16红外焦平面器件

1、四、红外焦平面器件红外焦平面器件（IRFPA）就是将CCD CMO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13卩m35卩m和812卩m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/ i m1335812300K背景辐射光子通量密度/光子/ （cm s）10121016.J10光积分时间（饱和时间）/1 s1061

2、0210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1013/cms的背景称为高背景条件，因此35 1 m 或8121 m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 CCDMOSFE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13卩m波段（代表材料HgCdT碲镉汞

3、）35卩m波段（代表材料HgCdTe InSb锑化铟 和 PtSi 硅化铂）812卩m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一一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814卩m的器件要制冷到15 30K,工作于35 m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。

4、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（n = 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专移机构金属缺点：量子效率比较低。* Eo!&qu

5、ot;三二卫_Eo肖特基势臺电极转移糊转移国电极/_ZL（说）p Si绝缘展光生电荷金匡半导体It(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 1X 32、1X

6、128、1X 256、1X 512的线 列 IRFPA和背光照结构的 58X62、128X 128、256X 256、640X480、1024 X 1024 的面阵 IRFPA(2) HgCdTeIRFPAHgCdTe材料是目前最重要的红外探测器材料，研制与发展HgCdTeIRFPA是目前的主攻方向。通常HgCdTeIRFPA是由HgCdT光伏探测器阵列和 CCD或 MOSFE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 1024X1024短波（12.5卩m） HgCdTe IRFPA用于战术导弹寻的器和战略预警、监视系统的 640X480 的中波HgCdTeIRF

7、PA及应用十分广泛的 812卩m的长波HgCdTeIRFPA。 目前 4N系列（4X 288、4X 480、4X 960）的扫描型和 64X 64、128X 128、 640X 480凝视型的HgCdTe IRFPA已批量生产。HgCdTe IRFPA的像素目前可作到18X 18 m。（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 256X256、 512X512、 640X480、 1024X102

8、4、 1968 X 1968等多种型号的器件。硅肖特基势垒IRFPA的像素目前可作到17X 17 卩 m。（4）非制冷 IRFPA早在 70 年代就开始着手发展非制冷 IRFPA， 1 979年美国得克萨斯仪 器公司曾演示了 100X 100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（VO）、硅、多晶硅和非晶硅等。非制冷 IRFPA的像素目前可作到28X 28卩mt（5）多量子阱（ MQWIRFPA70 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I、"、皿类三种超晶格材料。其中发展最快的 为I类AIGaAs/GaAs超晶格材料，其中AIGaAs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（