320×256锗基中波碲镉汞红外焦平面探测器研究

报道了分子束外延锗基中波碲镉汞薄膜材料以及320×256锗基中波碲镉汞红外焦平面探测器研究的初步结果。利用分子束外延技术基于3英寸锗衬底生长的中波碲镉汞薄膜材料,平均宏观缺陷密度低于200 cm-2,平均半峰宽优于90 arcsec,平均腐蚀坑密度低于2.9×106 cm-2;采用标准的二代平面工艺制备的320×256锗基中波碲镉汞红外焦平面探测器,平均峰值探测率达到3.8×1011 cm?Hz1/2W-1,平均等效噪音温差优于17.3 mK,非均匀性优于6.5%,有效像元率高于99.7%。     

长波红外碲镉汞探测器

1 引言 红外辐射最早是1800年英国的天文学家赫谢耳(W.Herschel)在研究太阳光谱的热效应时,用水银温度计测量各种颜色光的加热效果而发现的。1830年,L.Nobili利用塞贝克发现的温差电效应制成了“温差电型辐射探测器”;     

256×256混合碲镉汞红外焦平面阵列

开发了混合碲镉汞256×256焦平面阵列,以满足高性能中波红外成象系统的灵敏度、分辨率及视场的需要。这种混合的探测器阵列制作在可减少或消除与硅读出电路热膨胀不匹配性的基片上。读出装置采用掩模加工的 CMOS开关场效应管电路,电路的电荷容量大于10~7个电子和有20MHz 数据率的单视频输出。这种大型凝视焦平面阵列具有高的量子效率、可调谐的吸收波长和宽的工作温度范围,大大优越于与其竞争的各种传感器。成熟的 PACE-1工艺采用蓝宝石探测器基片,已制作出256×256元中波红外阵列,在4.9μm 截止波长时,其实验室获得的平均 NETP 值为9mK,象元尺寸为40μm 和工作温度为80K。根均方探测器响应不均匀性小于4%,象元的输出大于99%。最新开发的PACE-3工艺用硅作探测器基片,完全消除了与硅读出电路的热不匹配性。一种640×480的混合阵列正在开发中。     

甚长波碲镉汞红外探测器制备研究

报道了碲镉汞甚长波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掺杂技术生长了高质量的p on n型双层异质结材料。并通过提高材料质量将双层异质结材料的双晶衍射半峰宽控制在30 arcsec以内。基于台面器件加工、表侧壁钝化以及In柱互连工艺,制备了640×512,25μm碲镉汞甚长波红外焦平面器件。通过进一步优化了材料生长和芯片制备工艺,在65 K的工作温度下,该器件的截止波长为1435 μｍ,有效像元率为9806,平均峰值探测率为809×1010cm·Hz1/2·W-1。     

短/中波双色碲镉汞红外焦平面探测器研究

报道了基于分子束外延碲镉汞短/中波双色材料、器件的最新研究进展。采用分子束外延方法制备出了高质量的短/中波双色碲镉汞材料,并优化了材料的质量,材料表面缺陷密度控制在500个/cm-2以内,通过扫描电子显微镜可以看出各层之间界面陡峭,使用傅里叶红外变换光谱仪(FTIR)、X射线衍射(XRD)等方法对材料进行了表征,基于此材料制备出了短/中波碲镉汞双色器件,器件测试性能良好。     

双色碲镉汞红外焦平面探测器发展现状

主要介绍了双色碲镉汞红外焦平面阵列的应用需求和国外发展现状,对其工作模式、器件结构、器件制备的关键工艺技术、双色读出电结构进行了阐述说明。     

128元长波碲镉汞焦平面器件

本文概要叙述了１２８元长波碲镉汞焦平面器件的原理及研制工艺；ＣＭＯＳ互连后测试结果：峰值Ｄλ＾＊＝３．４×１０＾１０ｃｍＨｚ＾１／２Ｗ＾－１，Ｒｖλ＝１．２×１０＾８Ｖ／Ｗ，利用１２８元长波碲镉汞焦平面器件研制成功的热像仪成像情况。     

