红外光电探测器的分类

红外光电探测器的分类

1红外探测器的应用能量的主要部分来自外部空间。这是人类环境中最大的信息之一。产生红外辐射的红外探测器不仅用于军事领域的监测、跟踪、夜间和地球测量，而且用于经济和商业领域的工业过程监测、人类疾病的诊断、医疗领域疾病的预防和空间技术的应用非常广泛。随着微机械系统(MEMS)加工技术、大规模集成电路、信号处理技术的飞速发展,红外探测器技术拥有巨大的发展潜力。2红外焦平面探测器的研究进展红外探测器可以分为常温探测器和低温探测器二种。在热探测器方面,十九世纪末二十世纪初研究人员利用温差电动势制成功了红外探测器。五十年代,用温差电动势率更大的半导体代替原来的金属,得到灵敏度更高的温差电型红外探测器。六十年代出现了利用铁电体的自发极化与温度关系的热释电型红外探测器。1966年发现了薄膜电阻测辐射热计的热探测原理,建立了响应度和噪声极限的理论模型。1978年,Johnson制备氮化硅薄膜微桥结构用于热探测器的绝热结构。1983年,Wood演示了阵列制造的可能性。1981～1992年,在美国政府的资助下,Honeywell公司开始了全面的秘密研究,直到1992年研究全面完成后,才将有关技术公开。采用微加工技术制造了具有微桥绝热结构的氧化钒阵列器件所取得的巨大成功,引起了研究者的极大关注。此后,英、法等西方发达国家也相继独立研发并推出了自己的系列产品。非制冷红外焦平面探测器的研制成功使得更多的人投入新材料、新工艺的探索之中,直至今日仍是主流的探测器研究方向。在光探测器方面,自光电导效应发现后,1917年Case发明了第一个红外光电导探测器。1933年KutzScher制成了PbS薄膜型光电导探测器,这是近代红外探测器最重要的发展之一。二战后,红外探测器从PbS迅速发展到PbTe和PbSe薄膜型探测器,最长的响应波长在液氮温度下能达到7μm。五十年代半导体物理学的发展,极大地推动了红外光子探测器的发展。五十年代初,研制出第一个非本征光电导探测器,所用材料为Ge:X。同时,111-V,11-VI材料也被引入到光电研究领域。1959年Lawson开始了HgCdTe的研究,为红外探测器的设计提供了更大的自由度。六十年代,1～3μm,3～5μm,8～14μm三个重要的大气窗口,都有了性能良好和可靠的探测器,在同一时期内,光学、电子学、精密机械及微型制冷机等方面的发展,使红外技术在军事技术及国民经济的各个方面得到了广泛的应用。而且,由于光刻技术的发展,多元线阵列探测器得到了研究,PbS,PbSe,InSb,HgCdTe线阵列光电导探测器先后被研制成功。1973年Shepherd和Yang提出了金属硅化物/硅形成的肖特基势垒探测器。随后Si:X/CCD,PtSi/CCD,HgCdTe/CCD单片焦平面探测器阵列先后被研制成功。八十年代初期,由于光纤通信的快速发展,InGaAs探测器得到了快速发展,八十年代末期,Levine等利用GaAs/AlGaAs超晶格子带间吸收制成10μm量子阱红外探测器。九十年代,红外探测器的研究工作主要放在焦平面探测器阵列上,双色焦平面探测器阵列及MEMS焦平面探测器阵列被研制成功。图1列出了光子红外探测器的发展历史。3红外检测的分类与进步3.1焦平面红外传感器的研究进展室温探测器先将光信号转化为热,这样的探测器有诸多缺陷,比如不能对整个光谱进行响应,探测灵敏度低,响应慢。但它也有明显的优点,比如工作温度没有限制。由于红外探测器甩掉了庞大的制冷系统,使得探测器的稳定性得到极大的提高,并且成本和体积也得到极大的降低,小型化和低廉化使得热探测器在民用和军用领域有着极为广泛的应用。室温探测器根据工作原理的不同可分为热敏电阻型、热电堆型和热释电型红外探测器。