銻化物紅外探測(cè)器的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

■摘 要

銻化物探測(cè)器是當(dāng)前主要的紅外探測(cè)器類型之一, 主要包括InSb、 InAsSb、 InAlSb以及II類超晶格(T2SL)等紅外探測(cè)器, 覆蓋紅外短、中、長(zhǎng)波。銻化物探測(cè)器在精確制導(dǎo)、機(jī)載光電、視覺增強(qiáng)、天文觀測(cè)、氣象衛(wèi)星、火災(zāi)告警、人員搜救等軍事和民用領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。當(dāng)前紅外探測(cè)器已經(jīng)全面進(jìn)入第三代發(fā)展階段, 銻化物紅外探測(cè)器也不斷出現(xiàn)新技術(shù)、新特點(diǎn)和新應(yīng)用。本文詳細(xì)分析了銻化物紅外探測(cè)器的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀、工藝路線、技術(shù)特點(diǎn)等, 并對(duì)銻化物紅外探測(cè)器未來的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了預(yù)測(cè)。

0引 言

紅外探測(cè)器是紅外探測(cè)系統(tǒng)中的核心元件, 是將入射的紅外輻射能轉(zhuǎn)變成其他形式能量的轉(zhuǎn)換器, 是集電子科學(xué)與技術(shù)、材料學(xué)、凝聚態(tài)物理、光學(xué)工程、工程熱物理等多學(xué)科于一體的高技術(shù)產(chǎn)品, 是信息化的基礎(chǔ), 是國(guó)家重要的戰(zhàn)略資源, 同時(shí)也是國(guó)家綜合實(shí)力和科技水平的具體體現(xiàn)。紅外探測(cè)器一般由焦平面陣列芯片(FPA)、制冷器(斯特林制冷機(jī))、杜瓦和濾光片、光闌等內(nèi)置光學(xué)件組成, 外界目標(biāo)的紅外輻射經(jīng)帶通濾光片等內(nèi)置光學(xué)元件濾除不需要的光譜輻射后, 到達(dá)光敏芯片, 光敏芯片將紅外輻射轉(zhuǎn)換為電信號(hào), 輸出給信號(hào)處理系統(tǒng), 實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的探測(cè), 制冷器和杜瓦分別提供光敏芯片正常工作的低溫冷源和隔熱環(huán)境。

紅外探測(cè)器的發(fā)展主要始于第二次世界大戰(zhàn)后, 軍事應(yīng)用需求是推動(dòng)紅外探測(cè)器發(fā)展的主要?jiǎng)恿Α０凑瞻l(fā)展歷程, 紅外探測(cè)器通常被分為四代: 第一代以分立型為主, 元數(shù)在103元以下, 有線列和小面陣結(jié)構(gòu); 第二代為掃描型和凝視型焦平面結(jié)構(gòu), 規(guī)模在103~106元; 第三代以凝視型為主, 規(guī)模在106元以上, 且強(qiáng)調(diào)超大規(guī)模陣列、 高工作溫度、雙波長(zhǎng)(雙色)或多波長(zhǎng)(多色)響應(yīng)。而即將進(jìn)入的第四代主要特點(diǎn)包括“超越規(guī)?！薄ⅰ俺较裨?、光學(xué)集成和更強(qiáng)的智能化信息處理功能, 如圖1所示。

圖1制冷型紅外探測(cè)器發(fā)展歷史

Fig.1Development history of cooled infrared detectors

當(dāng)前, 高性能的制冷型紅外探測(cè)器均采用化合物半導(dǎo)體材料, 其中主要包括: HgCdTe、銻化物半導(dǎo)體(Antimonide Based Compound Semiconductor, ABCS)、量子阱探測(cè)器等, 如表1所示。其中銻化物半導(dǎo)體紅外探測(cè)器指的是以Sb元素為基礎(chǔ)的InSb, InAsSb, InAlSb, InAs/GaSb T2SL等紅外探測(cè)器, 覆蓋紅外短、中、長(zhǎng)波, 是目前主要的紅外探測(cè)器類型之一。

注: ★號(hào)越多, 表示在該項(xiàng)越有優(yōu)勢(shì)。

InSb紅外焦平面探測(cè)器在20世紀(jì)90年代發(fā)展成熟, 具有量子效率高、 穩(wěn)定性好等特點(diǎn), 目前在軍用中波紅外探測(cè)器系統(tǒng)中占據(jù)主導(dǎo)地位。與HgCdTe相比, InSb焦平面陣列材料缺陷密度低、位錯(cuò)密度小; InSb材料不存在組分均勻性問題, 晶元尺寸更大、均勻性更高, 也無由此產(chǎn)生的探測(cè)器光譜及響應(yīng)的不均勻性; InSb晶片是標(biāo)準(zhǔn)晶片, 可實(shí)現(xiàn)芯片自動(dòng)化生產(chǎn), 器件成本低、長(zhǎng)期使用穩(wěn)定性高, 在系統(tǒng)應(yīng)用中具有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)能力。

T2SL探測(cè)器是近年興起的新型本征吸收窄禁帶半導(dǎo)體材料, 在晶格匹配的GaSb襯底上生長(zhǎng), 可實(shí)現(xiàn)在整個(gè)紅外波段范圍內(nèi)響應(yīng)光譜可調(diào), 且屬于6.1?材料體系, 具有靈活的設(shè)計(jì)空間。與HgCdTe器件相比, T2SL最大的優(yōu)點(diǎn)是晶格穩(wěn)定性好, 工藝重復(fù)性和器件的均勻性容易保證, 與InSb器件工藝兼容性很高, 有利于制備出大規(guī)模焦平面探測(cè)器; 此外, T2SL的俄歇壽命和隧道電流也要優(yōu)于HgCdTe, 有利于器件暗電流的控制。T2SL可用于高工作溫度紅外探測(cè)器、長(zhǎng)波紅外探測(cè)器、雙色及多色探測(cè)器, 是HgCdTe探測(cè)器有力的競(jìng)爭(zhēng)者。

InAsSb和InAlSb同屬于三元合金, 通過分子束外延(MBE)技術(shù)生長(zhǎng), 用于高工作溫度紅外探測(cè)器。InAsSb主要在GaSb襯底上生長(zhǎng), 工作溫度在150 K左右, 截止波長(zhǎng)4.2 μm; InAlSb主要在重?fù)诫s的InSb襯底上生長(zhǎng), 工作溫度在110 K以上, 截止波長(zhǎng)4.8 μm, 可以覆蓋中波紅外的大氣透過窗口。InAsSb、InAlSb探測(cè)器制備工藝相對(duì)簡(jiǎn)單, 成本較低, 是高工作溫度紅外探測(cè)器領(lǐng)域的重要材料。

