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紅外焦平面陣列技術發展現狀與趨勢

 跨入二十一世紀以來,紅外熱攝像技術的發展已經歷了三十多個年頭。其發展已從當初的機械掃描機構發展到了目前的全固體小型化全電子自掃描凝視攝像,特別是非致冷技術的發展使紅外熱攝像技術從長期的主要軍事目的擴展到諸如工業監控測溫、執法緝毒、安全防犯、醫療衛生、遙感、設備先期性故障診斷與維護、海上救援、天文探測、車輛、飛行器和艦船的駕駛員夜視增強觀察儀等廣闊的民用領域。


    紅外熱攝像技術的發展速度主要取決于紅外探測器技術取得的進展。三十年來,紅外探測器技術已從第一代的單元和線陣列發展到了第二代的二維時間延遲與積分(TDI)8~12μm的掃描和3~5μm的640×480元InSb凝視陣列,目前正在向焦平面超高密度集成探測器元、高性能、高可靠性、進一步小型化、非致冷和軍民兩用技術的方向發展,正在由第二代陣列技術向第三代微型化高密度和高性能紅外焦平面陣列技術方向發展。


1 發展現狀


  1.1 超高集成度的焦平面探測器像元


  像可見光CCD之類的攝像陣列一樣,要提高系統成像的分辨率和目標識別能力,大幅度地提高系統焦平面紅外探測像元的集成度是一種重要的途徑。各公司廠家都在盡力增加焦平面陣列的像元數,發展各種格式的大型或特大型紅外焦平面陣列。光行天下科技網


  在1~3μm的短波紅外(SWIR)焦平面陣列方面,由于多年來的軍用都集中在中波紅外(MWIR)和長波紅外(LWIR)波段,因而SWIR焦平面陣列技術的發展受到忽略,但由于這個波段的許多應用是MWIR和LWIR應用達不到的,因而近幾年來加快了對SWIR焦平面陣列技術的發展步伐,目前的陣列規模已達到2048×2048元(400萬元)。


  ·InGaAs紅外焦平面陣列:雖然實現短波紅外熱攝像的候選材料要求低溫冷卻工作,而且HgCdTe襯底失配率高,暗電流也高,唯有In0.53Ga0.47As的晶格常數與InP相同,暗電流密度低達3×10-8A/cm2,R0A>2×106Ω.cm2,D*>1013cmHz1/2W-1(室溫下),其光響應峰值在0.9μm~1.7μm,可實現非致冷工作的高性能紅外焦平面陣列,其多年的光纖通信工業應用使其具有大批量生產的能力,因而幾年來日益受到重視,美國傳感器無限公司在DARPA 和NVESD支持下正在加速發展這種非致冷的紅外焦平面陣列和攝像機技術,其陣列尺寸已達到320×240元。


   ·HgCdTe陣列:由于軍用目的的需求,過去這種材料焦平面陣列技術的發展主要集中于中波和長波紅外波段應用,但洛克威爾國際科學中心卻一直在發展1~3μm波段工作的HgCdTe焦平面陣列技術,其主要目的是天文和低背景應用,該中心在90年代中期已制出HQWAⅡ-1 1024×1024元陣列,目前已研制成功世界上最大的HQWAⅡ-2型2048×2048元的陣列,該中心正在計劃研制4096×4096元的特大型陣列。


在3~5μm的中波紅外焦平面陣列方面:中波紅外焦平面陣列技術的發展一直是紅外焦平面中發展最快的,主要有PtSi、InSb和HgCdTe三種陣列,其陣列規模已達到2048×2048元(400萬元)。


  ·PtSi陣列已形成大批量生產能力,典型陣列有640×480,801×512,1024×1024,1040×1040,柯達公司新近推出的產品高達1968×1968元,其陣列規模已接近于400萬元,HgCdTe中波焦平面陣列是目前所有焦平面中波工作陣列中集成度高,最引人注目的,洛克威爾國際科學中心在這方面的發展處于世界領先地位,除了640×480和1024×1024元的天文應用陣列外,近期已準備提供用戶使用的陣列為2048×2048元,并正在采用拼接技術研制4096×4096元的陣列,但工作溫度低于77K。


