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紅外探測器的進(jìn)展
日期:2024-11-23 01:14
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摘要:
摘要:紅外探測器的發(fā)展基礎(chǔ)是物理學(xué)和技術(shù)科學(xué)的進(jìn)展。HgCdTe FPA和非制冷焦平面陣列 ,裝備和廣闊的民用市場需求推動探測器技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展。
1 前言
所有物體均發(fā)射與其溫度和特性相關(guān)的熱輻射,環(huán)境溫度附近物體的熱輻射大多位于紅外波段。紅外輻射占據(jù)相當(dāng)寬的電磁波段(0.8μm~1000μm)??芍t外輻射提供了客觀世界的豐富信息,充分利用這些信息是人們追求的目標(biāo)。將不可見的紅外輻射轉(zhuǎn)換成可測量的信號的器件就是紅外探測器。探測器作為紅外整機(jī)系統(tǒng)的核心關(guān)鍵部件,探測、識別和分析紅外信息并加以控制。熱成像是紅外技術(shù)的一個重要方面,得到了廣泛應(yīng)用,首要的當(dāng)屬應(yīng)用。反之,由于應(yīng)用的驅(qū)使,紅外探測器的研究、開發(fā)乃至生產(chǎn),越來越受重視而得以長足發(fā)展。1800年Herschel發(fā)現(xiàn)太陽光譜中的紅外線用的涂黑水銀溫度計為*早的紅外探測器,此后,尤其是二次大戰(zhàn)以來,不斷出現(xiàn)新器件?,F(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)展提供紅外探測器研制的廣闊天地,高性能新型探測器層出不窮。今天的探測器制備已成為涉及物理、材料等基礎(chǔ)科學(xué)和光、機(jī)、微電子和計算機(jī)等多領(lǐng)域的綜合科學(xué)技術(shù)。
2 物理學(xué)的進(jìn)展是紅外探測器的基礎(chǔ)
紅外輻射與物質(zhì)(材料)相互作用產(chǎn)生各種效應(yīng)。100多年來,從經(jīng)典物理到20世紀(jì)開創(chuàng)的近代物理,特別是量子力學(xué)、半導(dǎo)體物理等學(xué)科的創(chuàng)立,到現(xiàn)代的介觀物理、低維結(jié)構(gòu)物理等等,有許多而且越來越多可用于紅外探測的物理現(xiàn)象和效應(yīng)。
2.1 熱探測器
熱輻射引起材料溫度變化產(chǎn)生可度量的輸出。有多種熱效應(yīng)可用于紅外探測器。
(1)熱脹冷縮效應(yīng)的液態(tài)的水銀溫度計、氣態(tài)的高萊池(Golay cell);
(2)溫差電(Seebeck)效應(yīng)??勺龀蔁犭娕己蜔犭姸眩饕糜跍y量儀器。
(3)共振頻率對溫度的敏感可制作石英共振器非致冷紅外成像陣列。
(4)材料的電阻或介電常數(shù)的熱敏效應(yīng)--輻射引起溫升改變材料電阻用以探測熱輻射-測輻射熱計(Bolometer):半導(dǎo)體有高的溫度系數(shù)而應(yīng)用*多,常稱"熱敏電阻"。利用轉(zhuǎn)變溫度附近電阻巨變的超導(dǎo)探測器引起重視。如果室溫度超導(dǎo)成為現(xiàn)實,將是21世紀(jì)*引人注目的探測器。
(5)熱釋電效應(yīng):快速溫度變化使晶體自發(fā)極化強(qiáng)度改變,表面電荷發(fā)生變化,可作成熱釋電探測器。
熱探測器一般不需致冷(超導(dǎo)除外)而易于使用、維護(hù),可靠性好;光譜響應(yīng)與波長無關(guān),為無選擇性探測器;制備工藝相對簡易,成本較低。但靈敏度低,響應(yīng)速度慢。熱探測器性能限制的主要因素是熱絕緣的設(shè)計問題。
2.2 光電探測器
紅外輻射光子在半導(dǎo)體材料中激發(fā)非平衡載流子(電子或空穴),引起電學(xué)性能變化。因為載流子不逸出體外,所以稱內(nèi)光電效應(yīng)。量子光電效應(yīng)靈敏度高,響應(yīng)速度比熱探測器快得多,是選擇性探測器。為了達(dá)到*佳性能,一般都需要在低溫下工作。光電探測器可分為:
(1)光導(dǎo)型:又稱光敏電阻。入射光子激發(fā)均勻半導(dǎo)體中的價帶電子越過禁帶進(jìn)入導(dǎo)帶并在價帶留下空穴,引起電導(dǎo)增加,為本征光電導(dǎo)。從禁帶中的雜質(zhì)能級也可激發(fā)光生載流子進(jìn)入導(dǎo)帶或價帶,為雜質(zhì)光電導(dǎo)。截止波長由雜質(zhì)電離能決定。量子效率低于本征光導(dǎo),而且要求更低的工作溫度。
(2)光伏型:主要是p-n結(jié)的光生伏特效應(yīng)。能量大于禁帶寬度的紅外光子在結(jié)區(qū)及其附近激發(fā)電子空穴對。存在的結(jié)電場使空穴進(jìn)入p區(qū),電子進(jìn)入n區(qū),兩部分出現(xiàn)電位差。外電路就有電壓或電流信號。與光導(dǎo)探測器比較,光伏探測器背影限探測率大于40%;不需要外加偏置電場和負(fù)載電阻,不消耗功率,有高的阻抗。這些特性給制備和使用焦平面陣列帶來很大好處。
(3)光發(fā)射-Schottky勢壘探測器:金屬和半導(dǎo)體接觸,典型的有PtSi/Si結(jié)構(gòu),形成Schott ky勢壘,紅外光子透過Si層為PtSi吸收,電子獲得能量躍上Fermi能級,留下空穴越過勢壘進(jìn)入Si襯底,PtSi層的電子被收集,完成紅外探測。充分利用Si集成技術(shù),便于制作,具有成本低、均勻性好等優(yōu)勢,可做成大規(guī)模(1024×1024甚至更大)焦平面陣列來彌補(bǔ)量子效率低的缺陷。有嚴(yán)格的低溫要求。用這類探測器,國內(nèi)外已生產(chǎn)出具有像質(zhì)良好的熱像儀。Pt Si/Si結(jié)構(gòu)FPA是*早制成的IRFPA。
(4)量子阱探測器(QWIP):將兩種半導(dǎo)體材料A和B用人工方法薄層交替生長形成超晶格,在其界面,能帶有突變。電子和空穴被限制在低勢能阱A層內(nèi),能量量子化,稱為量子阱。利用量子阱中能級電子躍遷原理可以做紅外探測器。90年代以來發(fā)展很快,已有512×512、64 0×480規(guī)模的QWIP GaAs/AlGaAs焦平面制成相應(yīng)的熱像儀誕生。因為入射輻射中只有垂直于超晶格生長面的電極化矢量起作用,光子利用率低;量子阱中基態(tài)電子濃度受摻雜限制,量子效率不高;響應(yīng)光譜區(qū)窄;低溫要求苛刻。人們正深入研究努力加以改進(jìn),可望與碲鎘汞探測器一爭高低。
3 新技術(shù)飛速發(fā)展促進(jìn)紅外探測器更新?lián)Q代
60年代以前多為單元探測器掃描成像,但靈敏度低,二維掃描系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜笨重。增加探測元,例如有N元組成的探測器,靈敏度增加N1/2倍,一個M×N陣列,靈敏度增長(M×N)1/2倍。元數(shù)增加還將簡化光機(jī)掃描機(jī)構(gòu),大規(guī)模凝視焦平面陣列,不再需要光機(jī)掃描,大大簡化整機(jī)系統(tǒng)?,F(xiàn)代探測器技術(shù)進(jìn)入**、第三代,重要標(biāo)志之一就是元數(shù)大大增加。另一方面是開發(fā)同時覆蓋兩個波段以上的雙色和多光譜探測器。所有進(jìn)展都離不開新技術(shù)特別是半導(dǎo)體技術(shù)的開發(fā)和進(jìn)步。幾項具有里程碑意義的技術(shù)有:
(1)半導(dǎo)體精密光刻技術(shù)
使探測器技術(shù)由單元向多元線列探測器迅速發(fā)展,即后來稱為**代探測器。
(2)Si集成電路技術(shù)
Si讀出電路與光敏元大面陣耦合,誕生了所謂**代的大規(guī)模紅外焦平面陣列探測器 。更進(jìn)一步有Z平面和靈巧型智能探測器等新品種。此項技術(shù)還誘導(dǎo)產(chǎn)生非制冷焦平面陣列 ,使一度冷落的熱探測器重現(xiàn)勃勃生機(jī)。
(3)先進(jìn)的薄層材料生長技術(shù)
分子束外延、金屬有機(jī)化學(xué)汽相淀積和液相外延等技術(shù)可重復(fù)、精密控制生長大面積高度均勻材料,使制備大規(guī)模紅外焦平面陣列成為可能。也是量子阱探測器出現(xiàn)的前提。