銻化物紅外探測(cè)器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于軍事和民用領(lǐng)域, 如圖2~3所示。軍事方面, 涉及精確制導(dǎo)、戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)情報(bào)搜集和目標(biāo)偵察監(jiān)視等領(lǐng)域, 是紅外制導(dǎo)類武器系統(tǒng)及光電搜索、偵察、告警類設(shè)備獲取目標(biāo)信息, 實(shí)現(xiàn)探測(cè)、截獲和跟蹤功能的核心元器件; 在航天領(lǐng)域, 紅外探測(cè)器已被成功應(yīng)用于氣象衛(wèi)星、 氣候監(jiān)測(cè)、空間紅外望遠(yuǎn)鏡等大型航天工程中, 發(fā)揮重要作用。民用方面, 紅外探測(cè)器在工業(yè)檢測(cè)、監(jiān)控、測(cè)溫、公安消防和監(jiān)視、醫(yī)學(xué)和科學(xué)探索等領(lǐng)域廣為使用, 應(yīng)用范圍越來越廣泛。

圖3F-35光電分布式孔徑系統(tǒng)(DAS)和光電偵查系統(tǒng)(EOTS)采用1 024×1 024 InSb焦平面陣列

Fig.3F-35 photoelectric distributed aperture system (DAS) and photoelectric detection system (EOTS) use 1 024×1 024 InSb focal plane array

1國(guó)內(nèi)外研究情況

1.1 國(guó)外銻化物探測(cè)器研制情況

國(guó)際上, 銻化物紅外探測(cè)器已全面進(jìn)入第三代, 具有超大規(guī)模陣列、高工作溫度、高靈敏度、雙色/多色成像等特點(diǎn)。以美國(guó)為例, 其研發(fā)體系完整, 包含由大學(xué)(Northwestern University、University of New Mexico等)、科研機(jī)構(gòu)(NASA、海軍實(shí)驗(yàn)室、空軍實(shí)驗(yàn)室等)、軍工企業(yè)(Raytheon、Lockheed Martin等)組成的從基礎(chǔ)研究、技術(shù)開發(fā)到產(chǎn)品開發(fā)的完整體系。近幾年由美國(guó)政府組織的VISTA項(xiàng)目將T2SL研發(fā)資源整合, 分工明確、強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合, 極大地促進(jìn)了T2SL紅外探測(cè)器的工程化進(jìn)展。此外, 在美國(guó), HgCdTe與銻化物探測(cè)器并重, 紅外中波領(lǐng)域主要以InSb為主, 長(zhǎng)波及雙色探測(cè)器領(lǐng)域以HgCdTe為主, 隨著T2SL紅外探測(cè)器的發(fā)展, 逐漸開始對(duì)InSb和HgCdTe在部分領(lǐng)域進(jìn)行替代。

國(guó)外主要的銻化物探測(cè)器廠商的具體情況如下:

a. 美國(guó)L3公司/Cincinnati Electronics

L3公司是世界第七大防務(wù)公司, 2004年收購(gòu)Cincinnati Electronics 后增強(qiáng)其紅外探測(cè)器研制能力。Cincinnati Electronics公司成立于1973年, 是著名的紅外焦平面陣列和相機(jī)制造商, 主要業(yè)務(wù)是為軍事裝備提供支持, 包括熱跟蹤導(dǎo)引頭、威脅告警、遠(yuǎn)距離偵查等。L3公司具備超大規(guī)模焦平面陣列制備能力, 如4K×4K/15、8K×8K/10 InSb焦平面陣列, 其中8K×8K焦平面陣列屬于全球領(lǐng)先產(chǎn)品。同時(shí)該公司還具有線性斯特林制冷機(jī)技術(shù)和數(shù)字/模擬讀出電路技術(shù)。L3公司已經(jīng)開始采用4″和5″InSb制備工藝, 并且擴(kuò)大了超凈間廠房, 為F-35的DAS系統(tǒng)提供支持。

在T2SL/nBn技術(shù)方面, L3公司是美國(guó)VISTA項(xiàng)目的成員之一, 通過該項(xiàng)目成功開發(fā)出中波高工作溫度nBn紅外探測(cè)器, 且在工程化進(jìn)展方面獲得巨大進(jìn)展。

b. Lockheed Martin/Santa Barbara Focalplane

Lockheed Martin公司是美國(guó)主要防務(wù)公司之一, 通過兼并Santa Barbara Focalplane形成InSb和nBn焦平面陣列的研制能力。Santa Barbara Focalplane公司成立于1985年, 主要為L(zhǎng)ockheed Martin公司和政府部門的實(shí)驗(yàn)室提供各類紅外探測(cè)器以支持其軍用裝備, 主要產(chǎn)品包括InSb和nBn焦平面陣列, 以及各種類型的杜瓦和制冷器。同時(shí)作為紅外探測(cè)器供應(yīng)商對(duì)外提供320×256、640×512、1 024×1 024以及1 280×1 024(12 μm和8 μm像元中心距)的InSb焦平面陣列。

c. Raytheon/Raytheon Vision Systems

Raytheon Vision Systems是Raytheon公司內(nèi)部探測(cè)器研發(fā)和生產(chǎn)中心, 主要產(chǎn)品是InSb、nBn/T2SL焦平面陣列, 其中nBn/T2SL焦平面陣列主要在Raytheon的Ⅲ-V實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行研發(fā), 產(chǎn)品主要應(yīng)用于航空航天裝備中, 在滿足母公司需求的前提下, 會(huì)對(duì)外進(jìn)行銷售。

Raytheon Vision Systems成立已有50余年, 擁有完整的InSb、T2SL探測(cè)器產(chǎn)品線, 包括320×256、640×512、1024×1024、2K×2K、4K×4K、高工作溫度、中/中雙色、中/長(zhǎng)雙色等。

d. FLIR Systems/Indigo Detector Operations

FLIR公司成立于1978年, 是全球主要的紅外成像系統(tǒng)供應(yīng)商, 包括軍用紅外系統(tǒng)和民用紅外系統(tǒng)。該公司通過在全球范圍內(nèi)的兼并不斷發(fā)展壯大, 2004年兼并Indigo公司將銻化物探測(cè)器納入其業(yè)務(wù)范圍, 主要產(chǎn)品包括InSb和T2SL長(zhǎng)波焦平面陣列。FLIR公司同時(shí)發(fā)展了讀出集成電路業(yè)務(wù), 以便與焦平面陣列芯片進(jìn)行集成。