碲镉汞高温中波红外探测器的制备研究

采用CdTe/ZnS双层钝化工艺制备了640×512@15 μm碲镉汞中波探测器。研究了退火温度对CdTe/MCT界面及CdTe钝化膜质量的影响。经测试表明:本公司制备的碲镉汞HOT中波探测器可以在125 K稳定工作,但与国外的先进技术相比仍存在差距,需要在MCT材料改进和器件加工工艺上继续深入研究,才能提高探测器的工作温度和稳定性。     

高工作温度p-on-n中波碲镉汞红外焦平面器件研究

As注入掺杂的p-on-n结构碲镉汞红外探测器件具有少子寿命长、暗电流低、R₀A值高等优点,是高温器件研究的重要技术路线之一。针对阵列规模640×512、像元中心距15 μm 的As掺杂工艺制备的p-on-n中波碲镉汞焦平面器件,测试了不同工作温度下的性能和暗电流。研究结果表明,在80 K工作温度下,器件响应表现出高响应均匀性,有效像元率达99.98%;随着工作温度升高,器件盲元增多,当工作温度为150 K和180 K时,有效像元率降低至99.92%和99.32%。由于对器件扩散电流更好的抑制,器件在160~200 K温度范围内的暗电流低于Rule-07。并且当工作温度在150~180 K时（300 K的背景下）,器件具有较好的信噪比,极大程度地体现了高温工作的可行性。     

高光谱用中波红外焦平面探测器组件

本文介绍了高光谱用中波2048×256红外焦平面探测器组件的研究结果.中波2048×256红外焦平面探测器由单片中波1024×256红外焦平面探测器拼接而成,采用非真空密封的高光谱相机集成封装结构.经测试,中波2048×256红外焦平面探测器组件各项功能正常,性能良好.     

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。     

碲镉汞红外光电探测器局域场表征研究进展（特邀）

碲镉汞材料 (HgCdTe) 是第三代红外探测系统中使用的重要探测材料,其发展水平能基本反映当前红外探测器最优性能指标。近年来,天文、遥感和民用设备对探测器性能提出了更高的要求,这对HgCdTe红外探测器的设计和制备提出了新的挑战。HgCdTe红外探测器更精细的设计和加工技术为提高HgCdTe红外探测器性能提供解决思路。抑制器件的有害局域场、调控器件的有益局域场可以实现器件性能进一步的突破。但是,如何对HgCdTe光电器件局域场进行表征与分析,澄清HgCdTe光电器件中局域场相关的噪声及暗电流起源,是推动器件性能突破需解决的重要关键科学与技术问题。文中将总结HgCdTe红外光电探测器局域场表征与分析的研究进展,为新一代HgCdTe红外光电探测器发展提供基础支撑。     

人工微结构薄层红外探测器的研究进展（特邀）

薄层的红外探测材料虽然能够保持很好的均匀性,减少了红外探测时的噪音,但由于薄层红外探测材料体积偏小,限制了红外探测器的吸收。针对不同红外探测材料的特点,利用人工微结构能够有效地改善红外探测器的性能。文中介绍了增强薄层红外探测材料吸收的策略,分别是使用金属背板、金属光栅结构和非对称F-P型金属腔体结构, 它们在各自适应的场景下都能取得不错的效果。同时也简略地介绍了人工微结构调控吸收峰高和峰宽的机理。并且展示了人工微结构在几种红外探测器件上的应用。最后,提出了一种人工微结构碲镉汞红外探测器的设计,实现了在3.5~5.5 μm大气窗口内的宽频吸收, 其中吸收峰的高度为91.8%,吸收峰的相对宽度为41.8%,在大气窗口内的大部分频率,增强系数均大于6。人工微结构的发展开拓了传统红外器件的设计思路,为新型的红外器件提供了理论依据和指导。     

碲化锡的制备、结构、性质及红外光电探测研究进展(特邀)

