12 μm像元间距1280×1024碲镉汞中波红外焦平面探测器的制备及性能研究

武汉高德红外股份有限公司成功研制了像元尺寸为12 μm×12 μm的1280×1024大面阵碲镉汞中波红外焦平面探测器。在优化提升材料性能的基础上,突破了小像元钝化开孔、高密度小尺寸铟柱制备以及高精度大面阵倒焊等关键技术,成功制备出了1280×1024@12 μm碲镉汞中波红外焦平面芯片及组件。其盲元率小于0.5%,响应率非均匀性小于5%。F2探测器的平均噪声等效温差(Noise Equivalent Temperature Difference, NETD)为15 mK,平均峰值探测率为6×10¹¹ cm·Hzsup>1/2·W^-1。F4探测器的平均NETD为18.5 mK,平均峰值探测率为1.2×10¹² cm·Hzsup>1/2·W^-1。另外还提出了一种不稳定像元测试方法,即通过分析两点校正后的成像数据,并利用模块中值和空域噪声的比较,完成对红外图像中不稳定像元的检测和校正。结果表明,校正后的红外成像画质良好,在120 K时器件性能无明显降低。     

PbSe光电导焦平面阵列探测器

应用半导体非平衡载流子连续性方程模拟了PbSe光电导红外探测器参数对光电响应的影响,实验研制了小规模像元的x-y寻址型PbSe光电导焦平面阵列（FPA）探测器,像元尺寸为500 μm×500 μm,像元间距为500 μm。实验表征了PbSe FPA探测器像元的光电响应性能,有效像元率达到了100%。500 K温度黑体辐射和3.0V偏压下像元的黑体响应率的范围是70~146 mA/W,平均响应率和平均探测率分别达到了110 mA/W和5.5×10⁹。像元的噪声等效温差（NETD）范围是15~81mK,平均噪声等效温差为32 mK。使用中波红外成像装置,初步演示了PbSe FPA探测器对350~450℃热辐射目标的红外成像。为后续研制高密度像元PbSe FPA探测器奠定了基础。     

InAs/InAsSb超晶格红外中/中波双色焦平面探测器研制

超晶格材料已经成为了第三代红外焦平面探测器的优选材料。双波段红外探测器能够通过对比两个波段内的光谱信息差异,对复杂的背景进行抑制,提高探测效果,在需求中尤为重要。本文开展了InAs/InAsSb超晶格中/中双色焦平面探测器设计及制备技术研究,从器件设计、材料外延、芯片加工等方面展开研究,制备了中心距30 μm的320×256 InAs/InAsSb二类超晶格中/中波双色焦平面探测器。器件短中波峰值探测率达到7.2×10¹¹ cm·Hz^1/2W^-1,中波峰值探测率为6.7×10¹¹ cm·Hz^1/2W^-1,短中波有效像元率为99.51%,中波为99.13%,获得了高质量的成像效果,实现中中双色探测。     

InAs/GaSb II类超晶格长波红外焦平面探测器研究

InAs/GaSb II类超晶格材料是第三代红外焦平面探测器的优选材料。报道了一种面阵规模为320×256、像元中心距为30 μm的InAs/GaSb II类超晶格长波红外焦平面器件。在77 K时,该器件的平均峰值探测率为7.6×10¹⁰ cm·Hz^1/2·W^-1,盲元率为1.46%,响应非均匀性为7.55%,噪声等效温差(Noise Equivalent Temperature Difference, NETD)为25.5 mK。经计算可知,这种器件的峰值量子效率为26.2%,50%截止波长为9.1 μm。最后对该器件进行了成像演示。结果表明,该研究为后续的相关器件研制奠定了基础。     

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。     

双层异质结碲镉汞甚长波红外焦平面探测器研究进展

报道了甚长波碲镉汞红外焦平面探测器的最新研究进展。采用水平液相外延In掺杂和垂直液相外延As掺杂技术生长p-on-n异质结材料,并基于湿法腐蚀、表侧壁钝化、In柱互连工艺,制备了第一支甚长波碲镉汞台面型焦平面器件。在60 K的工作温度下,该器件的截止波长达到14.28 μm,有效像元率为94.5%,平均峰值探测率达到8.98×10¹⁰ cm·Hz^1/2·W^-1。     

长/长波双色二类超晶格红外探测器研究

报道了长/长波双色二类超晶格红外焦平面探测器组件的研制。通过能带结构设计和分子束外延技术,获得了表面质量良好的长/长波双色超晶格外延材料。突破了长波超晶格低暗电流钝化、低损伤干法刻蚀等关键技术,制备出像元中心距30 μm的320×256长/长波双色InAs/GaSb超晶格焦平面探测器芯片。将芯片与双色读出电路互连,采用杜瓦封装,与制冷机耦合形成探测器组件。组件双波段50%后截止波长分别为7.7 μm（波段1）和10.0 μm（波段2）。波段1平均峰值探测率达到8.21×10¹⁰ cmW^-1Hz^1/2,NETD实现28.8 mK;波段2平均峰值探测率达到6.15×10¹⁰ cmW^-1Hz^1/2,NETD为37.8 mK,获得了清晰的成像效果,实现长/长波双色探测。     