FLIR公司自主開發(fā)紅外焦平面陣列和機(jī)芯, 最大限度地降低成本, 并集成到紅外系統(tǒng)中, 為其產(chǎn)品提供差異化及價(jià)格優(yōu)勢(shì)。銻化物探測(cè)器方面主要有640×512、1280×720、2048×1536/10 InSb焦平面陣列探測(cè)器等, 并已經(jīng)大量裝備于各類軍用武器裝備中。

e. 以色列Rafael&Elbit Systems/SCD公司

SCD公司成立于1976年, 隸屬于Rafael&Elbit Systems, 是以色列主要的紅外探測(cè)器供應(yīng)商, 同時(shí)也是世界范圍內(nèi)主要的探測(cè)器供應(yīng)商之一。SCD公司產(chǎn)品應(yīng)用范圍涉及熱成像瞄準(zhǔn)系統(tǒng)、戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈、機(jī)載及地面紅外視覺增強(qiáng)系統(tǒng)、遠(yuǎn)距離偵查系統(tǒng)、精確制導(dǎo)武器等軍用和民用領(lǐng)域, 其產(chǎn)品50%出口北美、歐洲、東亞等地區(qū)。2018年, SCD公司在美國(guó)成立了分部(SCD USA)。

f. 韓國(guó)KAIST/i3 system公司

i3 system成立于1998年, 隸屬于韓國(guó)科學(xué)技術(shù)院(KAIST), 是韓國(guó)主要的紅外探測(cè)器研發(fā)和制造商。該公司主要的貨架產(chǎn)品有:320×256/30/15 640×512/20/15 InSb焦平面陣列, 1280×1024/10 InSb焦平面陣列正在研發(fā)。在T2SL方面, i3公司正在研發(fā)640×512/15焦平面陣列, 用于中波和長(zhǎng)波探測(cè)。

此外, 法國(guó)Lynred公司, 近年來也開始著手建設(shè)銻化物探測(cè)器生產(chǎn)能力。

這些廠商的共同點(diǎn)主要有:

·大軍工公司子公司或控股;

·采用4 in芯片生產(chǎn)線并正在進(jìn)行6 in技術(shù)開發(fā), 設(shè)備自動(dòng)化程度高;

·實(shí)現(xiàn)1K×1K及以下系列InSb探測(cè)器量產(chǎn), InAs/GaSb T2SL探測(cè)器即將進(jìn)行量產(chǎn), 如表2所示。

1.2 國(guó)內(nèi)銻化物探測(cè)器研制情況

國(guó)內(nèi)銻化物紅外探測(cè)器目前處于第二代焦平面陣列實(shí)現(xiàn)批產(chǎn)階段, 第三代大陣列焦平面樣機(jī)研究階段, 如表3所示。主要的銻化物紅外探測(cè)器基本可以實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化, 形成了預(yù)先研究、產(chǎn)品開發(fā)、工程化應(yīng)用較為完整的技術(shù)鏈, 光譜范圍覆蓋短、中、長(zhǎng)、甚長(zhǎng)、雙色等。

1.3 國(guó)內(nèi)外研究對(duì)比分析

國(guó)內(nèi)銻化物紅外探測(cè)器設(shè)計(jì)與制造技術(shù)與國(guó)外相比, 存在5~10年的差距, 主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面: 在陣列規(guī)模方面, 國(guó)外可達(dá)單片4K×4K, 拼接8K×8K的陣列規(guī)模, 國(guó)內(nèi)實(shí)現(xiàn)1K×1K焦平面陣列樣機(jī); 在像元中心距方面, 國(guó)外最小像元中心距為5 μm, 國(guó)內(nèi)為10~12 μm; 在工作溫度方面, 國(guó)外已基本實(shí)現(xiàn)150 K焦平面探測(cè)器的工程化應(yīng)用, 國(guó)內(nèi)實(shí)現(xiàn)130 K的焦平面樣機(jī); 在長(zhǎng)波探測(cè)器方面, 國(guó)內(nèi)外均可實(shí)現(xiàn)大于12.5 μm響應(yīng)截止波長(zhǎng), 國(guó)外技術(shù)已接近工程化, 國(guó)內(nèi)仍處于樣機(jī)階段; 在中/短、中/長(zhǎng)雙色焦平面陣列方面, 國(guó)外陣列規(guī)模達(dá)到640×512, 接近工程化應(yīng)用, 國(guó)內(nèi)處于樣機(jī)階段; 在外延襯底方面, 國(guó)外已具備InSb 5 in、GaSb 4 in的量產(chǎn)能力, 國(guó)內(nèi)主要以2 in、 3 in為主; 此外, 國(guó)外數(shù)字化焦平面片的規(guī)模已達(dá)到640×512, 精度為16位。

2銻化物焦平面探測(cè)器技術(shù)路線

InSb焦平面探測(cè)器的制備工藝已經(jīng)十分成熟, 具有陣列規(guī)模大、有效像元率高、穩(wěn)定性高、工藝重復(fù)性好等特點(diǎn)。InSb單晶采用熔煉、直拉法等晶體生長(zhǎng)工藝制備, 摻入Te來形成n型半導(dǎo)體, 采用化學(xué)-機(jī)械拋光來減小表面缺陷。通過擴(kuò)散Cd工藝或離子注入Be工藝在表面進(jìn)行p型摻雜, 從而形成p+-on-n二極管。目前國(guó)內(nèi)常用的InSb單晶是2 in和3 in單晶片, 國(guó)際上6 in的InSb單晶片正在研發(fā)。

在InSb焦平面探測(cè)器方面, 采用濕法腐蝕/干法刻蝕形成臺(tái)面; 采用SiOX、SiON等介質(zhì)膜對(duì)芯片表面進(jìn)行鈍化, 減小表面漏電流; 采用Ti/Ni/Au或Cr/Au電極形成良好的歐姆接觸, 完成焦平面陣列芯片的制備。讀出電路在完成電路及芯片版圖設(shè)計(jì)后, 采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝在集成電路代工廠進(jìn)行流片加工, 流片完成后再經(jīng)測(cè)試、篩選及銦柱制備滿足焦平面芯片制備需要[4]。

InSb焦平面芯片的封裝主要有四種結(jié)構(gòu), 如圖4所示。(1)非填充膠式: 在InSb芯片制作好后, 生長(zhǎng)銦柱, 互連, 填充易溶式支撐材料, 減薄、溶解支撐材料, 共用電極為N。該技術(shù)使用較少, 主要出現(xiàn)于早期小面陣InSb探測(cè)器制作。(2)Si轉(zhuǎn)移固定技術(shù): 在InSb芯片制作好后, 先粘到中介載體上, 減薄, 再轉(zhuǎn)移到雙拋Si片上, 生長(zhǎng)銦柱, 互連, 共用電極為N, 通過增加Si支撐片, 可有效增強(qiáng)InSb芯片對(duì)熱失配的抵抗能力。(3)填充膠式: 在InSb芯片制作好后, 生長(zhǎng)In柱, 互連, 填充膠, 固化, 減薄, 共用電極為N, 該技術(shù)在中、小面陣InSb探測(cè)器應(yīng)用較多, 大部分公司采用該結(jié)構(gòu), 為主流結(jié)構(gòu)。(4)InSb-Si鍵合技術(shù): InSb成結(jié)后, 與雙拋p-Si鍵合, 減薄, 刻蝕成陣列, 生長(zhǎng)銦柱, 互連, 共用電極為P。該技術(shù)與前三種最大的不同是, 消除了探測(cè)器與Si讀出電路的應(yīng)力失配, 可靠性高, 適合于中大規(guī)模的InSb焦平面探測(cè)器制備方案, 目前只有LJ公司采用該技術(shù)路線。

