16紅外焦平面器件

四、紅外焦平面器件紅外焦平面器件（IRFPA）就是將CCD、CMOS技術(shù)引入紅外波段所形成的新一代紅外探測器，是現(xiàn)代紅外成像系統(tǒng)的關(guān)鍵器件。IRFPA建立在材料、探測器陣列、微電子、互連、封裝等多項(xiàng)技術(shù)基礎(chǔ)之上。IRFPA的工作條件IRFPA通常工作于1?3Pm、3?5Pm和8?12Pm的紅外波段并多數(shù)探測300K背景中的目標(biāo)。典型的紅外成像條件是在300K背景中探測溫度變化為0.1K的目標(biāo)。用普朗克定律計(jì)算的各個(gè)紅外波段300K背景的光譜輻射光子密度：波長/Pm1?33?58?12300K背景輻射光子通量密度/光子/（cm2?s）710127101671017光積分時(shí)間（飽和時(shí)間）/Ps10610210對比度（300K背景）/（%）7107371隨波長的變長，背景輻射的光子密度增加。通常光子密度高于1013/cm2s的背景稱為高背景條件，因此3?5Pm或8?12Pm波段的室溫背景為高背景條件。上表同時(shí)列出了各個(gè)波段的輻射對比度，其定義為：背景溫度變化1K所引起光子通量變化與整個(gè)光子通量的比值。它隨波長增長而減小。IRFPA工作條件：高背景、低對比度IRFPA的分類按照結(jié)構(gòu)可分為單片式和混合式1按照光學(xué)系統(tǒng)掃描方式可分為掃描型和凝視型按照讀出電路可分為CCD、MOSFET和CID等類型按照制冷方式可分為制冷型和非制冷型按照響應(yīng)波段與材料可分為1?3Pm波段（代表材料HgCdTe一碲鎘汞）3?5Pm波段（代表材料HgCdTe、InSb一銻化錮和PtSi一硅化粕）8?12Pm波段（代表材料HgCdTe）。IRFPA的結(jié)構(gòu)IRFPA由紅外光敏部分和信號(hào)處理部分組成。紅外光敏部分——材料的紅外光譜響應(yīng)信號(hào)處理部分一一有利于電荷的存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)移目前沒有能同時(shí)很好地滿足二者要求的材料一一IRFPA結(jié)構(gòu)多樣性（1）單片式IRFPA單片式IRFPA主要有三種類型：非本征硅單片式IRFPA主要缺點(diǎn)是：要求制冷，工作于8?14Pm的器件要制冷到15?30K,工作于3?5Pm波段的器件要制冷到40?65K；量子效率低，通常為5%?30%；由于摻雜濃度的不均勻，使器件的響應(yīng)度均勻性較差。本征單片式IRFPA將紅外光敏部分與轉(zhuǎn)移部分同作在一塊窄禁帶寬度的本征半導(dǎo)體材料上。目前受重視的材料是HgCdTe。優(yōu)點(diǎn)：量子效率較高。缺點(diǎn)：是轉(zhuǎn)移效率低（〃=0.9）,響應(yīng)均勻性差，且由于窄禁帶材料的隧道效應(yīng)限制了外加電壓的幅度，則表面勢不大，因此存儲(chǔ)容量較小。肖特基勢壘單片式IRFPA基于肖特基勢壘的光電子發(fā)射效應(yīng)，在同一硅襯底上制作可響應(yīng)紅外輻射的肖特基勢壘陣列及信號(hào)轉(zhuǎn)移部分。肖特基勢壘單片式IRFPA目前受重視的材料是PtSi。優(yōu)點(diǎn)：因光激發(fā)過程取決于金屬中的吸收，所以響應(yīng)度均勻性較好；采用的硅襯底可制成高性能的CCD轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)。缺點(diǎn)：量子效率比較低。(2)混合式IRFPA混合式IRFPA的探測器陣列采用窄禁帶本征半導(dǎo)體材料制作，電荷轉(zhuǎn)移部分用硅材料。