中远红外焦平面探测器.ppt

1、中远红外焦平面探测器的研究与进展,内容,引言 红外探测器的分类 红外探测器的基本理论 中远红外焦平面探测器 红外探测器的发展历程与应用,1.1 红外光电探测器,红外光电探测器是将接收到的红外辐射量转换成电量(电流或电压)。,Atmosphere Windows 1-3 m (SWIR) : 透射率大于80%，用于光纤通迅 3-5 m (MWIR) :透射率60-70% 8-14 m (LWIR) :透射率80%,引言,电磁波谱图,引言,国外研究现状: 红外焦平面列阵(IRFPA) : 美、法和英等发达国家，基于碲镉汞材料的单色红外焦平面器件的技术已经成熟，以4804元长波和512512元中波为

2、代表的焦平面器件已基本取代了多元光导线列通用组件。 已实现向更大规模的凝视型焦平面列阵探测器、双色探测器的发展，长波器件达到640480元，中、短波达到20482048元的规模。,1.2 红外光电探测器的研究现状,引言,非致冷红外焦平面列阵 目前主要研制铁电型和热敏电阻型焦平面列阵，如以铁电陶瓷制作的384288元的热释电红外探测器；氧化钒热敏电阻制成的非致冷红外焦平面已达到640480元的规模。,国外的研究现状,引言,目前，大多数QWIPs是用GsAs/AlGaAs（中远红外）和InGaAs/InAlAs（近红外）制备的。 美国NASA/ARL 研制的10241024元焦平面，NASA/JP

3、L 研制的640512元四色焦平面，代表了当前的最高研究水平。,量子阱红外焦平面列阵,引言,国外的研究现状,从器件规模上：已经从红外单元器件向大规模红外焦平面阵列探测器发展； 从波段上： 短波13m，中波35m和长波814m都有器件的研制. 从器件的工作温度上：在研制低温下工作的器件同时，发展在室温下工作的非制冷焦平面器件。 上海技术物理研究所对碲镉汞和量子阱红外焦平面探测器件等方面进行了系统研究。,国内目前的研究现状,引言,目前主要研究方向,目前红外光电探测器主要集中在多色红外焦平面列阵、量子阱红外探测器、非制冷红外焦平面探测器、 THz级联激光器和单光子远红外探测器等新型器件的研究。,引言

4、,2. 红外光电探测器的分类,单元器件,线列结构,焦平面,3. 光电探测器的基本理论,3.1 光电探测器的工作原理 3.2 光电探测器的性能参数,3.1 光电探测器的基本工作原理,光子效应对光波频率表现出选择性，其响应速度比较快，灵敏度高。 热效应对光波频率没有选择性，但光谱响应范围较宽且较平坦。,3.1.1 外光电效应: 光电发射效应,载止波长：,为光电子的初动能,hv是入射光子的能量,为光电发射物体的功函数。,当光照射在物体表面上时，物体表面有电子（光电子）逸出的现象，称为光电发射效应。,机理：半导体吸收有足够能量入射的红外光子，产生电子空穴对，使得半导体的电导率增加，对其加一个恒定的偏流

5、，检测电导率的变化。,3.1.2 内光电效应: 光电导效应,hv,hv,+u,光电导：,光电流：,原理：入射光子产生电子空穴对，内部电势垒的内建电场将把电子-空穴对分开，从而在势垒两侧形成电荷堆积，形成光生伏特效应。,3.1.3 内光电效应: 光生伏特效应,+,-,Ei,光照零偏PN结产生开路电压的效应，称为光伏效应。这就是光电池的工作原理。 光照反偏条件下工作时，观测到的光电信号是光电流，而不是光电压，这便是结型光电探测器的工作原理。反偏的PN结通常称为光电二极管。 光伏探测器在理论上能达到的最大探测率比光电导探测器大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。与同样

