国外长波红外焦平面列阵现状
①
邵式平 肖绍泽 邵 康
(昆明物理研究所.昆明市 650223)
摘要 文中介绍了长波红外焦平面列阵的国外进展,这些列阵包括碲镉汞光电二极管、肖特基势垒器件、砷化镓/砷铝镓多量子阱光导体、高温超导体以及室温工作的焦平面列阵,其中非制冷的混合式热释电陶瓷和单片式的微型测辐射热计焦平面列阵已进入批量生产阶段。
关键词:红外探测器 光伏 测辐射热计 热释电 多量子阱 焦平面列阵 热成像中图分类法:TN 21
1 引 言
红外热成像技术从单元探测器、二维光机扫描型、到长线列探测器、一维光机扫描型,再发展到多元探测器、凝视型,提高了灵敏度和可靠性,而红外探测器焦平面列阵是凝视型热成像技术中的核心部件。所谓焦平面列阵(focal pla ne ar ray ,以下缩写为FPA )就是可以放置在成像光学系统焦平面上的、集成在硅读出电路上的二维探测器列阵[1]。随着红外探测器材料性能的提高,特别是光电性能均匀性的改善;采用MBE 、LPE 、MOCV D 等技术生长薄膜材料[2～5],以及大规模硅集成电路工艺、选择性腐蚀工艺和表面微细机械加工技术的进展,使各种类型的红外探测器焦平面列阵的研制取得很大进展。常用的红外探测器焦平面列阵可分为光热型和光电型:光电型主要有禁带宽度随组分x 值变化的光伏Hg 1-x Cd x Te 、金属硅化物-p 型硅肖特基(Schottky )势垒红外探测器和宽禁带半导体Ga As-Ga AlAs 量子阱红外探测器;光热型有高温超导体和热敏电阻测辐射热计(bolom eter )、铁电陶瓷和簿膜热释电长波红外探测器焦平面列阵等。目前军用热成像系统最常用的应首推碲镉汞材料[6],不同组分的材料可制作不同波段的探测器,有高的量子效率和较快的响应速度。第一个作为商品出售的是用肖特基势垒探测器列阵制作的热像仪。量子阱红外探测器列阵的量子效率较低,但由于砷化镓材料的制备和器件制作工艺相当成熟,直接制作在砷化镓读出电路上的Ga As-AlGa As 量子阱红外探测器单片式FPA 也是可行的,所以也受到重视。铁电陶瓷FPA 已作为商品出售,用它制成的热像仪的噪声等效温差(N ETD)已达0.05℃,能满足民用的需要,具有良好的开发前景,氧化钡热敏电阻FPA 有很好的性能,直接把氧化钒制作在硅读出电路上制成单片式器件,加拿大、美国和西欧已有用氧化钒FPA 制作的热像相机产品。全硅型热敏电阻测辐射热计FPA 还处于实验室研制阶段。
第21卷 第4期 1998年12月 电子器件J o urnal of Electro n Dev ices
V o l.21,N o.4
Dec.1998
①收稿日期:1998年6月10日
提高焦平面列阵的探测器密度可得到更高的图像分辨率以及更好的系统灵敏度,红外FPA 的元件数以一年半增加一倍的递增率发展。红外FPA 必须完成光子探测、电荷存储和多路传输功能,信号处理也包括缓冲、固定图像噪声补赏、背景减除和抗晕光等功能。用于第二代热像仪的FPA,包括单片式的FPA,通常是用硅集成电路完成这些功能。
2 金属硅化物/硅(IrSi /p -Si )肖特基势垒FPA [7]
金属和半导体接触形成肖特基势垒用作红外探测器的研究始于1968年,惠普实验室的Archer 和Cohen 报道了实验结果。肖特基势垒红外探测器的光量子效率低,总的光量子效率仅为千分之几。1971年Dalal 和Vickers 分别独立地分析了肖特基势垒红外探测器的工作机理,指出可以用减小金属硅化物厚度(到10nm)的方法使红外探测器的灵敏度提高近一个数量级。随着红外探测器材料制备工艺的进展,特别是1970年Boy le 和Smith 发明电荷耦合器件(CCD)以后[8],使用于热成像探测的红外焦平面列阵得到很大发展,在硅上直接制作肖特基势垒红外探测器列阵,这类FPA 的优点是其制备工艺与硅材料大规模集成电路工艺兼容,可以制成单片式结构,制成的器件性能均匀性良好。1973年Shepherd 和Yang 首次报道了肖特基势垒FPA,常用的材料有PtSi 、Pd 2Si 和IrSi 与P 型硅制成的肖特基势垒,通常用于近红外(1～3μm )和中红外(3～5μm ),向长波红外(8～14μm)扩展的研究工作也
在继续进行,截止波长最长的是Ir Si /P-Si,λc =10μm,工作温度为40～50K 。应用最广的是
中、近红外的PtSi /Si 肖特基势垒FPA,工作温度为77K,暗电流在1.0～ 4.0nA /cm 2