直接注入方式是將探測器陣列與轉(zhuǎn)移部分直接用導(dǎo)線相連。間接注入方式是通過緩沖級（有源網(wǎng)絡(luò)）進(jìn)行連接。探測器陣列與轉(zhuǎn)移部分的連接大多采用倒裝式：4.典型的IRFPAInSbIRFPAInSb是一種比較成熟的中波紅外探測器材料。InSbIRFPA是在InSb光伏型探測器基礎(chǔ)上，采用多元器件工藝制成焦平面陣列，然后與信號(hào)處理電路進(jìn)行混合集成。已研制了采用前光照結(jié)構(gòu)的1X32、1X128、1X256、1X512的線列IRFPA和背光照結(jié)構(gòu)的58X62、128X128、256X256、640X480、1024X1024的面陣IRFPA。HgCdTeIRFPAHgCdTe材料是目前最重要的紅外探測器材料，研制與發(fā)展HgCdTeIRFPA是目前的主攻方向。通常HgCdTeIRFPA是由HgCdTe光伏探測器陣列和CCD或MOSFET讀出電路通過錮柱互連而組成混合式結(jié)構(gòu)。目前已研制了用于空間成像光譜儀的1024X1024短波（1?2.5pm）HgCdTeIRFPA,用于戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈尋的器和戰(zhàn)略預(yù)警、監(jiān)視系統(tǒng)的640X480的中波HgCdTeIRFPA及應(yīng)用十分廣泛的8?12Pm的長波HgCdTeIRFPA。目前4N系列（4X288、4X480、4X960）的掃描型和64X64、128X128、640X480凝視型的HgCdTeIRFPA已批量生產(chǎn)。HgCdTeIRFPA的像素目前可作到18X18pm2。（3）硅肖特基勢壘IRFPA硅肖特基勢壘IRFPA目前已被廣泛應(yīng)用于近紅外與中紅外波段的熱成像，它是目前唯一利用已成熟的硅超大規(guī)模集成電路技術(shù)制造的紅外傳感器，代表了當(dāng)今應(yīng)用于中紅外波段的大面陣、高密度IRFPA的最成熟工藝。已實(shí)現(xiàn)了256X256、512X512、640X480、1024X1024、1968X1968等多種型號(hào)的器件。硅肖特基勢壘IRFPA的像素目前可作到17X17Pm2。（4）非制冷IRFPA早在70年代就開始著手發(fā)展非制冷IRFPA,1979年美國得克薩斯儀器公司曾演示了100X100元的鈮酸鍶鋇（SBN）熱釋電探測器陣列。目前主要研究開發(fā)的材料是氧化帆。。2）、硅、多晶硅和非晶硅等。非制冷IRFPA的像素目前可作到28X28pm2。（5）多量子阱（MQW）IRFPA70年代由于一些先進(jìn)的晶體材料外延工藝，例如金屬有機(jī)汽相沉積（MOCVD）和分子束外延（MBE）的出現(xiàn)，人們選擇一定的襯底材料，用這兩種工藝在襯底上依次交替地淀積兩種不同半導(dǎo)體A和B薄層，形成ABABA…或其他周期性結(jié)構(gòu)，薄層的厚度從幾個(gè)到幾十個(gè)原子層，形成一種完全新穎的材料，稱為超晶格材料，其性質(zhì)取決于A和B的性質(zhì)及它們的層厚。由于A和B及它們的厚度可有很大的選擇余地，因而人為地創(chuàng)造了一大類具有與原材料完全不同特性的材料。目前根據(jù)A和B兩種材料能帶的差別，分為i、n、ni類三種超晶格材料。其中發(fā)展最快的為I類AlGaAs/GaAs超晶格材料，其中AlGaAs為勢壘，GaAs為勢阱，當(dāng)勢壘高度較高、較厚時(shí)，電子的運(yùn)動(dòng)被限制在勢阱中，這種情況下的超晶格材料稱為量子阱（QW）材料。如果有很多相同量子阱疊加就組成了多量子阱（MQW）材料