根据全球著名的尖端红外探测器研发公司Flir2010年所做的关于室温探测器市场的统计显示,市场上制造室温探测器的材料主要有三种:氧化钒薄膜(VOx)、无定型硅(a-Si)和锡锶钛酸盐(BST),氧化钒(VOx),如图2,薄膜所占的市场份额最多主要是因为氧化钒材料研发最早,技术最为成熟,并且在价格上要低于其他两种技术。在氧化钒材料方面,1992年,Honeywell公司采用微加工技术制造了具有微桥绝热结构的氧化钒阵列器件取得巨大成功,引起了研究者的极大关注。此后,英、法等西方发达国家也相继独立研发并推出了自己的系列产品。非制冷红外焦平面探测器的研制成功使得更多的人投入新材料、新工艺的探索之中,直至今日仍是主流的探测器研究方向。到了近期,氧化钒红外探测器朝着大像素的方向发展,最新的氧化钒探测器具有640×480的分辨率,市场应用产品也呈现出多元化,图3中给出了氧化钒红外探测器的发展过程。但自从2002年以来,市场上出现的以无定型硅(a-Si)为材料所制造的红外传感器被科学家誉为下一代红外探测材料的热门候选材料之一。虽然氧化钒薄膜技术比无定型硅技术要便宜,但无定型硅技术却有着其他两种技术所无法比拟的优势:首先,无定型硅采用硅为原材料,而硅是自然界广泛存在的元素,便于提取利用。第二,无定形硅采用硅为材料,因此更加易于整合进集成电路。第三,无定形硅的电阻严格遵循阿雷尼厄斯定律其中,Ea为无定型硅的禁带宽度。探测器的电阻易于控制,使得用无定形硅所制作的焦平面红外探测器具有较好的像素温度空间均匀性。相比较起国外比较成熟的技术和丰富的研究来说,国内关于VOx和无定型硅的研究要少很多。昆明物理研究所的袁俊利用粒子束增强沉积法,制备出的薄膜电阻为40kΩ,温度系数(TCR)为-2.5%K-1。他还对红外焦平面探测器的一些制作工艺进行了研究。3.2最大噪声信息低温探测器按照探测机理可分为光伏型和光导型。为了使红外探测器工作在最佳状态,必须降低温度使器件暗电流最小,从而使信号免于被巨大的噪声淹没。低温探测器的工作温度通常为液氮沸点:80K。但最近有文献表明,光子探测器的工作温度被提到了200K附近。这无疑为高温光子探测器的研制打下了很好的基础。适用于低温探测器的材料主要有碲镉汞(HgCdTe),量子阱(QWIPs)和基于锡化物的二型超晶格(antimonidebasedtype-11superlattices)。3.2.1镉汞材料的研究碲镉汞材料是被研究得最早的,也是最成功的材料之一。它之所以成功是因为这个材料有三个很明显的优点:1)调节其中的成分比例可以调节探测的波长,波长范围1～30μm。2)本征吸收使得这种探测器具有很高的量子效率。3)内在固有的符合机制使得载流子有较长的寿命,而且工作温度也因此而提高。除了这三个主要优点以外还有其他的一些优良性质,比如较小的介电常数和较高的载流子迁移率。这些优点使得碲镉汞材料成为红外探测器的理想材料。由于碲镉汞外延薄膜生长技术已趋于成熟,用分子束外延(MBE)或金属有机化合物气相沉积(MOVPE)等技术可以制备多层或更加复杂的期间结构,能获得适用于双色、多色红外光电探测器发展需要的碲镉汞多层异质节材料。国际上知名的研究机构有美国DRS、Raytheon、法国Sofradir、英国SELEX和德国AIM等,已研制、生产高水平商用碲镉汞红外焦平面探测器有:长波640×480,中波2048×2048、短波4096×4096、双色1280×720。2008年,英国的SELEX公司报道了硅基HgCdTe双色探测器和砷化镓基HgCdTe三色探测器,硅基双色探测器像素为320×256,中波和长波截止波长分别为5μm和9.5μm,噪声等效温差分别为16.6mK和32.8mK。碲镉汞材料可以制成雪崩二极管,早在1980年,利用碲镉汞材料的雪崩特性制成的用于通信波长(1.3～1.6μm)的探测器就已经出现。碲镉汞晶体特殊的晶格结构使得它可以进行两种模式的无噪声线性雪崩:纯电子形式和纯空穴形式,这两者的转变取决于碲镉汞的组成成分所造成的禁带宽度。