統(tǒng)也已經(jīng)發(fā)展到第三代，第一代是由探測(cè)器線列實(shí)現(xiàn)掃描成像，60年代后期，由于硅CCD的發(fā)明，使得帶焦平面信號(hào)讀出的第二代探測(cè)器陣列的設(shè)想成為現(xiàn)實(shí)。第二代的經(jīng)典特性是系統(tǒng)由焦平面陣列和ROIC實(shí)現(xiàn)。QWIP是在第二代末期出現(xiàn)的技術(shù)，目前已經(jīng)發(fā)展到第三代。圖3.2紅外探測(cè)器的發(fā)展歷程相比于前兩代，第三代紅外成像系統(tǒng)將具有更高的辨別率、更快的幀速和更好的熱穩(wěn)定性，可以實(shí)現(xiàn)多色輸出，并具有更多的片上功能[2]。此外，Reagoet在1999年刊登的文章[3]中認(rèn)為，第三代設(shè)備還應(yīng)當(dāng)在非制冷成像能力上要有所突破。3.3紅外探測(cè)器基本性能參數(shù)雖然多種紅外探測(cè)器的作用機(jī)理不一樣，但其基本特性都可以用如下這些參數(shù)來描述：探測(cè)率：，單位：，其物理意義是1瓦輻射功率入射到光敏面積1cm2的探測(cè)器上，并用帶寬為1赫電路測(cè)量所得的信噪比。是歸一化的探測(cè)率，稱為比探測(cè)率，讀作D星。用來比較兩個(gè)探測(cè)器的優(yōu)劣，可防止探測(cè)器面積或測(cè)量帶寬不一樣對(duì)測(cè)量成果的影響。它反應(yīng)的是探測(cè)器的探測(cè)能力，數(shù)值越大的探測(cè)器探測(cè)性能越好。 響應(yīng)率： ，單位為，響應(yīng)率等于單位輻射功率入射到探測(cè)器上產(chǎn)生的信號(hào)輸出，由于測(cè)量響應(yīng)率時(shí)是不管噪聲大小的，可不注明只與噪聲有關(guān)的電路帶寬。響應(yīng)率與探測(cè)器的響應(yīng)速度有關(guān)，光子探測(cè)器的頻率響應(yīng)特性如同一種低通濾波器。在低頻段響應(yīng)較為平坦，超過轉(zhuǎn)角頻率后響應(yīng)明顯下降。一般均在低頻下測(cè)量響應(yīng)率，以消除調(diào)制頻率的影響。 表面上看，只要探測(cè)率足夠高，探測(cè)器輸出有足夠的信噪比，信號(hào)較弱是可以用電路放大的措施彌補(bǔ)的。實(shí)際上響應(yīng)率過低，就必須提高前置放大器的放大倍率，高倍率的前置放大器會(huì)引入更多噪聲，如選用探測(cè)率較低但響應(yīng)率高的探測(cè)器，系統(tǒng)的探測(cè)性能也許更好某些。因此，對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)者來說，探測(cè)器的響應(yīng)率和探測(cè)率是同樣值得關(guān)注的。 等效噪聲溫差（NETD）：，他反應(yīng)探測(cè)器能辨別的輻射源的最小溫度變化。 工作溫度：探測(cè)器能正常工作的溫度范圍。 幀速：每秒鐘成像的幀數(shù)，反應(yīng)的是紅外成像系統(tǒng)的整體響應(yīng)速度。 糾正前的非均勻性（precorrectionnonuniformity）：反應(yīng)的是在通過糾正此前所成像的非均勻性，值越小越好。 糾正后的非均勻性（postcorrectionnonuniformity）：反應(yīng)的是在通過糾正后所成像的非均勻性，值越小越好。