(4)微型制冷技術(shù)
高性能探測器低溫要求驅(qū)動微型制冷機(jī)的開發(fā),制冷技術(shù)又促進(jìn)了探測器的研制和應(yīng)用。
我國紅外探測器研制從1958年開始,至今已40多年。先后研制過PbS、PbSe、Ge:Au、Ge:Hg 、InSb、PbSnTe、HgCdTe、PtSi/Si、GaAs/AlGaAs量子阱和熱釋電探測器等。 隨著低維材料出現(xiàn),納米電子學(xué)、光電一體化等技術(shù)日新月異,21世紀(jì)紅外探測器必有** 性的進(jìn)展。物理學(xué)及材料科學(xué)是現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展的主要基礎(chǔ),現(xiàn)代技術(shù)飛速發(fā)展對物理學(xué)研究 又有巨大的反作用。
4 高性能紅外探測器-碲鎘汞探測器
1959年,英國Lawson等首先制成可變帶隙Hg1-xCdxTe固溶體合金,提供了紅外探測器設(shè)計**的自由度。碲鎘汞有三大優(yōu)勢:1)本征激發(fā)、高的吸收系數(shù)和高的量子效率(可超過80%)且有高的探測率;2)其*吸引人的特性是改變Hg、Cd配比調(diào)節(jié)響應(yīng)波段,可以工作在各個紅外光譜區(qū)段并獲得*佳性能。而且晶格參數(shù)幾乎恒定不變,對制備復(fù)合禁帶異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)新器件特別重要,3)同樣的響應(yīng)波段,工作溫度較高,可工作的溫度范圍也較寬。碲鎘汞中,弱Hg-Te鍵(比Cd-Te鍵弱約30%),可通過熱處理或特定途徑形成P或N型,并可完成轉(zhuǎn)型。其電學(xué)性質(zhì)如1載流子濃度低,2少數(shù)載流子壽命長,3電子空穴有效質(zhì)量比大(~10.0),電子遷移率高,4介電常數(shù)小等有利于探測器性能。
**代碲鎘汞探測器主要是多元光導(dǎo)型,美國采用60、120和180元光導(dǎo)探測器作為熱像儀通用組件,英國則以70年代中期開發(fā)的SPRITE為通用組件。SPRITE是一種三電極光導(dǎo)器件,利用半導(dǎo)體中非平衡載流子掃出效應(yīng),當(dāng)光點(diǎn)掃描速度與載流子雙極漂移速度匹配,使探測器在完成輻射探測的同時實現(xiàn)信號的時間延遲積分功能。8條SPRIET的性能可相當(dāng)100元以上的多元探測器。結(jié)構(gòu)、制備工藝和后續(xù)電子學(xué)大大簡化?,F(xiàn)有技術(shù)又克服了高光機(jī)掃描速度和空間分辨率受限制等兩個缺陷。1992年誕生了**臺國產(chǎn)化通用組件高性能熱像儀,SPRITE探測器研制成功是關(guān)鍵。到90年代初,**代碲鎘汞光導(dǎo)探測器紛紛完成技術(shù)鑒定,性能達(dá)到世界先進(jìn)水平。兵器工業(yè)211所的SPRITE、32和60元探測器已實用化并投入批量生產(chǎn),規(guī)模和市場不斷擴(kuò)大。國外在80年代就已大批量生產(chǎn)。
由于電極、杜瓦瓶設(shè)計和制冷機(jī)方面的重重困難,**代碲鎘汞探測器元數(shù)一般無法超過200。大的碲鎘汞光敏陣列和Si讀出集成電路分別制備并*佳化,然后兩者進(jìn)行電學(xué)耦合和機(jī)械聯(lián)結(jié)形成混合式焦平面陣列,就是**代碲鎘汞探測器。目前國際上已研制出256×256甚至640×480規(guī)模的長波IRFPA。中波紅外已有用于天文的1024×1024的規(guī)模,現(xiàn)階段典型產(chǎn)品是法國的4N系列288×4掃描式FPA。國內(nèi)仍處于研制開發(fā)階段。
晶體碲鎘汞材料也有鮮明的弱勢:1相圖液線和固線分離大,分凝引起徑向、縱向組分不均勻;2**g壓使大直徑晶體生長困難,晶格結(jié)構(gòu)完整性差;3重復(fù)生產(chǎn)成品率低。薄膜材料的困難在于難以獲得理想的CdZnTe襯底材料。人們致力于研究替代襯底,如PACE(Producible Alternative to CdTe for Epitaxy )- I ( HgCdTe / CdTe/ 寶石),PACE-II(HgCdTe/C dTe/GaAs)和PACE-III(HgCdTe/CdTe/Si)。日本和法國還報道Ge襯底,目標(biāo)是與MCT的晶格 匹配并有利于與Si讀出線路的耦合。