Ⅳ-Ⅵ族碲化锡化合物是直接带隙半导体材料,在室温和大气压条件下具有稳定存在的面心立方结构。作为拓扑晶体绝缘体,碲化锡具有高度对称的晶型结构、螺旋形的多重表面态和强健的拓扑保护特性、无带隙的拓扑表面态和窄带隙体态、室温下高的迁移率等优异性能,在制备无能耗、宽谱（从紫外光、可见光到红外光）、超快响应的新型光电探测器领域有巨大潜力。文中从适宜应用于光电探测器件的角度出发,对碲化锡材料的制备方法、晶体结构、性质进行了阐述,对近年来碲化锡在红外光电探测领域的研究进展进行了总结,展望了其在光电探测领域的发展前景,并提出了碲化锡作为光电器件亟需深入研究的几个方面。     

局域光场增强的量子阱红外探测器（特邀）

量子阱红外探测器是继碲镉汞红外探测器之后又一重要的可以在中、长波段和甚长波段工作的红外探测器件。它在长波红外探测、多色探测及其焦平面技术方面表现出比碲镉汞红外探测器更具特色的优势,对量子阱红外探测器的研究将在很大程度上推动我国红外探测器技术的发展。这一探测器的突出优势是其材料均匀性好,制备技术成熟。但是由于量子效率偏低,且无法直接吸收垂直入射红外光,所以需要针对不同的红外探测波段,设计和制备各类光栅或微腔结构来进行光耦合及局域光场增强以有效提升探测器性能。如何更有效提升量子阱红外探测器的光耦合效率,降低暗电流,提高器件工作温度是仍然是目前研究的重点。文中着重介绍和总结了近5年来研究的局域光场增强的新型量子阱红外探测器,从提高探测器光耦合效率、降低器件暗电流和提高工作温度等方面重点讨论各种量子阱红外探测器的新结构和新机理,同时展望了这一探测器的未来发展方向。     

高光谱用长波红外焦平面探测器组件

介绍了高光谱用长波1024×256红外焦平面探测器组件的研究结果。长波红外焦平面探测器芯片基于液相外延碲隔汞薄膜材料制造,读出电路基于035μmCMOS 50 V工艺设计,采用非密封型与高光谱相机集成的探测器封装结构。经测试,长波1024×256红外焦平面探测器组件各项功能正常,性能良好。     

红外偏振摄像机动目标检测跟踪系统（特邀）

基于红外偏振摄像的机动目标检测跟踪系统对实时性要求较高,而且在野外场景下需要具备低功耗的特点。FPGA具有并行计算的特性,能够极大的提高系统吞吐量和处理数据速度,能够满足实时性的要求,因此一种基于FPGA的目标检测跟踪系统被设计出来并得以实现。在硬件开发平台上采用模块化以及软硬件协同设计的方式,将具有不同计算特点的任务分别在PS端（ARM）以及PL端（FPGA）实现,其中PL部分负责部分算法的加速、FPGA和ARM处理器之间数据传输以及HDMI等接口逻辑控制等,PS部分负责实现较为复杂的检测跟踪算法,以及负责控制FPGA端的各个模块。最后,对目标检测跟踪系统进行实验测试和分析,给出系统的硬件资源消耗及功耗,结果表明该目标检测跟踪系统能够满足实时性的要求,并且具备低功耗的特点。     

非制冷红外探测器研究进展（特邀）

非制冷红外探测器由于无需制冷装置,能够工作在室温状态下,具有成本低、体积小、功耗低等特点,在红外领域得到了广泛的应用。在军事应用方面,非制冷型探测器的应用逐渐进入了之前制冷型探测器的应用范围,大量应用在一些低成本的武器系统,甚至在一些应用领域取代了原来的非制冷型探测器。在民用领域方面,更表现出了其价格和使用方便的优势,在民用车载夜视、安防监控等应用领域引起了广泛的兴趣和关注。文中介绍了Bolometer、热释电、热电堆等几种典型非制冷红外探测器的工作原理,列举了目前已实现商业化应用的主要产品在国内外的情况,着重介绍了目前应用最广泛的Bolometer器件主流产品的像元间距、阵列规格、性能及其封装发展的情况。除了已实现商业化应用的Bolometer、热释电、SOI二极管等探测器等产品,还详细介绍了一些非制冷探测新技术或新型器件:比如超表面在增强某些波段吸收方面的应用,新材料的Bolometer探测器、双材料新型非制冷器件、石墨烯、量子点、纳米线等光电探测技术的研究进展。最后文章还对今后非制冷红外探测器的发展趋势作了预测。