详解红外热像仪芯片体系
学术
2024-10-10 18:03
北京
红外(Infrared
,IR)波是指波长在0.7-1000nm范围内的电磁波段，它在大自然的电磁波谱里处在可见光与微波之间。由于IR在电磁波谱中涵盖的波长范围很宽，人们通常按波长将它分成５个子波段，分别为：近红外(near-IR,NIR)、中红外(mid-IR,MIR)、长波红外(long-wavelength IR,LWIR)、甚长波红外(very-long-wavelength IR,VLWIR)以及远红外(far-IR,FIR)，它们所对应的波长范围如下表所示：根据探测机理的不同，IR探测器可分为两大类，分别是光子探测器和热探测器，下图所示：在吸收IR波后，热探测材料的温度、电阻率、电动势以及自发极化强度等会产生明显的波动，根据这些波动可探测目标物体向外辐射IR的能量。热探测器的响应速度普遍比光子探测器低，因此在大规模FPA探测器的发展方面不如光子探测器乐观，但热探测器制造成本低廉、使用便利，这使它们在民用市场大受欢迎与光子探测器不同，热探测器的响应光谱较为平坦，不存在峰值波长，其探测率不随波长变化而变化，如图所示。
热探测器一般分为测辐射热计、热电堆和热释电探测器三种类型。这种探测器是由具有非常小热容量和大电阻温度系数的材料制成的，吸收IR后探测器的电阻会发生明显的变化，因此它们也被称为热敏电阻。金属测辐射热计、半导体测辐射热计和微型室温硅测辐射热计（简称微测辐射热计），此外还有用于THz探测的测辐射热计。这些类型中，以微测辐射热计的技术最成熟、应用最广泛。氧化钒(Vox)与非晶Si是制作微测辐射热计最常用的材料。热电堆又叫温差电堆，它利用热电偶串联实现探测功能，是较为古老的一种IR探测器。以前，热电堆都是基于金属材料制备的，具有响应速度慢、探测率低、成本高等致命劣势，不受业内人士的待见。随着近代半导体技术的迅猛发展，半导体材料也被应用到了热电堆的制作中。半导体材料普遍比金属材料的塞贝克(Seebeck)系数高，而且半导体的微加工技术保证了器件的微型化程度，降低其热容量，因此热电堆的性能得到了大大地优化。互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺的引入，让热电堆芯片电路技术实现了批量生产。热释电探测器是基于一种与温度有关的自发电极化（或电偏振）材料制作的，这种材料被称作热释电材料。在热平衡条件下，电非对称性可由自由电荷补偿，因而热释电探测器无信号。当外界温度变化过快时，这种电非对称性将无法得到补偿，电信号就这样产生了。其它热探测器都是直接探测温度的绝对值，而热释电探测器则是探测温度的变化量，它是一种交流型器件。热释电材料总体可分为单晶、聚合物和陶瓷三种类型。热释电探测器因其独特的性质而在光谱学、辐照度学、远距离温度测量、方向遥感等方面得到了重要的应用。光子探测器的探测机理是光电效应，依据工作模式的不同，它又可进一步分为光电导(photoconductive,PC)探测器、光伏(photovoltaic,PV)探测器、光电子发射(photoemissive,PE)探测器、光电磁(photoelectromagnetic,PEM)探测器和丹倍(Dember)探测器等子类型，其中前两个子类型探测器的发展最强劲、应用最广泛。常见的IR光子探测器有InGaAs探测器、InSb探测器、HgCdTe探测器、QWIP、QDIP、T2SLS探测器、铅盐探测器以及非本征探测器(主要指BIB探测器)等，不同材料体系工作波长及响应率范围如下图所示：