上等碲鎘汞材料制備困難、均勻性差、器件工藝特殊,成品率低,因而成本高一直是困擾碲鎘汞IRFPA的主要障礙。人們始終沒有放棄尋找材料的努力,但迄今還沒有一種新材料能超過碲鎘汞的基本優(yōu)點(diǎn)。為滿足應(yīng)用更高的性能要求,碲鎘汞FPA仍然是優(yōu)選探測器。
5 非致冷焦平面陣列 (UFPA)紅外探測器
非制冷焦平面陣列省去了昂貴的低溫制冷系統(tǒng)和復(fù)雜的掃描裝置,敏感器件以熱探測器為主。突破了歷來熱像儀成本高昂的障礙,"使傳感器領(lǐng)域發(fā)生變革"。另外,它的可靠性也大大提高、維護(hù)簡單、工作壽命延長,因為低溫制冷系統(tǒng)和復(fù)雜掃描裝置常常是紅外系統(tǒng)的故障源。非致冷探測器的靈敏度(D)比低溫碲鎘汞要小1個量級以上,但是以大的焦平面陣列來彌補(bǔ),便可和**代MCT探測器爭雄。對許多應(yīng)用,特別是監(jiān)視與夜視而言已經(jīng)足夠。廣闊的準(zhǔn)和民用市場更是它施展拳腳的領(lǐng)域。為避免大量投資,把硅集成電路工藝引入低成本、非制冷紅外探測器開發(fā)生產(chǎn),制造大型高密度陣列和推進(jìn)系統(tǒng)集成化的信號處理,即大規(guī)模焦平面陣列技術(shù),潛力十分巨大。正因為如此,單元性能較低的熱電探測器又重新引人注目,而且可能成為21世紀(jì)*具競爭力的探測器之一。目前發(fā)展*快、前景看好的有兩類UFPA:
(1)熱釋電FPA。熱釋電探測器的研究早在60年代和70年代就頗為盛行,有過多種材料,較新型的有鈦酸鍶鋇(BST)陶瓷和鈦酸鈧鉛(PST)等。美國TI公司推出的328×240鈦酸鍶鋇(BST)FPA已形成產(chǎn)品,NETD優(yōu)于0.1K,有多種應(yīng)用。計劃中還有640×480的FPA,發(fā)展趨勢是將鐵電材料薄膜淀積于硅片上,制成單片式熱釋電焦平面,有很高的潛在性能,可望實現(xiàn)1000×1000陣列的上等成像。
(2)微測輻射熱計(Microbolometer)。它是在IC-CMOS硅片上以淀積技術(shù),用Si3N4支撐有高電阻溫度系數(shù)和高電阻率的熱敏電阻材料VOx或α-Si,做成微橋結(jié)構(gòu)器件(單片式FPA)。接收熱輻射引起溫度變化而改變阻值,直流耦合無須斬波器,僅需一半導(dǎo)體制冷器保持其穩(wěn)定的工作溫度。90年代初,由Honeywell公司首先開發(fā),研制成工作在8μm~14μm的320×240 UFPA,并以此制成實用的熱像系統(tǒng),NETD已達(dá)到0.1K以下,可望在近期達(dá)到0.02K。此類FPA90年代發(fā)展神速,成為熱點(diǎn)。與熱釋電UFPA比較,微測輻射熱計采用硅集成工藝,制造成本低廉;有好的線性響應(yīng)和高的動態(tài)范圍;像元間好的絕緣而有低的串音和圖像模糊;低的1/f噪聲;以及高的幀速和潛在高靈敏度(理論NETD可達(dá)0.01K)。其偏置功率受耗散功率限制和大的噪聲帶寬不足以與熱釋電相比。
6 紅外探測器技術(shù)的發(fā)展
歷史上,紅外探測器的發(fā)展得益于戰(zhàn)爭尤其是二次大戰(zhàn)的刺激。隨后的冷戰(zhàn)時期,到現(xiàn)今的局部戰(zhàn)爭,人們不斷加深對紅外探測器重要性的認(rèn)識。至今,應(yīng)用仍占整個紅外敏感器市場的75%。更高的性能指標(biāo)和降低成本對紅外技術(shù)提出了愈來愈高的要求。由于民用需求的急劇增長,應(yīng)用的比例正在穩(wěn)步減小。據(jù)美國市場調(diào)查,到2002年應(yīng)用將下降到50%以下。今后焦平面紅外圖像系統(tǒng)及傳感器的需求量會繼續(xù)增長,年增長率將達(dá)29%。應(yīng)用中的商用成品有望每年增加15%。估計增長*快的將是非制冷焦平面系統(tǒng),年增長率將超過60%。2002年美國紅外技術(shù)市場將達(dá)到12億美元。據(jù)中國光學(xué)學(xué)會預(yù)測,今后 5年,我國熱像設(shè)備總數(shù)在4萬臺左右,而年自產(chǎn)不足500臺。所有這些,勢必使21世紀(jì)的紅外科學(xué)技術(shù)加速開拓前進(jìn),首先是紅外探測器技術(shù)的突飛猛進(jìn)。