6、为高阻抗的CMOS读出电路很容易匹配。,利用辐射热效应而引起电阻变化的热探测器应称之为测辐射热计（Bolometer），俗称热敏电阻。,3.1.5 光热效应: 辐射热效应,原理:当两种不同的配偶材料，两端并联熔接时，当光照熔接端（称为电偶接头）时，吸收光能使电偶接头温度升高，电表就有相应的电流读数，电流的数值就间接反映了光照能量的大小。,3.1.6 光热效应: 温差电效应,热释电效应是通过热电材料实现的。热电材料是结晶对称性很差的晶体，该类材料在温度发生变化时，其内部自发极化强度发生改变，会在材料表面呈现出相应于温度变化的面电荷变化。 它是响应与材料的温度变化率，所以比其它热效应的响应速度要快

7、得多，已获得日益广泛的应用。 工作时不用冷却，也不用加偏压，使用方便，光谱响应范围很宽，已广泛用于辐射测量。,3.1.7 光热效应: 热释电效应,3.2 光电探测器的性能参数,量子效率 灵敏度R/响应时间 噪声等效功率NEP 归一化探测度D*,3.2.1 量子效率,在半导体内部，入射光生成的电子-空穴对与入射的光子数量之比。 定义式： 式中P0是入射到探测器表面的光功率，Iph是产生的光电流，hv是入射光子能量。,光谱响应度是光电探测器光电转换特性的量度，定义为输出信号的光电流或电压与入射的辐射光功率。 Ri = Iph/Po A W-1 电流响应度 Ru = Vd/Po V W-1 电压响应

8、度 Iph和Vd 分别指输出信号的光电流和电压，Po入射光功率 Ri = he/hn = hel/hc,3.2.2 光谱响应度和响应时间,响应时间：（上升时间和下降时间） 当探测器的输入光信号为方波时，输出信号的电流从最大值的90%减小到10%所需的时间称为下降时间d，以及从最大值的10%上升到90%所需的时间称为上升时间r。,3.2.3 噪声等效功率NEP,（1）实际上，当P0=0时，光电探测器的输出电流并不为0，这时的电流就称为暗电流in。 （2）NEP用来表征探测器探测能力，定义为相应于单位信噪比的入射光功率： W Vn是指器件输出暗噪声电压的有效值，Ru为电压响应度。 （3）NEP越n

9、小，探测器探测微弱信号的能力越强。,D*与NEP直接相关。 cmHz1/2W-1 式中Aopt为器件受光面积,BW为(噪声)带宽。 D*越大的探测器其探测能力一定好。,3.2.4 归一化探测度D*,4 红外焦平面探测器（IRFPA）,原理：焦平面上排列着感光元件阵列，入射光线经过光学系统成像在系统焦平面的这些感光元件上，探测器将接受到光信号转换为电信号，并通过信号读出电路(包括积分放大、采样保持和多路传输系统)输出形成图像。,IRFPA与单元器件或线列器件相比的优点,集成光电转换和信号读出处理于一体； 由于具有对信号积分累加，因而提高系统的灵敏度和分辨率； 简化信号处理电路，降低对制冷系统的要

10、求，减小系统体积，降低功耗和成本。,IRFPA的分类,结构： 单片式 混合式 光学系统的扫描方式： 扫描型:采用时间延迟积分技术，采用串行方式读取电信号 凝视型:无需延迟积分，速度快，采用并行方式读取电信号。 读出电路 电荷耦合器件（CCD） 金属氧化物半导体场效应管（MOSFET） 电荷注入（CAM） 制冷方式： 制冷型 D*1011 cmHz1/2W-1 ，响应时间us 非制冷型 D*109 cmHz1/2W-1 ，响应时间ms,铟柱将阵列上的每一个红外探测器与多路传输器一对一地准确地配接起来，从而使红外探测器阵列能够和单片式结构相似地将所采集的图像信号通过多路传输器输送出去，完成全部的功