InGaAs是由两种Ⅲ-Ⅴ族半导体材料组成的三元系半导体化合物，它的带隙随组分比例的变化而变化。基于此材料制备的IR探测器，其响应截止波长可达到3μm以上，响应范围完全覆盖NIR波段，是该波段探测器团体里最重要的成员。在该体系下，其他化合物性能如下图所示：与其它的常用IR探测器相比，InGaAs探测器的兴起较晚，在上世纪80年代才开始走进人类的视野。近年来，得益于NIR成像的强势崛起，InGaAs的发展势头也十分迅猛。在实际生产中，一般将InGaAs材料生长在磷化铟(InP)衬底上，两者的晶格失配度也会随InGaAs组分的变化而变化。晶格失配度最低时，InGaAs探测器的截止波长约为1.7μm，此时探测器所能达到的探测率是最高的，接近于理论极限。InSb属于Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料,它是最早应用于IR探测技术的材料之一,其生长技术已发展得非常成熟｡在液氮温度下,InSb带隙所对应的波长稍稍大于5μm,此时InSb探测器的响应范围完美覆盖MIR波段,且探测率能在整个MIR波段维持很高的水平,因此InSb探测器在MIR波段探测方面有着举足轻重的地位｡随着工作温度的上升,InSb探测器的量子效率可维持不变,直至160K才开始逐渐衰减｡截至目前,HgCdTe材料依旧是制作高性能IR光子探测器的最佳的材料｡与InGaAs类似,HgCdTe也是一种三元系半导体化合物,其带隙也会随组分的改变而改变,借此HgCdTe探测器可覆盖1-22μm的超宽波段。HgCdTe探测器在NIR､MIR和LWIR三个波段都能表现出十分优异的性能,所以它问世不久便成为了IR探测器大家族中的霸主｡然而,随着近些年InGaAs探测器的兴起,HgCdTe探测器在NIR波段的地位日趋下降;在MIR波段,虽然InSb探测器的探测率不如HgCdTe探测器,但由于InSb的材料生长技术比HgCdTe成熟,HgCdTe探测器在该波段已达不到一家独大的地步;对于LWIR波段,HgCdTe探测器仍具有很强的统治地位｡受限于俄歇复合的存在,HgCdTe探测器的在室温下的性能较差,如何降低HgCdTe材料内俄歇复合的几率是HgCdTe探测器发展道路上亟需攻克的一大难题。我国著名的风云气象卫星系列都装备了HgCdTe FPA探测器用于获取全球气象资料,为数值天气预报业务的实施和各种灾害性天气的预警预报提供了强有力的数据支持,为我国在全球范围内实现高时效性的高精度成像观测能力､高精度的大气温湿度垂直分布探测能力奠定了坚实的基础｡美国TIS(Teledyne Imaging Sensors,TIS)研制的､应用于詹姆斯韦伯空间望远镜(James Webb Space Telescope, JWST)的Hawaii-2RG模块就是由2Kx2K规模的HgCdTe FPA探测器组成的｡第三代IR成像系统的概念一经提出,大家便把目光聚焦于HgCdTe探测器,认为它是实现单像素多色成像目标的最完美的践行者｡事实证明大家的期待是正确的,HgCdTe多色FPA探测器目前已经成为第三代成像系统里的佼佼者｡
QWIP的基础结构是多量子阱结构,虽然该结构可以被许多Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料所实现,但基于GaAs/铝镓砷(AlGaAs)材料制作的QWIP是应用广泛､技术成熟､性能优异的QWIP｡对于通过改变GaAs/AlGaAs材料中A1的原子百分比,可使相应的QWIP连续覆盖MIR､LWIR甚至VLWIR波段｡GaAs/AlGaAs材料体系在Ⅲ-Ⅴ族半导体材料团体里能一枝独秀的最主要原因是,它与GaAs衬底在所有的A1组分条件下都能实现非常完美的晶格匹配,这一优势使该材料体系的生长技术既成熟又低廉,极大地推动了GaAs/AlGaAs QWIP的发展｡一般而言,大家所谓的QWIP都特指GaAs/AlGaAs