1 前言
所有物體均發(fā)射與其溫度和特性相關(guān)的熱輻射,環(huán)境溫度附近物體的熱輻射大多位于紅外波段。紅外輻射占據(jù)相當(dāng)寬的電磁波段(0.8μm~1000μm)??芍t外輻射提供了客觀世界的豐富信息,充分利用這些信息是人們追求的目標(biāo)。將不可見的紅外輻射轉(zhuǎn)換成可測量的信號的器件就是紅外探測器。探測器作為紅外整機(jī)系統(tǒng)的核心關(guān)鍵部件,探測、識別和分析紅外信息并加以控制。熱成像是紅外技術(shù)的一個重要方面,得到了廣泛應(yīng)用,首要的當(dāng)屬應(yīng)用。反之,由于應(yīng)用的驅(qū)使,紅外探測器的研究、開發(fā)乃至生產(chǎn),越來越受重視而得以長足發(fā)展。1800年Herschel發(fā)現(xiàn)太陽光譜中的紅外線用的涂黑水銀溫度計為*早的紅外探測器,此后,尤其是二次大戰(zhàn)以來,不斷出現(xiàn)新器件?,F(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)展提供紅外探測器研制的廣闊天地,高性能新型探測器層出不窮。今天的探測器制備已成為涉及物理、材料等基礎(chǔ)科學(xué)和光、機(jī)、微電子和計算機(jī)等多領(lǐng)域的綜合科學(xué)技術(shù)。
2 物理學(xué)的進(jìn)展是紅外探測器的基礎(chǔ)
紅外輻射與物質(zhì)(材料)相互作用產(chǎn)生各種效應(yīng)。100多年來,從經(jīng)典物理到20世紀(jì)開創(chuàng)的近代物理,特別是量子力學(xué)、半導(dǎo)體物理等學(xué)科的創(chuàng)立,到現(xiàn)代的介觀物理、低維結(jié)構(gòu)物理等等,有許多而且越來越多可用于紅外探測的物理現(xiàn)象和效應(yīng)。
2.1 熱探測器
熱輻射引起材料溫度變化產(chǎn)生可度量的輸出。有多種熱效應(yīng)可用于紅外探測器。
(1)熱脹冷縮效應(yīng)的液態(tài)的水銀溫度計、氣態(tài)的高萊池(Golay cell);
(2)溫差電(Seebeck)效應(yīng)??勺龀蔁犭娕己蜔犭姸眩饕糜跍y量儀器。
(3)共振頻率對溫度的敏感可制作石英共振器非致冷紅外成像陣列。
(4)材料的電阻或介電常數(shù)的熱敏效應(yīng)--輻射引起溫升改變材料電阻用以探測熱輻射-測輻射熱計(Bolometer):半導(dǎo)體有高的溫度系數(shù)而應(yīng)用*多,常稱"熱敏電阻"。利用轉(zhuǎn)變溫度附近電阻巨變的超導(dǎo)探測器引起重視。如果室溫度超導(dǎo)成為現(xiàn)實,將是21世紀(jì)*引人注目的探測器。
(5)熱釋電效應(yīng):快速溫度變化使晶體自發(fā)極化強(qiáng)度改變,表面電荷發(fā)生變化,可作成熱釋電探測器。
熱探測器一般不需致冷(超導(dǎo)除外)而易于使用、維護(hù),可靠性好;光譜響應(yīng)與波長無關(guān),為無選擇性探測器;制備工藝相對簡易,成本較低。但靈敏度低,響應(yīng)速度慢。熱探測器性能限制的主要因素是熱絕緣的設(shè)計問題。
2.2 光電探測器
紅外輻射光子在半導(dǎo)體材料中激發(fā)非平衡載流子(電子或空穴),引起電學(xué)性能變化。因為載流子不逸出體外,所以稱內(nèi)光電效應(yīng)。量子光電效應(yīng)靈敏度高,響應(yīng)速度比熱探測器快得多,是選擇性探測器。為了達(dá)到*佳性能,一般都需要在低溫下工作。光電探測器可分為:
(1)光導(dǎo)型:又稱光敏電阻。入射光子激發(fā)均勻半導(dǎo)體中的價帶電子越過禁帶進(jìn)入導(dǎo)帶并在價帶留下空穴,引起電導(dǎo)增加,為本征光電導(dǎo)。從禁帶中的雜質(zhì)能級也可激發(fā)光生載流子進(jìn)入導(dǎo)帶或價帶,為雜質(zhì)光電導(dǎo)。截止波長由雜質(zhì)電離能決定。量子效率低于本征光導(dǎo),而且要求更低的工作溫度。