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 %。     

基于InAs/GaSb超晶格的中波段红外焦平面材料生长与器件制备

本文展示了基于InAs/GaSb二类超晶格材料的中红外焦平面器件制备研究。探测器材料由400周期的结构为8ML InAs /8ML GaSb 的超晶格构成。超晶格材料通过分子束外延技术在N 型GaSb(100)衬底上生长。超晶格层与GaSb衬底层的失配被降低到148.9ppm,通过高分辨X射线衍射分析得到超晶格层的1级衍射峰半缝宽达到28arcsec.。单元探测器和128×128像元红外焦平面通过柠檬酸系腐蚀配方制备完成。通过I-V测试分析表明器件工艺中的化学和物理钝化能够有效降低器件的表面漏电流。最终单元探测器件在77K温度下50%截止波长为4.73微米,R₀A 达到 10³Ωcm²量级。最后我们对焦平面器件进行了成像实验,测试条件为积分时间0.5ms,光圈F/2.0,器件黑体平均探测率达到2.01 × 10⁹cmHz^1/2W^-1.。     

双色红外焦平面研究进展

介绍了叠层双色红外焦平面的发展背景和适用的材料体系,及其在国际上的发展现状,重点论述了叠层双色探测器结构类型及其探测特点,最后介绍了国内碲镉汞叠层双色焦平面的研究进展。报道了基于n⁺_-p-P-P-N多层异质结Hg_1-xCd_xTe材料的叠层中波/短波（256×1）×2红外双色焦平面器件研制及性能。在77 K液氮温度下,红外焦平面探测器的两个波段的截止波长λ_c分别为2.8 μm和3.9 μm,中波/短波焦平面的平均单色探测率D*_λp分别为1.8×10¹¹ cmHz^1/2/W和9.6×10¹⁰ cmHz^1/2/W。     

256×1甚长波量子阱红外焦平面研究

GaAs/AlGaAs量子阱红外探测器由于其所依据的GaAs基材料较为成熟的材料生长和器件制备工艺,使其特别适合于高均匀性、大面积红外焦平面的应用。报道了甚长波256×1元GaAs/AlGaAs多量子阱红外焦平面器件的研制成果, 探测器的峰值波长为15 μm,响应带宽大于1.5 μm。在40 K工作温度下,器件的平均黑体响应率Rp=3.96×106 V/W, 平均黑体探测率为D*=1.37×109 cm·Hz1/2/W, 不均匀性为11.3%, 并应用研制的器件获得了物体的热像图。     

甚长波碲镉汞红外焦平面探测器

采用砷离子注入p-on-n平面结技术制备了77 K工作温度下截止波长分别为13.23 μm和14.79 μm、像元中心距为25 μm的甚长波640×512探测器,并对其基本性能和暗电流进行了测试和分析。结果表明,对于截止波长为13.23 μm的甚长波640×512（25 μm）,器件量子效率为55%,NETD平均值为21.5 mK,有效像元率为99.81%;对于截止波长为14.79 μm的甚长波640×512（25 μm）,器件量子效率为45%,NETD平均值为34.6 mK,有效像元率为99.28%。这两个甚长波器件在液氮温度下的R₀A分别为19.8 Ω·cm²和1.56 Ω·cm²,达到了“Rule07”经验表达式的预测值,器件噪声主要受散粒噪声限制,显示出了较好的器件性能。     

碲镉汞APD焦平面技术研究

采用LPE生长的中波碲镉汞材料,通过B离子注入n-on-p平面结技术制备了规模为256×256,像元中心距为30 μm的碲镉汞APD焦平面探测器芯片。在液氮温度下对其增益、暗电流以及过噪因子等性能参数进行了测试分析,结果表明,所制备的碲镉汞APD焦平面芯片在-8.5 V反偏下平均增益达到166.8,增益非均匀性为3.33%;在0~-8.5 V反向偏置下,APD器件增益归一化暗电流为9.0×10^-14~ 1.6×10^-13 A,过噪因子F介于1.0~1.5之间。此外,还对碲镉汞APD焦平面进行了成像演示,并获得了较好的成像效果。     

中波1 280×1 024红外成像组件设计（特邀）

随着红外器件和成像技术的不断发展,各种夜视系统对百万像素的中波红外成像组件的需求越来越多。基于国产15 μm 1280×1024中波HgCdTe探测器,以探测器和杜瓦自身包络为基准,突破小体积、轻量化、一体化设计,研制出了紧凑型双FPGA处理平台的百万像素中波红外成像机芯组件,组件尺寸155 mm×95 mm×95 mm,质量为1400 g,支持SDI、Cameralink接口输出;在该平台上实现盲元替换、非均匀校正、降噪、细节增强、动态范围压缩、局部增强等实时图像处理算法,针对传统的红外成像算法提出了基于残差的非均匀校正算法与自适应局部增强算法,提升组件的成像性能。测试试验表明:组件实时输出分辨率为1280×1024像素的高质量低噪声的红外图像,噪声等效温差（NETD）<30 mK,组件满足高温60 ℃,低温?40 ℃工作要求,组件所采用的改进处理算法,最终输出图像提升明显。     