11、能。,第二代光伏型HgCdTe焦平面探测器的两种扫描方式： （a）扫描型 和（b）凝视型,(a),(b),几种材料的红外凝视焦平面阵列元数的增长，及2010年前的变化趋势预测。,几种工作在中远红外探测的材料,Hg1-xCdxTe（MCT）IRFPA,带隙在0.7-25um内可调 直接带隙，吸收系数高； 热膨胀系数与Si膨胀系数相近，而且极易钝化； 用于红外各波段的MCT材料具有接近相同的晶格常数。,MCT材料的特性,能隙,HgTe与CdTe之间的晶格失配小，约为0.3% CdZnTe是与HgCdTe晶格匹配的优质衬底。,Cd0.96Zn0.04Te,HgCdTe可以按任何比例混合，构成一种禁带

12、宽度连续变化的材料，而且工作温度较高，是目前性能最好、使用最广泛也最有发展潜力的半导体红外光电探测器材料。,HgCdTe器件结构,通过铟丘互连的背照式混成HgCdTe焦平面列阵的结构图,The evolution of three generations of HgCdTe IRFPA,HgCdTe Photoconduction(PC),HgCdTe,长波HgCdTe光导型探测器的特性参数： 50-100/cm2 105 V/W at 1 mA bias for a 5050m device. D* about 80% of background limit. Photon noise le

13、vel of a few nV/Hz.,HgCdTe Photovoltaic(PV),HgCdTe PV 探测器的台面刻蚀剖面图。 在透明的CdZnTe衬底上生长n-type HgCdTe，然后再掺杂p+-layer . 表面钝化是为了保护防止表面电荷积累和漏电流 红外光从背面照射进去,The third generation HgCdTe devices,双波段焦平面列阵的每个单元由两个驻并在同一处的探测器组成，截止波长较长的光电二极管是通过外延方法生长在截止波长较短的光电二极管的顶部的，中间用p-tpye隔开。 每个探测器敏感一个不同的谱段，在背面照射的双波段探测器， 截止波长较短的那个

14、光电二极管就相当于截止波长较长的那个光电二极管的一个长波通滤光片。,HgCdTe two-colour detector,波长与相对响应度的曲线图,HgCdTe红外焦平面面临的问题,HgCdTe晶体存在严重的缺点：结构完整性差和合金组分不均匀。 为克服上述缺点，目前应用液相外延（LPE）和分子束外延（MBE）方法制备HgCdTe薄膜材料；用于外延生长的衬底材料有CdZnTe、Si、GaAs。 在低温（50K），HgCdTe材料存在p型掺杂、肖克莱-里德复合、陷阱隧道效应以及表面和界面的不稳定的问题,（1）大面积列阵、小型化、降低价格； （2）双色及多色红外焦平面列阵的发展； （3）高性能的非致

15、冷红外焦平面列阵的发展； （4）红外焦平面技术发展趋势能将红外成像传感器和神经网络信息处理器相结合，具有类似动物眼睛作用的新功能。,HgCdTe红外焦平面列阵的主要发展方向,Quantum Well Infrared Photodetectors （QWIPs）,基本原理： QWIPs是利用掺杂量子阱的导带中形成的子带间跃迁, 将从基态跃迁到第一激发态的电子通过电场作用形成光电流的物理过程，实现对红外辐射的探测。,短波红外:以在InP衬底上生长的InGaAs/InAlAs QWIP为代表 中、长波红外:以GaAs/AlGaAs QWIP为代表，这是目前研究得最多的。,GaAs/AlGaAs Q

16、WIPs,1.424,2.13,利用MBE交替生长作为势阱层的GaAs和势垒层的AlGaAs 通过调节AlxGa1-xAs中Al的组分含量改变量子阱宽度和势垒高度可获得3-20um的响应。,量子阱结构中束缚态上的电子吸收红外光向高能态跃迁，并在电场的作用下输运形成光电流，实现对红外光的探测。,GaAs/AlGaAs QWIPs,量子阱的导带中电子激发跃迁，以及光电流输运过程的示意图。 由N型注入区、多量子阱吸收区和N型收集区组成,N+ GaAs 注入区,N+ GaAs 收集区,1. 从束缚态到束缚态,暗电流较大，后来Choi等人对此结构进行改进，适当地增加势垒的厚度和高度，导致引起暗电流的基态