  ·InSb陣列是這個波段應用中深受重視的器件,主要是低背景天文應用陣列規格達1024×1024元,典型陣列還有640×480和640×512元。


  在長波紅外焦平面陣列方面,主要集中于HgCdTe,GaAlAs/GaAs多量子阱陣列,SiGe異質結構陣列和非致冷紅外焦平面陣列四種。HgCdTe陣列的發展一直較為緩慢,近幾年主要集中于GaAlAs/GaAs量子阱列和非致冷工作的紅外焦平面陣列技術,發展極快,陣列規模已達到了640×480元。字串5


  ·HgCdTe焦平面陣列技術,由于這種材料的電學特性,進展一直較為緩慢,長波HgCdTe焦平面陣列規模僅為256×256元。


  ·GaAlAs/GaAs陣列是最近幾年來發展最快的,研究的國家公司機構很多,如美國的洛克希德-馬丁、洛克威爾國際科學中心,雷聲、噴氣式推進實驗室和空軍研究實驗室等,日本的三菱電機和NTT,法國的湯姆遜和瑞典、加拿大、以色列的不少公司竟相研制發展,其中以噴氣式推進實驗室、雷聲和洛克希德-馬丁公司的進展最快,目前的陣列尺寸已達到640×484元,已評估了1024×1024元的雙色陣列,正在水平集成四色陣列。 


  ·GeSi/Si異質結構紅外焦平面陣列6,其工作機理類同于PtSi陣列。MBE技術的發展,為GeSi/Si、InSb和InGaAs、GaAlAs、HgCdTe等高性能大型陣列發展提供了先進的制作技術。麻省理工學院和林肯實驗室已制作了320×240元和400×400元的陣列,日本三菱電機公司的陣列規模已達到了512×512元,只是目前GeSi/Si陣列工作溫度明顯低于77K。


  ·非致冷紅外焦平面陣列,由于近幾年來取得的突破性進展,器件和整機系統應用技術的發展均很迅速,主要用于8~14μm的長波紅外波段探測,像美國霍尼韋爾、得克薩斯儀器、洛克希德馬丁、雷聲、因迪哥系統、薩爾諾夫和波特蘭前視紅外系統公司等,日本三菱電機公司、英國GEC-馬可尼和瑞典、加拿大等國的公司都競相發展這種技術,競爭幾乎遍及全球,發展甚為迅猛,目前常用商用陣列為320×240元,640×480元陣列即將問世。

1.2 高性能


  由于用采用諸如MBE、MOCVD這樣的高精度控制制作工藝,微機械加工技術和CMOS這樣的大型或特大型集成多路傳輸器,不但實現了如1024×1024,2048×2048元這樣的大型二維凝視紅外焦平面陣列的高速大容量的信號處理,而且獲得了高度均勻性的陣列焦平面響應特性,進一步提高了陣列的性能。


  短波紅外焦平面陣列,迅速實現了商用化。美國新澤西州傳感器無限公司的128×128和320×240元InGaAs焦平面陣列D*值>1013cmHz1/2W-1(室溫下),如冷卻到250K工作時,D*>1014cmHz1/2W-1,1.3~1.6μm的量子效率接近90%,洛克威爾國際科學中心的PACE-1型1024×1024元陣列和HAWAⅡ-2型2048×2048元陣列,平均量子效率65.4%,光響應不均勻性為4.3%。[page_break]


  中波紅外焦平面陣列器件中,PtSi陣列經過二十來年的發展改進,性能大幅度提高,噪聲等效溫差(NETD)已優于0.1℃,三菱512×512元IRCSD已達到0.07~0.033K,801×512元陣列填充因子61%,NETD為0.076℃,最小可分辨溫差0.17℃(尼奎斯特),薩爾諾夫的640×480元陣列NETD<0.18K,最小可分辨溫差MRT<0.04K(300K,積分時間33毫秒),三菱1040×1040元PtSi陣列不均勻性±2%;圣巴巴拉研究中心InSb 640×512元陣列的NEΔT優于20mK,1024×1024元天文應用的InSb陣列量子效率85%(0.9μm~5μm);洛克威爾國際科學中心PGM600-003 640×480元HgCdTe陣列77K量子效率68%,NEΔT平均值為0.013K,該中心的1024×1024和2048×2048元陣列也都具有良好的性能。字串7