10 μm间距长波1280×1024碲镉汞探测器研制进展

随着红外技术的进步,红外探测器组件向着更小尺寸、更高分辨率的方向发展.小像元间距、大面阵规格是长波探测器发展的重要方向.通过对10μm像元间距、9μm截止波长、1280×1024阵列规格长波探测器的研究,突破了10μm间距长波像元成结技术、10μm像元间距铟柱制备及互连技术,制备了有效像元率大于等于99.4％、非均匀性小于等于4％的10 μm间距长波1280×1024碲镉汞探测器芯片.     

短/中波双色碲镉汞红外探测器性能分析研究

介绍了国内外双色红外探测器的发展现状,并报道了中国电子科技集团公司第十一研究所（以下简称“中电十一所”）自行研制的像元间距为30 μm的Si基320×256短/中波双色红外探测器的性能。在77 K测试条件下,短波和中波两个波段的盲元率分别为0.88%和1.47%,平均峰值探测率分别为2.21×10¹² cm·Hz^1/2·W^-1和2.13×10¹¹ cm·Hz^1/2·W^-1,后截止波长分别为3.129 μm和 5.285 μm,且短波向中波波段的光谱串音为1.38%,中波向短波波段的光谱串音为2.82%。同时,该探测器在双波段具有较好的成像效果,为后续更大面阵、更佳性能的多波段探测器研究提供了基础。     

小像元碲镉汞红外焦平面探测器的研究进展

随着红外技术的发展,探测器的尺寸、重量和功耗(SWaP)的减小已成为研究热点。像元尺寸的减小,一方面可以提高器件的分辨率,另一方面可以减小整个探测器系统的体积、重量和功耗,进而大大节约成本。因此,像元尺寸的减小成了研究的重点。本文介绍了小像元红外焦平面器件的技术难点,分别从系统的调制传递函数(Modulation Transfer Function,MTF)、噪声等效温差(Noise Equivalent Temperature Difference,NETD)、像元结构和像元集成互连方面进行了讨论。此外,介绍了国外像元中心距为12?m、10?m、8?m和5?m的HgCdTe红外焦平面探测器的研究进展。     

大面阵短波碲镉汞红外焦平面器件研究

随着红外焦平面技术的发展,大面阵红外焦平面器件在遥感、气象、资源普查和高分辨对地观测卫星上得到了广泛应用。因此,基于第三代红外焦平面技术的超大规模焦平面器件成为国内外研究热点。文中介绍了昆明物理研究所采用n-on-p技术路线成功研制的短波（Short Wave, SW） 2 k×2 k（18 μm,像元中心距）碲镉汞红外焦平面器件。短波2 k×2 k碲镉汞红外焦平面器件突破了大尺寸碲锌镉（CdZnTe）衬底制备和大面积液相外延薄膜材料生长技术,衬底尺寸由Φ75 mm增加到Φ90 mm,获得了高度均匀的大面积碲镉汞（HgCdTe）薄膜材料。通过大面阵器件工艺、大面阵倒装互连等技术攻关,最终获得了有效像元率大于99.9%、平均峰值探测率(D*)大于4×1012 (cm·Hz1/2)/W、暗电流密度在1 nA/cm2的高性能短波2 k×2 k（18 μm）碲镉汞红外焦平面器件。     

512×8像素级数字化长波红外探测器研究

像素级数字化红外探测器具有更高的性能水平和更强的抗干扰能力,是红外探测器技术发展的重要方向之一。通过突破像素级数字化读出电路设计、低峰谷碲镉汞材料外延、器件制备工艺以及倒装互连等关键技术,研制出了一种512×8像素级数字化长波红外探测器组件,并对其性能进行了测试。此探测器的响应波段为7.85～10.17 μm,平均峰值响应率为1.4×10¹¹ LSB/W,响应率非均匀性为9.13%,有效像元率为97.5%,噪声等效温差(Noise Equivalent Temperature Difference, NETD)为4.4 mK,动态范围为90.6 dB。测试结果表明,该探测器能够满足系统要求。     

高量子效率中波InAs/GaSb II类超晶格探测器分子束外延生长及特性

基于分子束外延（MBE）生长技术获得了高量子效率的InAs/GaSb T2SLs中波红外（MWIR）光电探测器结构材料,表现出了层状结构生长的光滑表面和出色的晶体结构均匀性。此超晶格中波红外探测器的50%截止波长约为5.5 μm,峰值响应率为2.6 A/W,77 K下量子效率超过了80%,与碲镉汞的量子效率相当。在77 K,-50 mV偏压下的暗电流密度为1.8×10^-6 A/cm²,最大电阻面积乘积（RA）（-50 mV偏压）为3.8×10⁵Ω·cm²,峰值探测率达到了6.1×10¹² cm Hz^{1 / 2}/W。