3.4多種焦平面陣列（FPAs）的性能比較圖3.3列出的是目前比較成熟的多種焦平面陣列的性能比較[4]，最終一行是qwip—fpa，從各項(xiàng)性能指標(biāo)上來看，qwip并沒有明顯的優(yōu)勢(shì)，甚至在有些性能指數(shù)上還落后于其他幾種焦平面陣列。不過qwip的幾種明顯長處使它更適于用來制作第三代紅外成像系統(tǒng)。圖3.3多種FPAs性能比較 首先，QWIP材料生長和器件制備成熟，可獲得大面積、均勻性好成本低、高性能的器件。目前GaAs襯地已能做到6英寸以上的規(guī)模，因而QWIP焦平面陣列可以做到很大規(guī)模，而HgCdTe紅外探測(cè)器由于其襯底目前只能做到1英寸左右，因此HgCdTe焦平面陣列目前只能做到1024*1024的規(guī)模[5]。圖3.4QWIP和HgCdTe另一方面，QWIP的波長持續(xù)可調(diào)，通過調(diào)整量子阱寬度和勢(shì)壘高度可以便的獲得3~20um的響應(yīng)，并且由于光譜響應(yīng)帶寬窄，可控制在（1um），尤其合適制備雙色、多色焦平面探測(cè)器。圖3.5QWIP的光譜響應(yīng)此外，QWIP的熱穩(wěn)定性好并且抗輻射性強(qiáng)，這一切使得QWIP成為第三代紅外成像系統(tǒng)最有力的候選者。3.5紅外成像系統(tǒng)的完整構(gòu)造一種完整的紅外成像系統(tǒng)除了焦平面陣列還包括如下幾種部分：光學(xué)鏡頭、讀出電路、信號(hào)處理系統(tǒng)、制冷器以及顯示屏。詳細(xì)的系統(tǒng)構(gòu)造如圖3.6所示[6]。圖3.6紅外成像系統(tǒng)構(gòu)造圖紅外光通過光學(xué)系統(tǒng)照射在探測(cè)器陣列上產(chǎn)生電信號(hào)，之后由讀出電路讀出，并通過信號(hào)處理系統(tǒng)對(duì)信號(hào)處理后通過多路輸出系統(tǒng)輸?shù)斤@示系統(tǒng)進(jìn)行成像。接下來我們對(duì)系統(tǒng)中的幾種關(guān)鍵部分做一下簡要簡介。3.5.1焦平面構(gòu)造目前，高性能的二代、三代制冷性紅外探測(cè)器組件普遍采用混成式構(gòu)造。其中探測(cè)芯片就是由上述的多種材料制成，讀出電路芯片為硅集成電路。圖3.7是以HgCdTe為例的混成式焦平面構(gòu)造示意圖，從圖中我們可以看到，探測(cè)器通過銦柱和讀出電路直接連接。這種構(gòu)造有很好的可生產(chǎn)性，高密度的凝視成像陣列探測(cè)器一般都用直接混成的焦平面構(gòu)造[7]。圖3.6HgCdTe的混成式焦平面構(gòu)造示意圖3.5.2讀出電路讀出集成電路（ROIC）是把焦平面的多種功能集成在單一的半導(dǎo)體芯片中的高集成度電路。其基本功能是進(jìn)行紅外探測(cè)器信號(hào)的轉(zhuǎn)換、放大以及多路傳播。ROIC一般用一般的硅集成工藝制造，最常用的是CMOS（互補(bǔ)金屬氧化物硅）工藝，可使目前傳感器到達(dá)較高的辨別率和敏捷度。圖3.8是是讀出電路的一般構(gòu)造，在探測(cè)器陣列產(chǎn)生信號(hào)后來，讀出電路通過時(shí)鐘控制，用行列地址作為定位，依序?qū)⒚總€(gè)探測(cè)單元產(chǎn)生的信號(hào)輸出。 大多數(shù)ROIC的前置放大器都是在一定的積分時(shí)間內(nèi)對(duì)探測(cè)器的光生電流進(jìn)行電荷積累，形成信號(hào)。