  長波(8~14μm)紅外焦平面陣列,HgCdTe陣列發展時間最長,但陣列尺寸不大,目前的性能是非常好的,列工作溫度77~88K,量子效率70%~75%,,NETD為13mk,,雙波段工作陣列量子效率為60%;GaAlAs/GaAs量子阱紅外焦平面陣列發展到了今天的640×480元特大陣列,工作溫度已接近或達到77K,截止波長長達14μm~16μm,如噴氣式推進實驗室的640×480元GaAs/AlxGa1-xAs陣列,工作溫度70K,NEΔT為43mk,NEΔT不均勻性為1.4%,已報導了8~9μm和14~15μm雙色640×486元陣列攝像機,這種陣列的工作溫度仍需提高到77K以上方可在系統應用方面獲得大量應用的能力;非致冷的紅外焦平面陣列技術是長波紅外焦平面陣列技術發展的重要方向之一,近幾年在技術上取得了突破,投入批量生產,正在加緊推廣應用。主要材料有VOx、Ti金屬、硅、多晶硅、非晶硅、熱釋電和熱釋電-鐵電材料幾種,有熱敏電阻微測輻射熱計和薄膜熱釋電與熱電堆幾種陣列,目前已進入系統應用的陣列為320×240元陣列,NETD通常優于0.1K,最佳性能為0.01K~0.005K(即10 mk~5mk),洛克希德馬丁等公司已研制出640×480元的最大陣列。薩爾洛夫公司采用Si3N4作絕緣層的陣列設計,NETD可達0.005K,使用SiC時為0.01k 

 1.3 高密度小像元尺寸


  大型或特大型高密度集成,特別是如100萬和100萬元以上探測器元集成焦平面陣列要求高精度的超大規模集成電路加工技術(如亞微米)和微機械加工技術,焦平面陣列技術的發展很大程度上取決于超大規模集成電路的進展。DRAM每個單元僅要求一個晶體管,而紅外焦平面陣列讀出電路則需三個或更多的晶體管,而且其中有一個必須是低噪聲模擬的,目前DRAM生產水平設計規格為0.25μm,預生產設計規格已是0.18μm,在這樣先進加工條件下,焦平面陣列多路傳輸器和探測器元尺寸都可進一步縮小,陣列元數集成度更高,圖1是焦平面陣列技術發展與微細加工技術的發展趨勢關系。目前的紅外焦平面陣列由于采用亞微米加工技術,像元尺寸大為縮小,實現了小像元高密度的紅外焦平面集成的進一步發展。由于微細加工技術的發展,PtSi陣列的像元尺寸已小達20×20μm2和17×17μm2,如柯達KIR-3900 1968×1968元陣列和日本三菱1040×1040元陣列,HgCdTe陣列已小達18×18μm,如洛克威爾科學中心的HAWAⅡ-2 2048×2048元陣列,其設計規格為0.8μm,洛克希德馬丁紅外攝像公司的640×480元非致冷紅外焦平面陣列的像元尺寸縮小為28×28μm2,雷聲和噴氣式推進實驗室的8~9μm和14~15μm波段工作的雙色GaAlAs/GaAs量子阱陣列像元尺寸小達25~25μm。字串8


  1.4 多色工作


  隨著紅外焦平面陣列制作技術的迅速進展,由于許多實際應用的需要,近期在雙色或多色紅外焦平面陣列技術發展方面取得了顯著的進展,如美國加州理工學院噴氣式推進實驗室空間微電子中心、雷聲先進紅外中心和空軍研究實驗室最近研制出的8~9μm和14~15μm的雙色640×486元GaAs/AlGaAs量子阱紅外焦平面陣列及其攝像機,雷聲、美國陸軍研究NASA Gooddard航天飛行中心和洛克威爾科學中心共同研制的11.2μm和16.2μm截止波長的256×256元GaAs/GaAlAs量子阱紅外焦平面陣列,這些機構都是在加緊發展這種二色和多色焦平面陣列,都是在原來單色焦平面陣列取得極大進展的基礎上迅速地研制出了這種雙色陣列。但這種技術目前的工作溫度尚不到77K,同時探測器像元要求二種工作電壓,長波敏感區需極高的偏壓(>8V)實現長波紅外探測,雖然電壓可調,但不能同時提供二個波段的數據。