(2)光伏型:主要是p-n結(jié)的光生伏特效應(yīng)。能量大于禁帶寬度的紅外光子在結(jié)區(qū)及其附近激發(fā)電子空穴對。存在的結(jié)電場使空穴進(jìn)入p區(qū),電子進(jìn)入n區(qū),兩部分出現(xiàn)電位差。外電路就有電壓或電流信號。與光導(dǎo)探測器比較,光伏探測器背影限探測率大于40%;不需要外加偏置電場和負(fù)載電阻,不消耗功率,有高的阻抗。這些特性給制備和使用焦平面陣列帶來很大好處。
(3)光發(fā)射-Schottky勢壘探測器:金屬和半導(dǎo)體接觸,典型的有PtSi/Si結(jié)構(gòu),形成Schott ky勢壘,紅外光子透過Si層為PtSi吸收,電子獲得能量躍上Fermi能級,留下空穴越過勢壘進(jìn)入Si襯底,PtSi層的電子被收集,完成紅外探測。充分利用Si集成技術(shù),便于制作,具有成本低、均勻性好等優(yōu)勢,可做成大規(guī)模(1024×1024甚至更大)焦平面陣列來彌補(bǔ)量子效率低的缺陷。有嚴(yán)格的低溫要求。用這類探測器,國內(nèi)外已生產(chǎn)出具有像質(zhì)良好的熱像儀。Pt Si/Si結(jié)構(gòu)FPA是*早制成的IRFPA。
(4)量子阱探測器(QWIP):將兩種半導(dǎo)體材料A和B用人工方法薄層交替生長形成超晶格,在其界面,能帶有突變。電子和空穴被限制在低勢能阱A層內(nèi),能量量子化,稱為量子阱。利用量子阱中能級電子躍遷原理可以做紅外探測器。90年代以來發(fā)展很快,已有512×512、64 0×480規(guī)模的QWIP GaAs/AlGaAs焦平面制成相應(yīng)的熱像儀誕生。因為入射輻射中只有垂直于超晶格生長面的電極化矢量起作用,光子利用率低;量子阱中基態(tài)電子濃度受摻雜限制,量子效率不高;響應(yīng)光譜區(qū)窄;低溫要求苛刻。人們正深入研究努力加以改進(jìn),可望與碲鎘汞探測器一爭高低。
3 新技術(shù)飛速發(fā)展促進(jìn)紅外探測器更新?lián)Q代
60年代以前多為單元探測器掃描成像,但靈敏度低,二維掃描系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜笨重。增加探測元,例如有N元組成的探測器,靈敏度增加N1/2倍,一個M×N陣列,靈敏度增長(M×N)1/2倍。元數(shù)增加還將簡化光機(jī)掃描機(jī)構(gòu),大規(guī)模凝視焦平面陣列,不再需要光機(jī)掃描,大大簡化整機(jī)系統(tǒng)?,F(xiàn)代探測器技術(shù)進(jìn)入**、第三代,重要標(biāo)志之一就是元數(shù)大大增加。另一方面是開發(fā)同時覆蓋兩個波段以上的雙色和多光譜探測器。所有進(jìn)展都離不開新技術(shù)特別是半導(dǎo)體技術(shù)的開發(fā)和進(jìn)步。幾項具有里程碑意義的技術(shù)有:
(1)半導(dǎo)體精密光刻技術(shù)
使探測器技術(shù)由單元向多元線列探測器迅速發(fā)展,即后來稱為**代探測器。
(2)Si集成電路技術(shù)
Si讀出電路與光敏元大面陣耦合,誕生了所謂**代的大規(guī)模紅外焦平面陣列探測器 。更進(jìn)一步有Z平面和靈巧型智能探測器等新品種。此項技術(shù)還誘導(dǎo)產(chǎn)生非制冷焦平面陣列 ,使一度冷落的熱探測器重現(xiàn)勃勃生機(jī)。
(3)先進(jìn)的薄層材料生長技術(shù)
分子束外延、金屬有機(jī)化學(xué)汽相淀積和液相外延等技術(shù)可重復(fù)、精密控制生長大面積高度均勻材料,使制備大規(guī)模紅外焦平面陣列成為可能。也是量子阱探測器出現(xiàn)的前提。
(4)微型制冷技術(shù)
高性能探測器低溫要求驅(qū)動微型制冷機(jī)的開發(fā),制冷技術(shù)又促進(jìn)了探測器的研制和應(yīng)用。