而積分的方式有諸多種，而這里列出的兩種讀出模式是目前工業(yè)生產(chǎn)中最常使用的。電容反饋跨阻放大器讀出模式（CapacitiveTransimpedanceAmplifierReadout）是在高增益放大器的反相端引入電容反饋，使探測(cè)器電荷在反饋電容上積分。這種方式的長處是探測(cè)器偏置穩(wěn)定，進(jìn)而可得到線性更好的信號(hào)傳遞函數(shù)。它的增益由Cint決定，因此可調(diào)。缺陷是所占面積較大，功耗較大。此外一種是直接注入模式（DirectInjectionReadout），這種模式是讓光生電荷在MOSFET的漏極電容上積分，長處是偏置穩(wěn)定，增益可調(diào)，不過可調(diào)范圍較小。缺陷是不合用于低光子通量的狀況，由于探測(cè)器電流較低時(shí)，輸入阻抗增長，導(dǎo)致偏置不穩(wěn)。圖3.7讀出電路一般構(gòu)造圖3.8電容反饋跨阻放大器讀出模式直接注入模式積分采樣之后，我們必須通過多路傳播器（MUX）未來自數(shù)十至成百上千的探測(cè)元信號(hào)依次傳播到讀出電路的單個(gè)輸出端。最常用的多路傳播器形式有：1．CCD,它運(yùn)用一系列持續(xù)的轉(zhuǎn)移勢(shì)阱，將電荷傳播到浮置柵或擴(kuò)散區(qū)。2．MOSFET開關(guān)，運(yùn)用一套次序接通的開關(guān)，將探測(cè)元信號(hào)連接至總線。路開關(guān)的尋址方式可以直接尋址，也可掃描尋址。a)直接尋址的多路傳播器需要多條地址線，可以隨機(jī)尋訪焦平面中的任意一元。b)掃描尋址只需要引入復(fù)位、采樣保持和時(shí)鐘等信號(hào)，由芯片內(nèi)部地址計(jì)數(shù)，次序接通各個(gè)單元。下面我們通過一種詳細(xì)實(shí)例來闡明讀出電路的工作模式，圖3.9是法國sofradir企業(yè)出產(chǎn)的ML073紅外探測(cè)器的讀出電路構(gòu)造圖。雖然這是比較初期的產(chǎn)品，不過很具有代表性，它采用CMOS多路開關(guān)讀出方式，輸出的數(shù)據(jù)共240行。每行有320個(gè)像元數(shù)據(jù)。每一列的像元共用一種積分放大器，不一樣列的像元信號(hào)同步積分，不過同一列像元信號(hào)并不一樣步積分，逐行積分，逐行讀出，任何一種像元的最大積分時(shí)間都不不小于行周期。圖3.9ML073紅外探測(cè)器的讀出電路構(gòu)造圖3.6QWIP探測(cè)器實(shí)例分析我們以MDA和JPL/NASA聯(lián)合開發(fā)的一款1Kx1K中紅外相機(jī)作為分析實(shí)例。這款產(chǎn)品是為了跟蹤導(dǎo)彈發(fā)射而設(shè)計(jì)的，通過采用multi-coupled-quantum-well的構(gòu)造來實(shí)現(xiàn)，并在四英寸的GaAs晶片上生長而成[8，9]。如圖3.10所示：圖3.10器件構(gòu)造、光譜響應(yīng)及GaAs晶片設(shè)計(jì)的焦平面陣列性能如圖3.11所示：圖3.11FPA性能參數(shù)生產(chǎn)出的實(shí)際樣品如圖3.12所示：圖3.11實(shí)際樣品圖它的讀出電路采用Indigo企業(yè)生產(chǎn)的ISC0404，該芯片的重要性能參數(shù)如下表所示：陣列大小1024×1024

幀速30Hz（4－output）工作溫度80K功耗<130mV（16-o