16红外焦平面器件.doc

四、红外焦平面器件红外焦平面器件（IRFPA）就是将CCD、CMOS技术引入红外波段所形成的新一代红外探测器，是现代红外成像系统的关键器件。IRFPA建立在材料、探测器阵列、微电子、互连、封装等多项技术基础之上。1. IRFPA的工作条件IRFPA通常工作于13m、35m和812m的红外波段并多数探测300K背景中的目标。典型的红外成像条件是在300K背景中探测温度变化为0.1K的目标。用普朗克定律计算的各个红外波段300K背景的光谱辐射光子密度：波长/m1335812300K背景辐射光子通量密度光子(cm2s)101210161017光积分时间（饱和时间）s10610210对比度（300K背景）（）1031随波长的变长，背景辐射的光子密度增加。通常光子密度高于1013cm2s的背景称为高背景条件，因此35m或812m波段的室温背景为高背景条件。上表同时列出了各个波段的辐射对比度，其定义为：背景温度变化1K所引起光子通量变化与整个光子通量的比值。它随波长增长而减小。IRFPA工作条件：高背景、低对比度。2. IRFPA的分类按照结构可分为单片式和混合式按照光学系统扫描方式可分为扫描型和凝视型按照读出电路可分为CCD、MOSFET和CID等类型按照制冷方式可分为制冷型和非制冷型按照响应波段与材料可分为13m波段（代表材料HgCdTe碲镉汞）35m波段（代表材料HgCdTe、InSb锑化铟和PtSi硅化铂）812m 波段（代表材料HgCdTe）。3. IRFPA的结构IRFPA由红外光敏部分和信号处理部分组成。红外光敏部分材料的红外光谱响应信号处理部分有利于电荷的存储与转移目前没有能同时很好地满足二者要求的材料IRFPA结构多样性（1）单片式IRFPA单片式IRFPA主要有三种类型：非本征硅单片式IRFPA主要缺点是：要求制冷，工作于814m的器件要制冷到1530K，工作于35m波段的器件要制冷到4065K；量子效率低，通常为5%30%；由于掺杂浓度的不均匀，使器件的响应度均匀性较差。本征单片式IRFPA将红外光敏部分与转移部分同作在一块窄禁带宽度的本征半导体材料上。目前受重视的材料是HgCdTe。优点：量子效率较高。缺点：是转移效率低（0.9），响应均匀性差，且由于窄禁带材料的隧道效应限制了外加电压的幅度，则表面势不大，因此存储容量较小。肖特基势垒单片式IRFPA基于肖特基势垒的光电子发射效应，在同一硅衬底上制作可响应红外辐射的肖特基势垒阵列及信号转移部分。肖特基势垒单片式IRFPA目前受重视的材料是PtSi。优点：因光激发过程取决于金属中的吸收，所以响应度均匀性较好；采用的硅衬底可制成高性能的CCD转移机构。缺点：量子效率比较低。 （2）混合式IRFPA混合式IRFPA的探测器阵列采用窄禁带本征半导体材料制作，电荷转移部分用硅材料。直接注入方式是将探测器阵列与转移部分直接用导线相连。间接注入方式是通过缓冲级（有源网络）进行连接。探测器阵列与转移部分的连接大多采用倒装式：4. 典型的IRFPA（1）InSb IRFPAInSb是一种比较成熟的中波红外探测器材料。InSb IRFPA是在InSb光伏型探测器基础上，采用多元器件工艺制成焦平面阵列，然后与信号处理电路进行混合集成。已研制了采用前光照结构的132、1128、1256、1512的线列IRFPA和背光照结构的5862、128128、256256、640480、10241024的面阵IRFPA。（2）HgCdTe IRFPAHgCdTe材料是目前最重要的红外探测器材料，研制与发展HgCdTe IRFPA是目前的主攻方向。通常HgCdTe IRFPA是由HgCdTe光伏探测器阵列和CCD或MOSFET读出电路通过铟柱互连而组成混合式结构。目前已研制了用于空间成像光谱仪的10241024短波（12.5m）HgCdTe IRFPA，用于战术导弹寻的器和战略预警、监视系统的640480的中波HgCdTe IRFPA及应用十分广泛的812m的长波HgCdTe IRFPA。目前4N系列（4288、4480、4960）的扫描型和6464、128128、640480凝视型的HgCdTe IRFPA已批量生产。HgCdTe IRFPA的像素目前可作到1818m2。（3）硅肖特基势垒IRFPA硅肖特基势垒IRFPA目前已被广泛应用于近红外与中红外波段的热成像,它是目前唯一利用已成熟的硅超大规模集成电路技术制造的红外传感器，代表了当今应用于中红外波段的大面阵、高密度IRFPA的最成熟工艺。已实现了256256、512512、640480、10241024、19681968等多种型号的器件。硅肖特基势垒IRFPA的像素目前可作到1717m2。（4）非制冷IRFPA早在70年代就开始着手发展非制冷IRFPA，1979年美国得克萨斯仪器公司曾演示了100100元的铌酸锶钡（SBN）热释电探测器阵列。目前主要研究开发的材料是氧化钒（VO2）、硅、多晶硅和非晶硅等。非制冷IRFPA的像素目前可作到2828m2。（5）多量子阱（MQW）IRFPA70年代由于一些先进的晶体材料外延工艺，例如金属有机汽相沉积（MOCVD）和分子束外延（MBE）的出现，人们选择一定的衬底材料，用这两种工艺在衬底上依次交替地淀积两种不同半导体A和B薄层，形成ABABA或其他周期性结构，薄层的厚度从几个到几十个原子层，形成一种完全新颖的材料，称为超晶格材料，其性质取决于A和B的性质及它们的层厚。由于A和B及它们的厚度可有很大的选择余地，因而人为地创造了一大类具有与原材料完全不同特性的材料。目前根据A和B两种材料能带的差别，分为、类三种超晶格材料。其中发展最快的为类AlGaAs/GaAs超晶格材料，其中AlGaAs为势垒，GaAs为势阱，当势垒高度较高、较厚时，电子的运动被限制在势阱中，这种情况下的超晶格材料称为量子阱（QW）材料。如果有很多相同量子阱叠加就组成了多量子阱（MQW）材料。由量子