圖4InSb焦平面探測(cè)器技術(shù)路線

Fig.4InSb focal plane detector technology route

在杜瓦方面, 以系列化金屬杜瓦為主, 同時(shí)還可使用玻璃杜瓦、金屬—玻璃復(fù)合杜瓦、快啟動(dòng)金屬薄壁結(jié)構(gòu)滿足不同的應(yīng)用要求; 在制冷方面, 可根據(jù)用戶需求選配機(jī)械制冷機(jī)以及自調(diào)式、直噴式J-T、斯特林制冷器等多種結(jié)構(gòu)。

在T2SL探測(cè)器方面, 主要在GaSb襯底上, 采用分子束外延工藝制備, 而在InAs襯底上采用MOCVD生長(zhǎng)T2SL材料的工藝也正在快速發(fā)展。T2SL因材料及芯片結(jié)構(gòu)差異而制備工藝稍有不同外, 其余與InSb探測(cè)器基本相同, 如圖5所示。CaSb襯底和InSb襯底的制備工藝基本相同, 但外延襯底對(duì)缺陷密度、表面粗糙度等要求更為嚴(yán)格。分子束外延設(shè)備能對(duì)材料進(jìn)行原子層厚度級(jí)別的精確調(diào)控, 有利于對(duì)材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確控制。

圖5銻化物焦平面陣列工藝路線

Fig.5Antimonide focal plane array process route

3InSb探測(cè)器

3.1 InSb探測(cè)器簡(jiǎn)介

InSb是一種具有閃鋅礦結(jié)構(gòu)的Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體材料, 具有較窄的禁帶寬度和較高的電子遷移率, 在77 K溫度下, 其禁帶寬度為0.227 eV, 對(duì)3~5.5 μm紅外波段非常敏感, 由于是本征吸收, 量子效率高, 因此廣泛應(yīng)用于中波紅外探測(cè)器的研制[5]。InSb探測(cè)器性能好, 成本低, 器件制造工藝成熟, 雖然由于本征載流子濃度原因?qū)е缕淅碚撋系男阅軜O限低于HgCdTe, 但從西方發(fā)達(dá)國(guó)家數(shù)十年來的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)來看, InSb始終是最重要的紅外探測(cè)器之一, 在紅外制導(dǎo)及紅外光電設(shè)備等高性能軍用系統(tǒng)應(yīng)用中波紅外探測(cè)器領(lǐng)域中占主導(dǎo)地位。

InSb探測(cè)器始于20世紀(jì)50年代, 60年代研制出多元、線列探測(cè)器, 80年代開始焦平面探測(cè)器的研制, 至90年代基本發(fā)展成熟, 目前向著更小光敏元尺寸、更大陣列規(guī)模的方向發(fā)展。InSb探測(cè)器擁有完整的產(chǎn)品系列, 包括128×128,320×256,640×512,1K×1K,2K×2K,4K×4K,8K×8K以及其他定制規(guī)格, 像元中心距主要有12, 15, 25, 30, 50等, 10 μm及更小的像元中心距的產(chǎn)品也已經(jīng)開發(fā)成功, 如圖6~7所示。2K×2K及以下的InSb焦平面陣列已經(jīng)成為商用貨架產(chǎn)品, 并且8K×8K已經(jīng)在宇航和軍用領(lǐng)域得到應(yīng)用。InSb探測(cè)器無論是技術(shù)性能、陣列規(guī)模, 還是探測(cè)器生產(chǎn)規(guī)模, 代表了當(dāng)今紅外探測(cè)器發(fā)展的最高水平。

圖6RVS公司InSb焦平面陣列發(fā)展歷史

Fig.6RVS InSb focal plane array development history

圖74×2K×2K ORION InSb焦平面陣列用于天文望遠(yuǎn)鏡

Fig.74×2K×2K ORION InSb focal plane array for astronomical telescope

InSb紅外焦平面陣列按用途形成了不同的技術(shù)特點(diǎn)。低背景戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用的InSb陣列特點(diǎn)為規(guī)模大、噪聲低、工作溫度低、幀頻低; 中、高背景戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用的InSb陣列主要用于導(dǎo)彈制導(dǎo)和熱成像。陣列特點(diǎn)為規(guī)模適度、電荷處理能力強(qiáng)、幀頻高。InSb焦平面探測(cè)器在美國(guó)軍用中波紅外系統(tǒng)中占有主導(dǎo)地位, 主要包括精確制導(dǎo)和紅外熱成像兩個(gè)方面。在精確制導(dǎo)方面主要有: AIM-9X“響尾蛇”空空導(dǎo)彈(128×128), FIM-92E/F“毒刺”便攜防空彈(128×128), THAAD“薩德”末端高空防御反導(dǎo)導(dǎo)彈(256×256), RIM-116B“拉姆”艦載防空反導(dǎo)導(dǎo)彈(128×1)等; 紅外熱成像方面主要有: V-14M多傳感器機(jī)載系統(tǒng)(320×240), Star SAFIREⅢ, Sea Star SAFIRE Ⅲ轉(zhuǎn)塔(640×480), AN/AAQ-27、AN/AAQ-29系統(tǒng)(640×480), AN/AAS-5多光譜瞄準(zhǔn)系統(tǒng)(MTS-A)(640×480), Global Hawk集成傳感器(ISS)(640×480)等。此外, 俄羅斯、以色列、南非等國(guó)家也使用了大量裝備InSb焦平面探測(cè)器的軍用紅外系統(tǒng)。

3.2 分子束外延InSb

英國(guó)QinetiQ公司和以色列SCD公司分別采用分子束外延技術(shù)在重?fù)诫s的InSb襯底上生長(zhǎng)pin結(jié)構(gòu)的InSb。通過控制材料的摻雜濃度以及采用更為精細(xì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能有效控制熱生載流子, 減小器件的暗電流水平, 從而提升探測(cè)器的工作溫度。2003年英國(guó)QinetiQ公司報(bào)道了256×256 InSb焦平面探測(cè)器, 110 K溫度下成像質(zhì)量與80 K溫度下十分相近, 且在130 K溫度下仍然保持較好的成像效果, 如圖8所示。2007年以色列SCD公司推出兩款商用外延InSb產(chǎn)品PICCOLO“C”和GALI, 在95 K溫度下探測(cè)器性能指標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)離子注入工藝80 K溫度下性能指標(biāo)相當(dāng)。外延InSb完全繼承了傳統(tǒng)InSb工藝的優(yōu)點(diǎn), 且能夠減低探測(cè)器組件功耗20%~30%, 同時(shí)配合相應(yīng)的臺(tái)面制備工藝能夠有效減小光生載流子的橫向擴(kuò)散, 從而減小光敏元之間的光學(xué)串音。