最近,CEA-Leti公司成功研制了像素为320×256的光电探测器,其探测元采用的是雪崩原理,工作温度为80K。国内关于碲镉汞材料本身的研究较多,从掺杂、内部能级结构、光学特性等多方面对这个材料进行研究,但很少涉及应用。上海技术物理研究所器件室开发的碲镉汞光电导型芯片作为红外敏感元件,采用了微型热电致冷器制冷,来提供敏感元件与环境的温差。该系列产品中光敏元尺寸有三个系列,分别为0.8mm×0.8mm、0.2mm×0.2mm和0.1mm×0.1mm;系列产品中致冷器尺寸有三个系列,分别为1、2和3级致冷;测温元件有铂电阻和热敏电阻两类。器件响应波段为1～5μm,峰值探测率>5×109cm/W,封装采用F2型管壳,每个器件有一个光敏元,多光敏元器件可以定制。3.2.2长波量子由关键波家的多量消充技术虽然碲镉汞材料有众多优点,但用碲镉汞难以制造大的阵面探测器,碲镉汞由于材料的特殊性质导致的表面漏电流对碲镉汞探测器的性能影响也是比较大的。相比之下,GaAs/AlGaAs量子阱却有自己的优点:第一,它的制造是基于已经成熟的GaAs生长技术,生长均匀,易于控制。第二,产量大,价格低,并且具有更好的热稳定性。为了能够使得砷化镓量子阱探测器能探测中红外部分,需要在里面加一层InGaAs/AlGaAs应变层,InGaAs的堆叠导致了较高的面内压缩应变,加强了响应率。而在长波部分,量子阱探测器却由于效率低下(10%以下)和工作温度低(小于70K)无法和碲镉汞探测器比拟。虽然量子阱探测器有这些缺点,但量子阱探测器较高的阻抗、较快的响应时间和低功耗使得它更适用于大规模集成,易于制造大面积的阵列。2004年和2005年,有研究机构就利用量子阱易于大规模集成的特性制造出了1兆像素的能够探测短中长三个波段的红外探测器,探测器每一个像素元的尺度只有18μm,这种探测器毫无疑问成就了极高的成像质量,中波探测阵列在温度为95K的灵敏度有17mK,长波探测阵列在温度为70K的灵敏度有13mK。这项技术本可以扩展到2K×2K的阵列,但由于读出电路的限制和价格的限制而不能做到这么大的阵列。由于量子阱探测器特殊的探测机理和内部结构,它可以在一次扫描中同时获得两种波长的图像,这就使得量子阱很适合做多色探测器。近期出现了一种对四个波长段敏感的量子阱红外探测器,采用恰当的堆叠结构,这种量子阱红外探测器可以对4～6μm,8.5～10μm,10～12μm和13～415μm的波段进行响应。近期,JetPropulsion实验室新设计了一种多波长量子阱探测器结构,每一个像素元的设计如图4所示,这种探测器和以前同类探测器不同的就是少了一个铟包,从而使得它更容易制造大规模集成的探测器。最近,一个来自中东科技大学的研究小组研制出一种双色探测器,只需要一个铟包,这种结构更加适合大规模集成。国内关于量子阱红外探测器的研究很活跃。2008年,昆明北方红外技术股份有限公司探测器中心的史衍丽,采用n型GaAs/AlGaAs量子阱材料,制备了320×256格式的长波量子阱红外探测器,像元中心距30μm,像元光敏面28μm×28μm,两像元间距2μm,通过对320×256阵列上设计的陪管区进行光电性能测试,平均黑体探测率1.66×109cm.Hz/W-1,响应率89.6mA/W。中科院半导体研究所的王科探索了一种双色探测器的光子晶体光输入耦合层结构的设计思路,使之可对中波/长波或长波双色8/12μm同时提供较高的耦合效率。中科院上海技术物理研究所的齐利芳进行了长波双色AlxGal-xAs/GaAs多量子阱红外探测器单元的设计、制作和测试。器件光敏面面积为300μm×300μm,光吸收峰值波长分别为10.8μm、11.6μm;采用垂直入射光耦合的工作模式,65K温度2V偏压下,两个多量子阱区的暗电流分别为4.23×10-6A、4.19×10-6A;黑体探测率分别为1.5×109cm·Hz1/2/W、6.7×109cm·Hz1/2/W;响应率分别为0.063A/W、0.282A/W。