2 未來的發展趨勢


  上面已敘述了進入二十一世紀以來紅外焦平面技術的發展現狀與趨勢,2010年時的紅外焦平面陣列技術發展將是人們十分關注的課題,那么2010年時紅外焦平面陣列技術的發展將是什么結果呢?

目前先進的紅外焦平面陣列技術正處在從第二代向第三代更為先進的陣列技術發展的轉變時期。各有關公司廠家著眼于2010年市場需求,正在加緊確定第三代紅外焦平面陣列技術的概念,目前各有關公司和廠家機構的注意力已轉向第三代紅外焦平面陣列傳感器的發展。


  第三代紅外焦平面陣列技術要滿足以下幾種要求:


  ·焦平面上探測器像元集成度為≥106元,陣列格式≥1K×1K,至少雙色工作,


  ·高的工作溫度,以便實現低功耗和小型輕量化的系統應用,


  ·非致冷工作紅外焦平面陣列傳感器的性能達到或接近目前第二代致冷工作紅外焦平面陣列傳感器的水平,


  ·必須是極低成本的微型傳感器,甚至是一次性應用的傳感器。


  第三代紅外焦平面陣列傳感器有下列三種:即:


 ?。?)大型多色高溫工作的紅外焦平面陣列,探測器像元集成度≥106元,陣列格式1000×1000,1000×2000,和4096×4096元,像元尺寸18×18μm2,目前芯片尺寸22×22mm2,未來的芯片應更大,高的量子效率,能存儲和利用探測器轉換所有的光電子,自適應幀速(480Hz),雙色或多色工作,使用斯特林或熱電溫差電致冷器,工作在120~180K,光響應不均勻≤0.05%,NETD≤50mk(f/1.8),結構上單片或混合集成,可以是三維的。字串5


 ?。?)非致冷紅外焦平面陣列,無須溫度穩定或致冷,用于分布孔徑設計,重量僅1盎司,30mW功率,焦平面探測器元集成度≥106元,陣列格式1000×1000元,像元尺寸為25μm ×25μm,NETD<10mK(f/1),或60mK(f/2.5),低成本、低功耗、中等性能,用于分布孔徑設計中獲取實用信息。


 ?。?)非致冷工作的微型傳感器,焦平面探測器像元集成度僅160×120元~320×240元,像元尺寸50μm ×50μm~25μm ×25μm,NETD<50mK(f/1.8),輸入功率10mW以下,重量1盎司,尺寸<2立方英寸,低成本。


  最終的第三代紅外焦平面陣列將是極低成本的微型傳感器,將占領整個紅外市場,其未來的應用將是無人操作的一次性應用傳感器,如微型無人駕駛航空飛行器,頭盔安裝式紅外攝像機和微型機器人等。

3 結論


  進入二十一世紀,紅外焦平面陣列技術發展已取得了舉世矚目的成就,已從第一代線陣列發展到了今天的二維TDI和大型凝視焦平面陣列,目前正在向焦平面探測器元高集成度(≥106元)的高密度、小像元(25μm ×25μm~18μm ×18μm)、高性能、多色和低成本的方向發展;非致冷紅外焦平面陣列技術近幾年取得的突破為紅外焦平面陣列技術開拓了更加廣闊應用領域,市場急劇擴大,這種焦平面陣列是未來發展低成本紅外焦平面陣列的重要途徑;目前的紅外焦平面陣列性能和成品率已大幅度提高,已具有一定規模的生產能力,應用領域正期待著這一能力的大幅度提高。顯然,目前的紅外焦平面陣列技術發展正處在向第三代陣列技術發展的轉折時期,各有關公司廠家機構正在研究確定2010年前第三代紅外焦平面陣列的概念。預期這一技術的發展將會進入新的發展時期。


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