圖8256×256 InSb焦平面探測(cè)器成像

Fig.8256 × 256 InSb focal plane detector imaging

2014年法國(guó)SOFRADIR公司的Evirgen等人采用分子束外延nBn結(jié)構(gòu)的InSb, 進(jìn)一步減小探測(cè)器內(nèi)部暗電流[6,7]。該方案采用InAlSb材料作為nBn結(jié)構(gòu)中的勢(shì)壘層, 為了減小勢(shì)壘層對(duì)外延材料產(chǎn)生的失配作用, 采用Al組分漸變的勢(shì)壘結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì), 將Al組分由小到大逐漸增加, 同時(shí)調(diào)控勢(shì)壘層的摻雜濃度, 保證勢(shì)壘層導(dǎo)帶/價(jià)帶對(duì)器件內(nèi)部載流子輸運(yùn)的選通作用。在標(biāo)準(zhǔn)的Ⅲ-V半導(dǎo)體器件測(cè)試系統(tǒng)中, 在F/3和量子效率80%的標(biāo)準(zhǔn)條件下, 以暗電流低于光電流兩個(gè)數(shù)量級(jí)為標(biāo)準(zhǔn), 衡量探測(cè)器的工作溫度。nBn結(jié)構(gòu)的InSb探測(cè)器能夠工作于120 K, pin結(jié)構(gòu)的InSb能夠工作于100 K, 而離子注入工藝的InSb工作溫度為80 K, 如圖9所示。

圖9三種不同制備工藝InSb探測(cè)器工作溫度對(duì)比

Fig.9Comparison of InSb working temperature detector with three different preparation processes

3.3 InSb平面雙色探測(cè)器

雙色探測(cè)器通過對(duì)比目標(biāo)在兩個(gè)波段內(nèi)的光譜信息來增強(qiáng)對(duì)目標(biāo)的識(shí)別能力, 在精確制導(dǎo)和來襲告警等領(lǐng)域能夠降低虛警率。對(duì)于InSb探測(cè)器, 通常是通過濾光片將InSb的響應(yīng)波段分成兩個(gè)部分。主要采用的技術(shù)方案有: 分立集成(Hybrid)和單片集成(Monolithic)。

分立集成主要是通過光學(xué)分光, 將不同波段的紅外輻射透射到兩個(gè)分立InSb焦平面探測(cè)器上, 具有高幀頻、高空間分辨率、高光譜分辨率等, 但對(duì)光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)有很高的要求, 且在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上要求更大的空間。2012年以色列SCD公司推出了一款分立式雙色I(xiàn)nSb焦平面探測(cè)器, 由兩個(gè)480×384/20 數(shù)字InSb焦平面陣列組成, 每個(gè)焦平面陣列有獨(dú)立的冷屏和濾光片, 如圖10所示。將探測(cè)器的光學(xué)系統(tǒng)集成到同一個(gè)杜瓦中以減小整體的重量和體積, 信號(hào)輸出通過讀出電路同步[8]。

圖10雙色IDCA探測(cè)器組件

Fig.10The two-color IDCA detector assembly

單片集成主要是采用單個(gè)InSb焦平面陣列, 通過濾光膜來對(duì)不同區(qū)域的光敏元的響應(yīng)波段進(jìn)行分區(qū)。濾光膜制備到單獨(dú)的濾光片上或直接制備到探測(cè)器芯片表面。單片集成雙色探測(cè)器和單色I(xiàn)nSb探測(cè)器具有幾乎完全相同的系統(tǒng)設(shè)計(jì), 但是會(huì)損失探測(cè)器的空間分辨率, 濾光膜的制備工藝要求很高, 并且存在串音風(fēng)險(xiǎn)。2003年Cincinnati Electronics發(fā)表了一種并列式雙色I(xiàn)nSb焦平面探測(cè)器設(shè)計(jì)方案, 如圖11(a)所示[9]。該方案在Si基的CCD可見光相機(jī)中已經(jīng)被應(yīng)用, 并且可以有多種不同的雙色組合方案, 如圖11(b)所示的棋盤格式方案等。

圖11并列式和棋盤格式雙色焦平面探測(cè)器

Fig.11Side-by-side and checkerboard format dual-color focal plane detectors

4 T2SL探測(cè)器

4.1 T2SL探測(cè)器簡(jiǎn)介

T2SL材料通常采用分子束外延技術(shù)生長(zhǎng)。通過調(diào)節(jié)多層半導(dǎo)體薄膜的排列周期及摻雜濃度可對(duì)其禁帶寬度進(jìn)行“人工裁剪”, 實(shí)現(xiàn)從短波至甚長(zhǎng)波紅外波段吸收的調(diào)節(jié)。T2SL材料主要包括InAs/GaSb、InAs/GaInSb以及InAs/InAsSb等, 主要在GaSb襯底上生長(zhǎng)以實(shí)現(xiàn)晶格匹配。

InAs/GaSb T2SL材料是由InAs薄膜和GaSb薄膜按照不同的排列周期, 相互堆疊形成。在InAs和GaSb層的界面, InAs層的導(dǎo)帶頂比GaSb層的價(jià)帶底還要低約150 meV, 從而形成type-Ⅱ類異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。T2SL材料的禁帶寬度是由布里淵區(qū)中電子微帶(C1)底和第一重空穴微帶(HH1)頂之間的帶隙構(gòu)成的。根據(jù)薄膜的厚度及排列方式不同, 理論上T2SL的禁帶寬度可以在0~400 meV之間連續(xù)調(diào)節(jié), 如圖12所示。

圖12InAs/GaSb超晶格能帶結(jié)構(gòu)示意圖

Fig.12InAs / GaSb superlattice energy band structure diagram

T2SL材料的研究最早可追溯到1977年, Sai-Halasz等人第一次在理論上提出了InAs/GaSb T2SL的概念。從2000年開始, 隨著分子束外延技術(shù)的迅速進(jìn)步, 國(guó)際上不斷涌現(xiàn)出以T2SL材料為基礎(chǔ)的理論研究、材料制備研究及器件研究。歐美研究機(jī)構(gòu)對(duì)高質(zhì)量的T2SL材料設(shè)計(jì)與生長(zhǎng)、器件物理機(jī)理和焦平面探測(cè)器研制等進(jìn)行了全面研究, 并在T2SL材料系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)研究和材料應(yīng)用方面取得了重大突破, 如圖13所示。同時(shí)T2SL材料應(yīng)用到第三代紅外探測(cè)器上的技術(shù)優(yōu)勢(shì)得到了充分驗(yàn)證。目前, T2SL焦平面陣列的性能已經(jīng)十分接近HgCdTe和InSb[10,11,12]。