17、电子隧穿数目减少，从而也提高了探测率。,没有隧穿过程，使有效地收集光电子所需的偏置电压大大降低，暗电流也大幅度减小。 第三种是第一激发态为准束缚态(量子阱顶部 )，这种结构也具有较高的特性。,2. 从束缚态到连续态,QWIP结构设计的主要方面,交替生长作为势阱层和势垒层； 入射光束在量子阱区的路径就尽量平行于量子阱的生长面； 只有当电子吸收光子能量后跃迁到高能态或直接跃迁出量子阱，才能被探测到； 通过改变层材料的特性可以改变阱深和阱宽。,NASA/ARL 联合研制出了当前世界上最大规模的单色量子阱焦平面器件：10241024，阵列中心距18 m，峰值波长8.8 m，截止波长9.2 m，75 K

18、 温度下达到背景限性能。,光耦合方式,波纹耦合方式：利用AlGaAs和空气之间能够发生全反射的原理，使入射光束在量子阱区的路径几乎平行于量子阱的生长面。 提高器件的量子效率 近一半的量子阱被化学刻蚀，降低器件的暗电流 适合于更小的光敏元面积,640512 四色焦平面器件。响应波段为45.5 m，8.510m，1012 m，1315.5 m，由4个128 器件构成.,HgCdTe IRFPA: 本征光吸收过程，光生载流子寿命比QWIPs的子带间跃迁激发要高约三个数量级，因而量子效应高； 吸收系数高； 能适应于更高的工作温度。 QWIPs : 材料稳定性好、抗辐射能力强、均匀性好； 具有高阻抗，更

19、快的响应时间，较长的积分时间和低功耗；,中长波QWIPs Vs. HgCdTe IRFPA,Disadvantages of QWIPS,量子效应较低:子带间的跃迁 器件工作温度低:暗电流和噪声大,Solution,光导器件结构改为光伏器件结构，实现无偏置电压工作，减小暗电流。 撇出功能的实现，通过降低采集信号的暗电流和背景光电流，增加积分时间，同时降低噪声。,法国的Sofradir 通过在探测器部分对每一元同时制作两个QWIP 器件，一个作为参考QWIP器件，实现撇出功能，器件工作温度大大提高。85 K 温度下即获得了65 K 温度下的器件性能，噪声等效温差（NETD）10 mK。,撇出功能

20、的实现,（1）量子阱红外焦平面器件的大面积化及性能的进一步提高。 （2）高温化，降低成本、功耗及系统体积。 （4）双色及多色焦平面。 （5）甚长波红外探测器及其它低维结构（量子点或量子线）的量子器件。,量子阱红外探测器的发展方向,红外探测器的发展历程,最早的红外探测器：1800年W.Herschel发现红外辐射时使用的是水银温度计，这是最原始的热敏型红外探测器。 1830年，L.Nobili利用塞贝克发现的温差电效应制成了“温差电型辐射探测器”。随后S.P.Langley发明了测辐射热计。 1917年，Gase研制了亚硫酸铊探测器，首次利用了红外的光电导效应。,20世纪40 年代以前：研制成的

21、红外探测器主要是热敏型探测器。 20世纪40 年代：光导型红外探测器， 主要为PbS，PbSe及PbTe探测器 20世纪50年代： 用InSb, InAs及Ge:Hg材料。分别应用于波长13m，35m，814m 3个“大气透明窗口”的红外探测。,60年代初，由于激光器的发明和光刻技术的应用，产生了第一个非本征锗掺汞长波线列（1430m），并应用于红外前视系统。 60年代末和70年代初，发展了第一代HgCdTe光导探测器。 1970 年发明了电荷耦合器件CCD ，使得带读出电路的第二代红外焦平面阵列的设想成为现实。,直至80年代，光子探测器如PbS、PbTe、PtSi 和光伏HgCdTe器件均可制成大阵列，并已商品化。 90