我國紅外探測器研制從1958年開始,至今已40多年。先后研制過PbS、PbSe、Ge:Au、Ge:Hg 、InSb、PbSnTe、HgCdTe、PtSi/Si、GaAs/AlGaAs量子阱和熱釋電探測器等。 隨著低維材料出現(xiàn),納米電子學(xué)、光電一體化等技術(shù)日新月異,21世紀(jì)紅外探測器必有** 性的進(jìn)展。物理學(xué)及材料科學(xué)是現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展的主要基礎(chǔ),現(xiàn)代技術(shù)飛速發(fā)展對物理學(xué)研究 又有巨大的反作用。
4 高性能紅外探測器-碲鎘汞探測器
1959年,英國Lawson等首先制成可變帶隙Hg1-xCdxTe固溶體合金,提供了紅外探測器設(shè)計**的自由度。碲鎘汞有三大優(yōu)勢:1)本征激發(fā)、高的吸收系數(shù)和高的量子效率(可超過80%)且有高的探測率;2)其*吸引人的特性是改變Hg、Cd配比調(diào)節(jié)響應(yīng)波段,可以工作在各個紅外光譜區(qū)段并獲得*佳性能。而且晶格參數(shù)幾乎恒定不變,對制備復(fù)合禁帶異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)新器件特別重要,3)同樣的響應(yīng)波段,工作溫度較高,可工作的溫度范圍也較寬。碲鎘汞中,弱Hg-Te鍵(比Cd-Te鍵弱約30%),可通過熱處理或特定途徑形成P或N型,并可完成轉(zhuǎn)型。其電學(xué)性質(zhì)如1載流子濃度低,2少數(shù)載流子壽命長,3電子空穴有效質(zhì)量比大(~10.0),電子遷移率高,4介電常數(shù)小等有利于探測器性能。
**代碲鎘汞探測器主要是多元光導(dǎo)型,美國采用60、120和180元光導(dǎo)探測器作為熱像儀通用組件,英國則以70年代中期開發(fā)的SPRITE為通用組件。SPRITE是一種三電極光導(dǎo)器件,利用半導(dǎo)體中非平衡載流子掃出效應(yīng),當(dāng)光點(diǎn)掃描速度與載流子雙極漂移速度匹配,使探測器在完成輻射探測的同時實現(xiàn)信號的時間延遲積分功能。8條SPRIET的性能可相當(dāng)100元以上的多元探測器。結(jié)構(gòu)、制備工藝和后續(xù)電子學(xué)大大簡化?,F(xiàn)有技術(shù)又克服了高光機(jī)掃描速度和空間分辨率受限制等兩個缺陷。1992年誕生了**臺國產(chǎn)化通用組件高性能熱像儀,SPRITE探測器研制成功是關(guān)鍵。到90年代初,**代碲鎘汞光導(dǎo)探測器紛紛完成技術(shù)鑒定,性能達(dá)到世界先進(jìn)水平。兵器工業(yè)211所的SPRITE、32和60元探測器已實用化并投入批量生產(chǎn),規(guī)模和市場不斷擴(kuò)大。國外在80年代就已大批量生產(chǎn)。
由于電極、杜瓦瓶設(shè)計和制冷機(jī)方面的重重困難,**代碲鎘汞探測器元數(shù)一般無法超過200。大的碲鎘汞光敏陣列和Si讀出集成電路分別制備并*佳化,然后兩者進(jìn)行電學(xué)耦合和機(jī)械聯(lián)結(jié)形成混合式焦平面陣列,就是**代碲鎘汞探測器。目前國際上已研制出256×256甚至640×480規(guī)模的長波IRFPA。中波紅外已有用于天文的1024×1024的規(guī)模,現(xiàn)階段典型產(chǎn)品是法國的4N系列288×4掃描式FPA。國內(nèi)仍處于研制開發(fā)階段。
晶體碲鎘汞材料也有鮮明的弱勢:1相圖液線和固線分離大,分凝引起徑向、縱向組分不均勻;2**g壓使大直徑晶體生長困難,晶格結(jié)構(gòu)完整性差;3重復(fù)生產(chǎn)成品率低。薄膜材料的困難在于難以獲得理想的CdZnTe襯底材料。人們致力于研究替代襯底,如PACE(Producible Alternative to CdTe for Epitaxy )- I ( HgCdTe / CdTe/ 寶石),PACE-II(HgCdTe/C dTe/GaAs)和PACE-III(HgCdTe/CdTe/Si)。日本和法國還報道Ge襯底,目標(biāo)是與MCT的晶格 匹配并有利于與Si讀出線路的耦合。