圖13T2SL焦平面陣列發(fā)展路線圖

Fig.13T2SL focal plane array development roadmap

T2SL焦平面陣列的主要優(yōu)勢(shì)包括:

·材料外延工藝和器件制備工藝成熟;

·材料均勻性好;

·器件響應(yīng)波長(zhǎng)在很寬的范圍內(nèi)可調(diào)節(jié);

·較小的Auger復(fù)合率。

國(guó)際上主要的紅外探測(cè)器制造廠商都投入了大量的資源進(jìn)行開發(fā), 其中最為著名的是美國(guó)VISTA項(xiàng)目。美國(guó)通過VISTA項(xiàng)目極大地推動(dòng)了中波、長(zhǎng)波和雙色T2SL焦平面陣列的發(fā)展。VISTA項(xiàng)目尋求建立T2SL焦平面陣列的工程化生產(chǎn)能力, 包括材料生長(zhǎng)、讀出電路、焦平面陣列工藝、器件封裝等。該項(xiàng)目采用“水平整合(horizontal integration)”的方式來推進(jìn)T2SL焦平面陣列的發(fā)展, 而非之前的“垂直整合(vertical integration)”模式。垂直整合是將項(xiàng)目研制的所有環(huán)節(jié)全部由一家公司承擔(dān), 而水平整合是將項(xiàng)目的每個(gè)環(huán)節(jié)分別交給具有很強(qiáng)基礎(chǔ)的公司來承擔(dān), 通過強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合來快速推進(jìn)項(xiàng)目進(jìn)展。在VISTA項(xiàng)目的推動(dòng)下, T2SL焦平面陣列已經(jīng)開始進(jìn)入美國(guó)主要軍事項(xiàng)目, 例如F-35的下一代DAS。

4.2 高工作溫度紅外探測(cè)器

高工作溫度探測(cè)器是T2SL焦平面陣列的主要研究方向之一。以器件和材料結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)為兩個(gè)方向, 降低器件暗電流和噪聲, 從而提高探測(cè)器的工作溫度[13,14], 如圖14所示。

圖143 in襯底上制備的T2SL 2K×2K探測(cè)器的高溫成像圖

Fig.14High-temperature imaging of the T2SL 2K × 2K detector prepared on the 3-inch substrate

2006年美國(guó)的Maimon首次提出了nBn結(jié)構(gòu)的中波紅外勢(shì)壘器件, 并演示了該結(jié)構(gòu)在暗電流壓制上的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。通過將探測(cè)器的暗電流壓制到一個(gè)接近系統(tǒng)測(cè)試極限的水平, 該探測(cè)器的背景限溫度成功地被提升到了150 K以上。美國(guó)Northwestern University 2012年報(bào)道了采用中波異質(zhì)結(jié)的T2SL探測(cè)器, 實(shí)現(xiàn)了5 μm中波焦平面150 K以上成像, 130 K以下NETD保持11 mK。其后又在2015年報(bào)道了基于pMp結(jié)構(gòu)的320×256單級(jí)型InAs/GaSb焦平面陣列, 當(dāng)工作溫度為150 K時(shí), 像元的暗電流密度為1.2×10-5A/cm2, 截止波長(zhǎng)4.9 μm, 量子效率可達(dá)67%。2013年Teledyne公司推出了小型高工作溫度T2SL紅外焦平面探測(cè)器, 分辨率為640×512, 工作溫度可達(dá)150 K, 響應(yīng)波長(zhǎng)3~5 μm, 整機(jī)功耗小于8 W, 具備體積小、重量輕、低功耗等特點(diǎn), 如圖15所示。

圖15640×512小型高工作溫度T2SL紅外焦平面探測(cè)器組件

Fig.15640 × 512 high operating temperature T2SL infrared focal plane detector assembly

美國(guó)Lockheed Martin公司將“引領(lǐng)全球nBn結(jié)構(gòu)的紅外探測(cè)器技術(shù)”作為公司的發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo), 并于2015年推出了nBn結(jié)構(gòu)的1 280×1 024中波紅外焦平面探測(cè)器樣機(jī), 像元尺寸達(dá)到8 μm。此外, 美國(guó)空軍實(shí)驗(yàn)室、雷神公司、美國(guó)海軍實(shí)驗(yàn)室、新墨西哥大學(xué)、瑞典Irnova公司、法國(guó)Sofradir公司、德國(guó)弗朗霍夫研究所等國(guó)際上主要紅外探測(cè)器研制廠商都開展了高工作溫度紅外探測(cè)器的研制工作。

在長(zhǎng)波高工作溫度方面, 由于禁帶寬度更窄, 熱生載流子引起的噪聲更加明顯, 主要采用InAs/InAsSb T2SL材料以提高器件性能。德國(guó)的IAF、波蘭的VIGO System在GaAs襯底上外延生長(zhǎng)InAs/InAsSb材料, 截止波長(zhǎng)在10 μm左右, 并且采用在芯片上制備微透鏡來提高探測(cè)器的響應(yīng)率。

4.3 長(zhǎng)波紅外探測(cè)器

T2SL焦平面陣列另一主要研究方向是長(zhǎng)波紅外探測(cè)器。長(zhǎng)波紅外探測(cè)器禁帶寬度更窄, 更容易受熱生載流子的影響, 在材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及器件制備過程中需要盡可能減小器件內(nèi)部暗電流, 以減小器件噪聲。大氣環(huán)境下, 常溫物體自身輻射以及反射陽光的紅外輻射的峰值波段主要在長(zhǎng)波波段, 因此, 長(zhǎng)波紅外探測(cè)器具有重要應(yīng)用價(jià)值[15]。

T2SL材料內(nèi)部自身的Auger復(fù)合率較低, 有利于實(shí)現(xiàn)更小的暗電流水平, 晶格常數(shù)處于6.1?附近, 包含GaSb、InAs、AlSb, 具有靈活的材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)空間, 可以設(shè)計(jì)成nBn、M型等勢(shì)壘型異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)來減小暗電流。此外, T2SL材料的電子有效質(zhì)量在長(zhǎng)波波段比HgCdTe更有優(yōu)勢(shì)。因此, T2SL焦平面陣列被認(rèn)為是HgCdTe在長(zhǎng)波波段的有力競(jìng)爭(zhēng)者。