QWIP｡由于大尺寸HgCdTe FPA探测器的制作成本居高不下,QWIP FPA探测器被寄予厚望,因而发展迅速｡在LWIR波段,目前QWIP FPA探测器的性能足以与最先进的HgCdTe相媲美｡QWIP也存在一些缺点:因存在与子带间跃迁相关的基本限制,QWIP需要的工作温度较低(一般低于液氮温度)，QWIP的量子效率普遍很低｡一般而言,PC探测器的响应速度比PV慢,但QWIP PC探测器的响应速度与其它PV探测器相当,所以大规模QWIP FPA探测器也被研制了出来｡与HgCdTe—样,QWIP FPA探测器也是第三代IR成像系统的重要成员,这类探测器在民用与天文等领域都有着大量的使用案例｡QDIP可视为QWIP的衍生品,将QWIP中的量子阱替代为量子点,便产生了QDIP｡对于QDIP而言,由于对电子波函数进行了三维量子阱约束,因而其暗电流比QWIP低,工作温度比QWIP高｡但QDIP对量子点异质结材料的质量要求很高,制作难度大｡在QDIP里,除使用标准的量子点异质结构外,还常用一种量子阱中量子点(dot-in-a-well, DWELL)异质结构｡QDIPFPA探测器也是第三代IR成像系统的成员之一｡一般而言,所谓的T2SLS探测器都是基于砷化铟(InAs)/锑化镓(GaSb)材料制作的｡InAs/GaSb T2SLS是一个由InAs和GaSb薄层交替构筑的多量子阱交互作用体系,该结构中InAs与GaAs的能带以II类方式对准｡这种能带续接方式可引发强有力的载流子隧穿现象,使该结构适用于MIR和LWIR探测｡理论预言在LWIR波段的性能T2SLS探测器的性能有望超过QWIP和HgCdTe探测器,然而在实验中,T2SLS探测器的暗电流仍处于较高的水平,远远达不到预期目前,1024x1024规模的T2SLS FPA探测器已研制成功,彰显了这种探测器的巨大潜力｡与前面几种探测器一样,T2SLS FPA探测器也是第三代IR成像系统的成员之一铅盐探测器一般指基于PbS和PbSe等IV-VI族半导体材料制作的PC探测器,因其低廉的生产成本与室温下优良的灵敏度等优势,这类探测器仍占据着一定比例的商用市场,许多知名制造商对此均有涉足。然而,由于银盐材料的介电常数很高,这类探测器的响应速度比一般的光子探测器都要慢,这一劣势很大程度上限制了相应的大规模FPA探测器的发展,截至2014年,铅盐FPA探测器像元达到了320x256中等规模｡对于该类探测器,基底由Si变为Ge时,其探测波段可从IR延伸到THz,在这里姑且将Si基与Ge基两类放在一起加以阐述｡传统的非本征探测器是基于被掺杂的Ge或Si作为吸收材料制作而成的结构简单的PC探测器,主要有Ge:X[X=Hg､Ga､铍(Be)､锌(Zn)]､Si:Y[Y=Ga､砷(As)､铟(In)]等类型｡这类探测器的响应范围取决于杂质元素在基底里的离化能量,一般可覆盖LWIR､VLWIR乃至THz波段,但需要在低温(<10K)下工作｡由于响应波段很宽,非本征探测器被应用到了航天领域,然而困境也随之出现:在太空中核辐射对探测器响应的影响较大,需要减薄探测器吸收层来降低影响,但这样也会使量子效率降低;为维持高量子效率,需提高摻杂浓度,而如此一来又会导致暗电流激增,严重破坏探测器性能｡BIB探测器是解决以上困境的最优解｡BIB探测器是传统非本征探测器在结构上的一种巧妙升级,即在吸收层与一侧电极之间引入一层高纯度的本征基底材料作为阻挡层来抑制暗电流,这样可以保证在吸收层掺杂浓度大大增加的同时,暗电流也能维持在很低的水平｡不仅如此,掺杂浓度的增加也拓宽了探测器的响应范围｡(1)A. Rogalski, K. Chrzanowski INFRARED DEVICES AND TECHNIQUES[J];(2)A. Rogalski Infrared Detector
Characterization[J];(3)朱家旗 中远红外探测器的研制及其光电性能研究[D];(4)许佳佳 InAs/GaSb类超晶格长波红外探测器制备研究[D];(5)崔玉容 InAs/GaSb类超晶格红外探测器表面性质研究[D];(6)李晓超 InAs_GaSb超晶格微结构与光电特性研究[D]；(7)Aircraft 101 Electro-Optical System (Part I)[J]；
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