國(guó)產(chǎn)非制冷紅外探測(cè)芯片的重大突破

電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道(文/李寧遠(yuǎn))紅外探測(cè)器從機(jī)芯到整機(jī)國(guó)產(chǎn)化是一個(gè)漫長(zhǎng)的過程，依靠反向工程從仿制起步，經(jīng)過近二十年的發(fā)展擺脫了紅外核心器件受制于人的局面，這是非制冷紅外芯片漫長(zhǎng)的國(guó)產(chǎn)替代之路。非制冷紅外因?yàn)槠湓肼暤刃夭?NETD)指標(biāo)較低，在民用領(lǐng)域有很廣泛的應(yīng)用。與其相對(duì)應(yīng)的制冷型紅外芯片則多用在軍用等高端領(lǐng)域，高規(guī)格的制冷型紅外機(jī)芯基本上都在各國(guó)禁止出口的產(chǎn)品名單中。

在非制冷紅外機(jī)芯里，熱敏元件無疑是核心部件中的核心，它作為橋梁連接起了感知紅外輻射與輸出信號(hào)。非制冷型紅外芯片的熱敏元件材料一般選擇氧化釩(VOx)和非晶硅(α-Si)。兩種材料在技術(shù)上都已經(jīng)足夠成熟，在紅外機(jī)芯應(yīng)用上都有著很悠久的歷史。氧化釩的應(yīng)用會(huì)稍稍早一些，是由軍用轉(zhuǎn)入民用，因?yàn)槠渚哂休^高的TCR，在紅外機(jī)芯中很受歡迎。多晶硅的TCR并不弱于氧化釩，但受限于自身無定形結(jié)構(gòu)，往往NETD不如氧化釩。

多晶硅技術(shù)應(yīng)用鋪開紅外探測(cè)民用市場(chǎng)

多晶硅由于其本身的無定形結(jié)構(gòu)，在非制冷紅外芯片中相同的TCR下會(huì)呈現(xiàn)出比氧化釩更高的噪聲(大約高出兩個(gè)數(shù)量級(jí))，這意味著成像質(zhì)量不可避免得會(huì)變差。既然材料決定了兩種技術(shù)路線的紅外芯片在同一條件下會(huì)有不可忽視的效果差距，那為什么基于氧化釩的非制冷紅外芯片沒有一統(tǒng)整個(gè)市場(chǎng)，反而讓基于多晶硅的紅外芯片占據(jù)了不小的份額呢?

在民品領(lǐng)域，并不是所有需求都對(duì)器件技術(shù)指標(biāo)要求得那么嚴(yán)苛，非晶硅以較低的成本擁有穩(wěn)定的市場(chǎng)份額，同時(shí)大幅推進(jìn)了紅外探測(cè)器在民品領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。以市面上普遍的技術(shù)指標(biāo)作為對(duì)比，氧化釩探測(cè)器的靈敏度是比較容易做到<40mk，非晶硅探測(cè)器的靈敏度雖然大致在50mK左右但不是不可以突破。國(guó)內(nèi)市場(chǎng)就有不少采用非晶硅的非制冷紅外芯片將靈敏度做到了<40mk。

來源于材料的噪聲制約了非晶硅的成像能力，但這個(gè)制約在像元間距不是那么小的時(shí)候并沒有想象中那么嚴(yán)重。在25μm像元間距的非制冷紅外系列中，國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的芯片不論是基于氧化釩還是非晶硅都可以做到NETD<40mk。在工藝上因?yàn)槎疾捎昧薈MOS-MEMS，國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的不同熱敏材料的紅外芯片在大像元間距類別上并沒有明顯差異，不論是在熱響應(yīng)速度、靈敏度還是分辨率指標(biāo)上。基于非晶硅的技術(shù)領(lǐng)先廠商為了彌補(bǔ)材料上的先天不足，在像素層面還下了不少苦功，國(guó)內(nèi)紅外芯片從1280×1024到3072×2048的像素水準(zhǔn)已經(jīng)是領(lǐng)先國(guó)外的技術(shù)水平。

基于非晶硅的非制冷紅外芯片依靠較低的成本和領(lǐng)先的像素水準(zhǔn)在測(cè)溫、監(jiān)控、車載夜視領(lǐng)域都有著不小的市場(chǎng)份額，低成本的下探鋪開了民用紅外探測(cè)應(yīng)用。

氧化釩紅外芯片高質(zhì)量成像優(yōu)勢(shì)向更小像元突破

在相同的TCR下，氧化釩的噪聲系數(shù)比非晶硅有明顯的優(yōu)勢(shì)，這意味著成像質(zhì)量很高。在像元間距越來越小的應(yīng)用中，這一優(yōu)勢(shì)會(huì)被明顯放大。從17μm像元間距開始，基于非晶硅的紅外芯片成像質(zhì)量就開始落入下風(fēng)。到12μm像元間距，基本就是氧化釩的天下。非晶硅從17μm像元間距開始也只能維持<50mk的NETD，而氧化釩可以很輕松地達(dá)到小于40mk的靈敏度，往20~30mk靠攏。

雖然基于氧化釩的紅外芯片成本會(huì)略高，但國(guó)內(nèi)廠商自有攤薄成本的辦法，例如國(guó)內(nèi)制冷與非制冷紅外芯片巨頭高德紅外通過晶圓級(jí)封裝，直接在整個(gè)晶圓片上完成高真空封裝測(cè)試程序之后，再進(jìn)行劃片切割制成單個(gè)紅外探測(cè)器，解決微型化和成本問題;艾睿光電自研的ASIC全系列紅外熱成像模組通過大批量產(chǎn)也降低成本打開了市場(chǎng)空間。

氧化釩的高質(zhì)量成像優(yōu)勢(shì)不滿足于17μm到12μm的像元間距，國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的紅外芯片廠商開始向更小的像元間距突破。非制冷紅外領(lǐng)域的10μm像元間距應(yīng)用中已經(jīng)沒有非晶硅技術(shù)的身影了，在10μm像元間距應(yīng)用里即便是采用氧化釩也很難縮小NETD，維持在40~50mk NETD的高靈敏度已經(jīng)不容易。

去年艾睿光電全球首款突破性的8μm紅外芯片進(jìn)一步推動(dòng)了超小像元紅外焦平面探測(cè)器芯片的廣泛應(yīng)用。該8μm的芯片并沒有披露太多詳細(xì)參數(shù)，從官方給出的指標(biāo)來看其NETD≤40mk無疑體現(xiàn)了領(lǐng)先的技術(shù)實(shí)力。

小結(jié)

在非制冷紅外焦平面探測(cè)器芯片上，國(guó)產(chǎn)完全替代已經(jīng)不在話下，國(guó)內(nèi)技術(shù)水平穩(wěn)居國(guó)際第一梯隊(duì)。更小像元間距的技術(shù)突破也展示了國(guó)產(chǎn)非制冷紅外探測(cè)芯片不俗的實(shí)力。不同技術(shù)流派的紅外探測(cè)器芯片量產(chǎn)后成本的下探無疑將打開更多領(lǐng)域的應(yīng)用空間。

原文標(biāo)題：不同技術(shù)流派的國(guó)產(chǎn)非制冷紅外探測(cè)芯片取得了哪些突破?

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審核編輯：湯梓紅