俄亥俄州萊特-帕特森(Wright-Patterson AFB, OH, USA)空軍基地空軍研究實(shí)驗(yàn)室于2004年報(bào)道了一個(gè)甚遠(yuǎn)紅外探測(cè)器。他們通過理論計(jì)算模擬和實(shí)驗(yàn)研究了不同InAs、GaSb子層厚度以及引入In組分對(duì)超晶格截止波長(zhǎng)和器件性能的影響。美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室于2006年報(bào)道了他們制作的GaSb基InAs/GaSb T2SL長(zhǎng)波紅外光電二極管, 80 K時(shí)探測(cè)率為8×1010 cmHz1/2/W, 探測(cè)器截止波長(zhǎng)為12 μm。2010年該實(shí)驗(yàn)室又報(bào)道了1 K×1 K長(zhǎng)波T2SL探測(cè)器, NETD為53 mK, 如圖16所示。2007年美國(guó)Northwestern University報(bào)道了320×256/25長(zhǎng)波焦平面陣列, 截止波長(zhǎng)為12 μm, 有效像元率為97%, NETD最高達(dá)到270 mK, 器件性能有待優(yōu)化。2012年又報(bào)道了高性能1024×1024/18長(zhǎng)波焦平面陣列, 采用M勢(shì)壘結(jié)構(gòu), 量子效率大于50%, NETD約為27 mK。2009年美國(guó)雷神夜視報(bào)道了256×256長(zhǎng)波焦平面陣列, 截止波長(zhǎng)10.5 μm, 工作溫度80 K。2015年以色列SCD公司報(bào)道了640×512/15 Pelican-D長(zhǎng)波焦平面探測(cè)器, 截止波長(zhǎng)9.5 μm, 有效像元率大于99%, 量子效率為48%, NETD為15 μm, 整機(jī)重量750 g, 如圖17所示。

圖161K×1K 長(zhǎng)波T2SL FPA在80 K下成像

Fig.16 1K × 1K long wave T2SL FPA imaging at 80 K

圖17640×512/15 Pelican-D長(zhǎng)波焦平面探測(cè)器組件及成像圖

Fig.17640 × 512/15 Pelican-D long wave focal plane detector assembly and imaging diagram

4.4 雙色及多色探測(cè)器

在InAs/GaSb T2SL多色探測(cè)器研究中, 美國(guó)、德國(guó)和以色列等國(guó)家一直處于世界領(lǐng)先地位[16,17,18]。美國(guó)Northwestern University量子器件中心以InAs/GaSb T2SL材料體系實(shí)現(xiàn)了從短波、 中波到長(zhǎng)波波段的多色探測(cè)。首次報(bào)道了短波/中波雙色640×512紅外焦平面器件, 短波通道結(jié)構(gòu)pin異質(zhì)結(jié), 中波通道結(jié)構(gòu)為N-M-π-P。中波通道通過引入InAs/GaSb/AlSb/GaSb勢(shì)壘超晶格抑制器件暗電流[19]。焦平面成像如圖18所示, 在150 K工作溫度下, 器件短波和中波段截止波長(zhǎng)分別為2.2 μm和5 μm。從圖中可以看出, 短波段通道與中波段通道在火焰成像、藍(lán)寶石眼鏡成像以及背景等方面存在不同的成像特征。此外, 2016年該團(tuán)隊(duì)通過雙電極偏壓調(diào)制實(shí)現(xiàn)了高性能的短/中/長(zhǎng)波三色探測(cè)器。中波和長(zhǎng)波通道采用InAs/GaSb T2SL結(jié)構(gòu), 短波通道使用InAs/GaSb/AlSb/GaSb “M”型超晶格既可作為短波響應(yīng), 也可作為中波和長(zhǎng)波的勢(shì)壘。2010年德國(guó)Fraunhofer實(shí)驗(yàn)室首次報(bào)道了實(shí)用型的中波/中波288×384雙色焦平面探測(cè)器[20], 藍(lán)色通道的NETD達(dá)到了18 mK, 紅色通道則達(dá)到了10 mK, 顯示出極高的成像質(zhì)量及較低的光學(xué)串?dāng)_, 如圖19所示。

圖18150 K下640×512 T2SL雙色紅外焦平面成像

Fig.18 640 × 512 T2SL dual-color infrared focal plane imaging at 150 K

圖1977 K下中波雙色焦平面成像

Fig.19Mid-wave dual-color focal plane imaging at 77 K

在目前的多色紅外探測(cè)器研究中, 如何通過器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)降低光學(xué)串?dāng)_是多色紅外探測(cè)器中存在的關(guān)鍵問題之一。此外, 近年來隨著InAs/InAsSb及其相應(yīng)的勢(shì)壘超晶格在能帶設(shè)計(jì)和材料外延上的突破, 基于InAs/InAsSb T2SL體系的紅外探測(cè)器研究得到迅速發(fā)展。因此, 基于PBP雙色器件結(jié)構(gòu), 將InAs/InAsSb T2SL取代其中的InAs/GaSb T2SL理論上能夠?qū)崿F(xiàn)高工作溫度下的中/短波雙色紅外探測(cè)。

4.5 InAsSb探測(cè)器

InAsSb屬于三元合金材料, 通過調(diào)節(jié)InSb和InAs的比例能夠調(diào)節(jié)禁帶寬度[21,22,23]。InAsSb的晶格常數(shù)與外延襯底GaSb匹配, 150 K溫度下截止波長(zhǎng)在4.2 μm左右。InAsSb探測(cè)器的材料結(jié)構(gòu)主要采用nBn、XBn、pBp等來減小器件內(nèi)部暗電流, 實(shí)現(xiàn)高工作溫度。nBn結(jié)構(gòu)是在兩個(gè)n型半導(dǎo)體材料之間插入一層勢(shì)壘層, 沒有傳統(tǒng)pn結(jié)的耗盡層, 因此與耗盡層相關(guān)的G-R電流和隧穿電流被大幅減小。通過勢(shì)壘結(jié)構(gòu)在導(dǎo)帶和價(jià)帶上的帶階設(shè)計(jì), 在減小噪聲的同時(shí), 不會(huì)對(duì)光生載流子的傳輸產(chǎn)生明顯影響。此外, nBn結(jié)構(gòu)有利于減小表面漏電流, 由此減小對(duì)表面鈍化工藝的要求。

