10 μm像元间距1024×1024中波红外探测器研制进展

小像元红外探测器已成为红外探测器技术发展的重要方向,像元尺寸减小可提高红外成像系统的探测和识别距离,降低红外探测器成本,减小系统尺寸、质量和功耗等。本文介绍了国内外小像元红外探测器研制进展,重点介绍了中国电科十一所研制的10 μm像元间距1024×1024规模小像元碲镉汞红外焦平面探测器组件。组件为n-on-p平面结构后截止波长5 μm、有效像元率达到99 %、量子效率达到60 %。     

高工作温度碲镉汞p-on-n中波1024×768焦平面探测器

提高红外探测器的工作温度对于减小红外系统的尺寸、重量和功耗至关重要，进而实现结构紧凑和成本低廉的红外系统。昆明物理研究所多年来对掺铟和砷离子注入技术的HgCdTe p-on-n技术进行了优化，实现了性能优异的中波红外探测器的研制。本文报道了高工作温度中波1024×768@10 μm红外焦平面阵列探测器的最新结果，并介绍了在150 K工作温度下的器件性能。结果标明，器件在150 K下截止波长为4.97 μm，并测得了不同工作温度下的NETD、暗电流和有效像元率。此外，还展示了在150 K的工作温度下焦平面器件的红外图像，并呈现了99.4%的有效像元率。     

混成式热释电非制冷红外焦平面探测器研究

热释电非制冷红外焦平面探测器在军民领域具有广阔的应用前景.为了实现探测器的国内工程化研制,采用混成式技术,成功研制了基于锆钛酸铅(PZT)铁电陶瓷材料,像元尺寸为35 μm×35μm,列阵规模为320×240元的非制冷红外焦平面探测器.通过自主设计,研发的非制冷焦平面测试平台,得到了此器件的基本性能参数平均电压响应率1.1×105V/W,平均探测率5.6×107cm·Hz1/2·W-1,并实现了该探测器热成像.结合实际的研究工作,较为系统地介绍和讨论了热释电非制冷红外焦平面研制过程中各项关键技术.在器件光电响应测试数据分析的基础上,进一步提出下一阶段研究工作的重点和器件性能优化的方向.     

光导PbS 焦平面探测器制备中负载电阻的选取

负载电阻分流方式通常用于消除光导PbS探测器的背景电流,其中各探测单元光敏元电阻与相对应负载的阻值可以相等,也可以成一固定比例。为研究不同负载电阻均可应用于光导PbS焦平面探测器,采用尺寸同为100 m 100 m 的光敏元、分别为100 m 100 m 和200 m 50 m 的负载研制了线列1128 光导PbS 红外焦平面探测器。利用红外焦平面测试系统对不同负载电阻制备的器件性能进行了测试与分析。研究表明,采用不同负载电阻均获得了性能正常的器件;在相同的光敏元工作参数下,器件的平均黑体响应率、平均黑体探测率基本一致,负载对其均无影响。研究结果验证了仅通过调节负载电阻即可使器件背景输出电平平坦化的可行性。     

硅基非致冷混合式焦平面探测器阵列研究

本文报道一种32×48元高灵敏非致冷混合式焦平面探测器厚膜阵列.提出了一种采用掺杂钛酸锶钡厚膜作为敏感材料的硅基微机械加工电容式红外探测器像元结构,对其工作原理、器件性能优化设计与制作工艺流程进行了分析,得出了优化的结构参数.分析了影响器件性能的关键因素,给出了器件所用铁电材料的基本物理和电学特性参数以及器件的热隔离技术和相应参数.本结构的像元电容值增量接近相同敏感面的体材料红外探测器,减小了像元与衬底电极引线的寄生电容.采用这种结构的红外探测器阵列对电路的精度要求低,便于研制集成电路.该红外探测器阵列结构的设计思路,符合大阵列红外焦平面像元结构设计的发展趋势,为开展非致冷红外焦平面阵列探测器研究奠定了基础.     