上等碲鎘汞材料制備困難、均勻性差、器件工藝特殊,成品率低,因而成本高一直是困擾碲鎘汞IRFPA的主要障礙。人們始終沒有放棄尋找材料的努力,但迄今還沒有一種新材料能超過碲鎘汞的基本優(yōu)點(diǎn)。為滿足應(yīng)用更高的性能要求,碲鎘汞FPA仍然是優(yōu)選探測器。
5 非致冷焦平面陣列 (UFPA)紅外探測器
非制冷焦平面陣列省去了昂貴的低溫制冷系統(tǒng)和復(fù)雜的掃描裝置,敏感器件以熱探測器為主。突破了歷來熱像儀成本高昂的障礙,"使傳感器領(lǐng)域發(fā)生變革"。另外,它的可靠性也大大提高、維護(hù)簡單、工作壽命延長,因為低溫制冷系統(tǒng)和復(fù)雜掃描裝置常常是紅外系統(tǒng)的故障源。非致冷探測器的靈敏度(D)比低溫碲鎘汞要小1個量級以上,但是以大的焦平面陣列來彌補(bǔ),便可和**代MCT探測器爭雄。對許多應(yīng)用,特別是監(jiān)視與夜視而言已經(jīng)足夠。廣闊的準(zhǔn)和民用市場更是它施展拳腳的領(lǐng)域。為避免大量投資,把硅集成電路工藝引入低成本、非制冷紅外探測器開發(fā)生產(chǎn),制造大型高密度陣列和推進(jìn)系統(tǒng)集成化的信號處理,即大規(guī)模焦平面陣列技術(shù),潛力十分巨大。正因為如此,單元性能較低的熱電探測器又重新引人注目,而且可能成為21世紀(jì)*具競爭力的探測器之一。目前發(fā)展*快、前景看好的有兩類UFPA:
(1)熱釋電FPA。熱釋電探測器的研究早在60年代和70年代就頗為盛行,有過多種材料,較新型的有鈦酸鍶鋇(BST)陶瓷和鈦酸鈧鉛(PST)等。美國TI公司推出的328×240鈦酸鍶鋇(BST)FPA已形成產(chǎn)品,NETD優(yōu)于0.1K,有多種應(yīng)用。計劃中還有640×480的FPA,發(fā)展趨勢是將鐵電材料薄膜淀積于硅片上,制成單片式熱釋電焦平面,有很高的潛在性能,可望實現(xiàn)1000×1000陣列的上等成像。
(2)微測輻射熱計(Microbolometer)。它是在IC-CMOS硅片上以淀積技術(shù),用Si3N4支撐有高電阻溫度系數(shù)和高電阻率的熱敏電阻材料VOx或α-Si,做成微橋結(jié)構(gòu)器件(單片式FPA)。接收熱輻射引起溫度變化而改變阻值,直流耦合無須斬波器,僅需一半導(dǎo)體制冷器保持其穩(wěn)定的工作溫度。90年代初,由Honeywell公司首先開發(fā),研制成工作在8μm~14μm的320×240 UFPA,并以此制成實用的熱像系統(tǒng),NETD已達(dá)到0.1K以下,可望在近期達(dá)到0.02K。此類FPA90年代發(fā)展神速,成為熱點(diǎn)。與熱釋電UFPA比較,微測輻射熱計采用硅集成工藝,制造成本低廉;有好的線性響應(yīng)和高的動態(tài)范圍;像元間好的絕緣而有低的串音和圖像模糊;低的1/f噪聲;以及高的幀速和潛在高靈敏度(理論NETD可達(dá)0.01K)。其偏置功率受耗散功率限制和大的噪聲帶寬不足以與熱釋電相比。
6 紅外探測器技術(shù)的發(fā)展
歷史上,紅外探測器的發(fā)展得益于戰(zhàn)爭尤其是二次大戰(zhàn)的刺激。隨后的冷戰(zhàn)時期,到現(xiàn)今的局部戰(zhàn)爭,人們不斷加深對紅外探測器重要性的認(rèn)識。至今,應(yīng)用仍占整個紅外敏感器市場的75%。更高的性能指標(biāo)和降低成本對紅外技術(shù)提出了愈來愈高的要求。由于民用需求的急劇增長,應(yīng)用的比例正在穩(wěn)步減小。據(jù)美國市場調(diào)查,到2002年應(yīng)用將下降到50%以下。今后焦平面紅外圖像系統(tǒng)及傳感器的需求量會繼續(xù)增長,年增長率將達(dá)29%。應(yīng)用中的商用成品有望每年增加15%。估計增長*快的將是非制冷焦平面系統(tǒng),年增長率將超過60%。2002年美國紅外技術(shù)市場將達(dá)到12億美元。據(jù)中國光學(xué)學(xué)會預(yù)測,今后 5年,我國熱像設(shè)備總數(shù)在4萬臺左右,而年自產(chǎn)不足500臺。所有這些,勢必使21世紀(jì)的紅外科學(xué)技術(shù)加速開拓前進(jìn),首先是紅外探測器技術(shù)的突飛猛進(jìn)。