首款商用的InAsSb探測(cè)器是由Santa Barbara Focalplane開發(fā)完成, 工作溫度在145~175 K之間。IRCameras公司的QUAZIRHD Camera采用Santa Barbara Focalplane提供的1280×1024/12 InAsSb焦平面陣列, 工作壽命可達(dá)25000 h, 功耗約為5 W。SCD公司的InAsSb焦平面陣列主要采用XBn結(jié)構(gòu), 其Hercules產(chǎn)品的陣列規(guī)模為1280×1024, 像元中心距為15 μm, 幀頻為100 Hz, NETD小于25 mK, 有效像元率大于99.5%, 工作溫度為150 K, 工作波段為2.0~4.2 μm, 如圖20所示。將探測(cè)器工作溫度由80 K提升到150 K后, 能夠顯著減小探測(cè)器組件的功耗、啟動(dòng)時(shí)間、重量等, 如圖21所示。SCD公司已將InAsSb焦平面陣列開發(fā)成貨架產(chǎn)品, 并且計(jì)劃將現(xiàn)有InSb產(chǎn)品系列均開發(fā)相同規(guī)格的InAsSb焦平面探測(cè)器產(chǎn)品。2015年Cyan Systems發(fā)布了一款2 040×1 156/5的超大InAsSb焦平面陣列, 是目前陣列規(guī)模最大, 像元最小的InAsSb焦平面陣列。

圖201 280×1 024 Hercules XBn焦平面陣列

Fig.201 280×1 024 Hercules XBn focal plane array

圖21高工作溫度探測(cè)器明顯優(yōu)勢(shì)

Fig.21Obvious advantages of the high operating temperature detector

4.6 InAlSb探測(cè)器

InAlSb是根據(jù)第三代紅外探測(cè)技術(shù)的要求對(duì)InSb材料的進(jìn)一步發(fā)展[24,25]。AlSb的禁帶寬度為2.386 eV, InSb的禁帶寬度為0.235 eV, 在InSb中加入少量的Al組分能夠有效提升禁帶寬度, 從而減小由溫度升高引起的熱噪聲。InSb在77 K溫度下截止波長(zhǎng)為5.4 μm, 加入Al組分后吸收波長(zhǎng)向短波偏移 根據(jù)經(jīng)典Varshni模型, 4.8 μm截止波長(zhǎng)的InAlSb中Al組分為1.83%, 與InSb襯底的晶格失配為0.095%, 有利于實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、低缺陷的外延材料生長(zhǎng)。此外, 基于InSb的焦平面紅外探測(cè)器制備技術(shù)已經(jīng)十分成熟, 由于Al組分很少, 在探測(cè)器制備工藝上InAlSb與InSb的兼容性很高, 有利于制備出大面陣、高質(zhì)量的焦平面陣列器件。

2003年英國(guó)QinetiQ公司采用分子束外延的方式生長(zhǎng)了InSb和InAlSb材料。其制備的InAlSb p+-n-n+結(jié)構(gòu)焦平面器件中Al組分為3.5%, 截止波長(zhǎng)4.2 μm。2005年以色列的SCD公司制備出320×256的InAlSb焦平面器件, 同樣采用p+-n-n+結(jié)構(gòu), Al組分為1.8%, 截止波長(zhǎng)4.8 μm, 暗電流和InSb相比低一個(gè)數(shù)量級(jí), 在110 K的工作溫度下能夠?qū)?.5 km外的電線桿清晰地成像, 如圖22所示。但由于p+-n-n+結(jié)構(gòu)中耗盡層的影響, 130 K以下InAlSb器件的暗電流仍以G-R電流為主, 沒有達(dá)到擴(kuò)散限, 如何進(jìn)一步減小器件內(nèi)部暗電流是提升工作溫度的關(guān)鍵所在。

圖22SCD公司320×256 InAlSb探測(cè)器對(duì)1.5 km外電線桿成像

Fig.22Image of a telephone pole far away 1.5 km by SCD’s 320 × 256 InAlSb detector

5 未來發(fā)展趨勢(shì)

隨著MOCVD和MBE等外延生長(zhǎng)技術(shù)的應(yīng)用, 器件制造技術(shù)與材料生長(zhǎng)技術(shù)將更加密不可分; 先進(jìn)的硅集成電路設(shè)計(jì)與制造技術(shù)、計(jì)算機(jī)信息處理技術(shù)使得探測(cè)器具備更多的功能和信息處理手段。

未來銻化物探測(cè)器的技術(shù)發(fā)展主要體現(xiàn)在:

(1) 光敏元數(shù)量向大規(guī)模、超大規(guī)模陣列方向發(fā)展, 例如美國(guó)已經(jīng)制訂8 K×8 K乃至更大規(guī)模陣列焦平面的發(fā)展規(guī)劃。光敏元尺寸向更小方向發(fā)展, 8 μm像元中心距的產(chǎn)品已有相關(guān)產(chǎn)品報(bào)道, 并且將進(jìn)一步減小到5 μm甚至更小。在具體的焦平面芯片制備工藝方面, 為降低生產(chǎn)成本, 提高制造成品率, 則呈現(xiàn)多種工藝路線并存的局面[26]。

(2) 在讀出電路發(fā)展方面, 借助于微電子技術(shù)的發(fā)展, 其陣列規(guī)模不斷增大, 功能越來越強(qiáng), 視窗選擇、 盲元剔除、非均勻校正、探測(cè)器信號(hào)模數(shù)轉(zhuǎn)換、高速傳輸及預(yù)放大處理、2D或3D圖像處理等功能已經(jīng)或即將出現(xiàn), 智能化成為發(fā)展方向。

(3) 信息處理的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化, 使得前置放大或預(yù)處理電路逐步成為探測(cè)器的有機(jī)組成部分; 二元光學(xué)技術(shù)的應(yīng)用及設(shè)計(jì)理念的變更, 加速了部分系統(tǒng)光學(xué)零部件向探測(cè)器的集成。

銻化物紅外探測(cè)器領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展路線如圖23所示。預(yù)期至2025年, 銻化物探測(cè)器陣列規(guī)模將達(dá)8 K×8 K, 像元中心距可達(dá)5 μm, NETD在5~10 mK左右, 光譜拓展到16 μm, 探測(cè)器可在150~180 K溫度條件下正常工作, 達(dá)到熱電制冷溫度區(qū)域; 至2030年, 探測(cè)器的發(fā)展將主要集中于SwaP-C方面, 雖然陣列規(guī)模、像元尺寸不會(huì)有太大變化, 但器件性能將進(jìn)一步提高, NETD可達(dá)1 mK水平, 工作溫度可提高至200 K以上, 具備智能化信息處理能力, 同時(shí)成本將大幅降低, 能夠滿足更多的應(yīng)用需求; 至2035年, 基本實(shí)現(xiàn)以“超越規(guī)模”為基本特征的四代器件技術(shù), 完成以光學(xué)系統(tǒng)集成、“超越像元”為特征的高端四代器件技術(shù)。

圖23銻化物紅外探測(cè)器領(lǐng)域發(fā)展路線圖

Fig.23Roadmap for the development of antimonide infrared detectors

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