中科院半导体研究所的刘小宇制作了截止波长为11.8μm和14.5μm双色同时响应的量子阱红外探测器,可以同时工作在8～12μm大气窗口和甚长波波段。在77K下测量到很强的光电流谱。器件结构采取了较为简洁的设计,通过适当增大量子阱结构中势阱的宽度和选择合适的掺杂浓度,在同一偏压下实现了对两个波长的同时响应。北京理工大学珠海学院的孙鲁设计出了极化匹配的GaN基量子阱红外探测器。3.2.3超晶体结构/表面粗糙度is/gasb超晶探测器由于量子阱探测器的特殊结构,导致正入射光不能很好地被吸收,导致量子阱探测器的量子效率低下。但锡化物Ⅱ型超晶格却不存在这种问题,它能够很好地吸收正入射光而不需要任何光栅,因此它达到了一个比较高的响应,能和碲镉汞探测器相媲美。除此之外,这种材料还有一些别的优势,比如它制作的探测器是采用光伏原理制成的,较高的工作温度和建立在对III族和Ⅳ族元素处理成熟的技术上。InAs/GalnSb材料系统发展较早,但整个技术的问题主要是在生长、加工、基底准备和器件钝化上。Ⅱ型超晶格易于调整其禁带宽度,可以把它变成一个半金属材料,也可以把他变成一个拥有窄禁带的半导体材料。在超晶格中,电子被束缚在InAs层,而空穴则被束缚在GalnSb层,这种结构就尽量抑制了俄歇复合,使得载流子寿命增大。有文献指出这种新型超晶格比碲镉汞探测器在某些方面更有优势,比如漏电流上更小,均匀性更大,在电学性质上比碲镉汞合金更好,载流子有效质量不直接依赖于带隙能量。这种超晶格中的电子有效质量比碲镉汞合金中的电子有效质量要大些,因此隧道电流也比碲镉汞中的小。关于超晶格中的俄歇复合的问题在上世纪九十年代曾经有过详细的研究。InAs/GaInSb超晶格探测器大多数是基于pin探测器的结构的,本征区夹在两个重掺杂的区域中间,如图5所示,采用分子外延术制造这些层,层生长在没有被掺杂的GaSb基底上,生长温度为673K。在技术上制造这个探测器最大的挑战是生长厚的SLS层并且不使得品质降低。表面钝化也是一个大问题,漏电流就是由于表面的不连续周期性结构引起的。最近得到的比较好的钝化表面是通过电感耦合等离子体干刻然后用聚酰亚胺钝化制成的。国际上,研究Ⅱ型超晶格的主力团队主要有三个:(1)海军实验室/Teledyne成像传感器公司组成的联合团队;(2)喷气推进实验室/雷神组成的联合团队;(3)美国西北大学/MPT技术公司组成的联合团队。在2000～2010年的10年时间内,器件的暗电流降低了三个数量级,成功地研制出256×256小规模长波焦平面器件。国内关于Ⅱ型超晶格的研究也在进行。史衍丽对材料进行优化设计,采用Kronig-Penney模型对材料的能带结构进行了理论计算;同时,利用输运理论的质量和动量平衡方程对材料的光电导特性进行了计算分析,探讨了这类材料进行非制冷探测的优势。中科院半导体研究所的徐应强制造了2～5μmGaAs基与GaSb基InAs/GaSb超晶格红外探测器。在77K温度下,2μm波段GaAs基InAs/GaSb超晶格红外探测器探测率4×109cm·Hz1/2/W,5μm波段GaSb基InAs/GaSb超晶格红外探测器探测率为1.6×1010cm·Hz1/2W。4黑硅对光的作用黑硅是最新的一种光电材料,由硅片在富含硫元素的背景气体下,飞秒激光照射而在表面形成的一种尖峰状的纳米结构。这种结构一经出现便表现出了优良的光电性质:第一,黑硅表面有强烈的陷光性,其表面对光的吸收从可见光一直延伸到近红外光谱区域几乎全部吸收,对可见光的吸收率达到了99%,而对近红外区域的吸收率也达到了90%。第二,在偏置电压下,有光照在黑硅上形成的电流密度比没有光照在黑硅上形成的电流密度要大得多。由于黑硅这些优良性