大动态范围、高灵敏度红外焦平面数字像元读出电路技术（特邀）

长波红外探测器一直以来受到读出电路电荷存储容量的限制,导致信噪比、动态范围和灵敏度都难以提升,制约了长波红外成像系统的发展和应用。文中对比分析了模拟像元和数字像元读出电路技术,介绍了数字像元焦平面的发展现状和主要架构。采用脉冲频率调制方案设计了384×288（25 μm）和256×256 （30 μm）两款数字像元读出电路,其中比较器设计提高了功耗效率和强壮性,并耦合碲镉汞探测器形成长波数字焦平面探测器组件进行测试,结果与国内外相关工作进行比较分析,峰值噪声等效温差分别达到3.4 mK和1.9 mK,动态范围达到96 dB。测试结果表明,数字像元技术显著提升了长波红外焦平面的灵敏度和动态范围,是提高红外探测器性能的有效途径。     

法国SOFRADIR公司推出基于非晶硅技术的非制冷微热辐射计红外探测器

法国SOFRADIR公司最近推出一种基于非晶硅(a-Si)技术的非制冷微热辐射计红外探测器.该探测器包括一个间距为45μm、占空因子高于80%的320×240元红外焦平面列阵,其工作波长为7μm～14μm.与该非晶硅温度计相联的CMOS读出电路是一种标准的0.5 μm CMOS部件.它允许探测器以脉冲偏压模式工作,因而可以提高像元的热响应率并使红外焦平面列阵免受焦平面温度变化的影响.在30℃时,探测器的功耗低于200mW.     

10 μm 1 280 × 1 024 HgCdTe中波红外焦平面阵列探测性能提升

对像元尺寸为10 μm的1280×1024碲镉汞（HgCdTe）中波红外焦平面阵列的制备技术和性能进行了研究。通过B⁺注入制备小尺寸n-on-p平面结;采用高平整度HgCdTe外延材料和高精度的倒焊互连技术,实现高的电学连通率;采用多段温度填胶固化和边缘刻蚀工艺减轻HgCdTe器件和读出集成电路（ROICs）之间的热失配,从而降低焦平面器件失效率。在85 K焦平面工作温度下,研制探测器的光谱响应范围为3.67 μm至4.88 μm,有效像元率高达99.95%,并且探测器组件像元的平均噪声等效温差（NETD）和暗电流密度的平均值分别小于16 mK和2.1×10^-8 A/cm²。与像元尺寸为15 μm的探测器相比,10 μm的1280×1024中波红外探测器可获取更加精细的图像,具有更远的识别距离。目前,该技术已成功转移到浙江珏芯微电子有限公司（ZJM）的HgCdTe红外探测器产线。     

320×256 GaAs/AlGaAs长波红外量子阱焦平面探测器

量子阱红外探测器(Quantum well infrared photodetector, QWIP)已经经历了20多年的深入研究,各种QWIP器件,包括量子阱红外探测器焦平面阵列(FPA)的研制也已经相当成熟。但是在国内,受制于整体工业水平, QWIP焦平面阵列器件的研制仍然处于起步阶段。研制了基于GaAs/ AlxGa1-xAs 材料、峰值响应波长为9.9 m的长波320256 n型QWIP焦平面阵列器件,其像元中心距25 m, 光敏元面积为22 m22 m。GaAs衬底减薄后的QWIP焦平面阵列,与Si基CMOS读出电路(ROIC)通过铟柱倒焊互连,并且在65 K工作温度下进行了室温环境目标成像。该焦平面器件的规模和成像质量相比之前国内报道的结果都有较大提高。焦平面平均峰值探测率达1.51010 cmHz1/2/W。     

一种300万像素全画幅非制冷红外探测器

研制出一种全画幅QXGA(Quad Extend Graphic Array)非制冷氧化钒红外焦平面探测器。探测器阵列规模达到2048×1536,像元尺寸为17?m×17?m,有效光敏面积约为35 mm×26 mm。读出电路面积达到41.34 mm×39.37 mm,采用8英寸0.18?m 1P6M一版多曝的缝合拼接曝光工艺设计及加工,电路奇偶行同时积分、读出,有效提高像元积分时间。探测像元采用成熟的17?m氧化钒微桥结构,超大面积MEMS(Micro-Electro-MechanicalSystems)结构采用"多版一曝"、"一版多曝"的组合拼接曝光设计及加工技术。探测器采用高可靠性的标准金属真空封装。测试结果表明,器件的噪声等效温差(NETD)小于45 m K,热响应时间小于7 ms,响应率非均匀性小于8%,器件帧频大于60 Hz。