范围。Pr 2Si 肖特基势垒FPA 用于近红外波段,工作温度可提高到120K 。对于300K 的景物,Pt-Si /Si 探测器的量子效率已达到0.5%～1%(在4.0μm 波长)。当热像仪在每秒30帧和f /1的光学系统工作时,噪声等效温差(N ETD)已达到0.033℃。线性列阵的规模为4096×4元和2048×16元,凝视列阵已达到1040×1040元。日本三菱公司、美国Senso r Unlimited 公司和NV T 公司已有中波640×480元列阵相机出售。
凝视型肖特基势垒FPA 深入研究的内容为:提高响应率,提高填充因子和电荷保持能力,提高BCCD 在77K 时的传输效率,发展Ir Si 肖特基势垒FPT 到长波(8～12)波段,工作温度为40～50K 。
3 碲镉汞光优红外探测器FPA
1959年首次报道用作红外探测器的Hg 1-x Cd x Te (M CT )材料,由于组分调节在x =0.52～0.19之间的材料可使截止波长在2～16μm 之间变化,以及高量子效率和可在液氮温度工作,所以是最常用的红外探测器材料。现用于制作焦平面列阵的大多数采用LPE 、MOCV D 、MBE 技术在CdZnTe 或CdTe 衬底上制备高质量的p 型M CT 薄膜,然后在p 型薄膜上制备n 型区形成p-n 结光伏探测器列阵,目前已制成256×256元,正在研制384×288元、间距为20μm 的列阵。还采用CdZnTe /Ga As /Si 变换衬底材料技术,直接在Si 基片上生长M CT 列阵。制冷凝视型热像仪的噪声等效温差可达0.005℃。
267第4期 邵式平等:国外长波红外焦平面列阵现状
4 量子阱红外探测器FPA
[9]
由于Hg Cd Te 材料制备工艺的复杂性以及长期工作时的不稳定性,研制性能更好的新型材料是红外技术发展方向之一。早在1970年江崎就提出超晶格的概念[10],1987年Levine 利用Ga As /AlGa As 超晶格子带间吸收制成10μm 红外探测器[11]。Ga As 材料性能比M C T 稳定,可用M BE 等技术制备性能均匀的大面积薄膜,还可能直接在Ga As 读出电路的基片上制成单片式FPA 而引起人们的关注。在不到5年的时间内,列阵规模已从128×128元发展到640×480元。制成的热像仪在f /1.7和77K 工作条件下,其N ETD 为0.02℃。表1为美国Amber 公司手持热象相机的性能参数
[12]
,表2给出Ga As /AlGa As QW IP 和Hg Cd Te
FPA 性能参数比较
[13]
表1 256×256元QW IP FPA 手持热相机性能
Table Proper ties o f 9μm FPA(256×256QW IP)in hand-held camera
性能参数 数值 单位列阵规模256×256像元中心间距38×38
μm 像元大小28×28μm 光学耦合周期光栅峰值波长8.5μm 截止波长8.9μm
可操作性
99.98%未修正时不均匀性 6.8%修正后不均匀性
0.05%量子效率(FPA 裸片) 6.9%量子效率(相机中)
3%
D *(70K,FPA 裸片)
2.3×1011cm ·Hz -1/2W -1
N ETD (70K,相机中)40
m K
表2 Ga As /ALGa As QW IP 和Hg Cd Te FPA 性能参数比较
Table 2Com pariso n of Ga As /AlGa As QW IP and Hg Cd Te FPA pa ram eters
性能参数 QW IP Hg Cd Te /CdZnTe 响应光谱/μm 8～108～10.1量子效率/%4
56
D *
/cm ·Hz 1/2
W
-1
,(λp =8.8μm )
5×109
@78K 1×1011
@78K 1×1010
@70K
D *可操作率/%(W /D *
≥0.5D *
)99
99.1
Υb (光子数)/cm 2s 2×1016 1.5×1016响应率/A /W 0.08 4.5增益
0.3@2.14V
--268
电子器件 第21卷
N E △T /K 0.037@78K,50Hz 0.00510.014@70K 列阵规模128×12864×64像元尺寸/μm
6060R 0A /Ψcm 2
@78K 2×103
10响应率均匀性σ/μ=12%@78K 6%
剩余不均匀性
<0.01
<0.012
5 室温工作的长波红外探测器FPA [14]
室温工作的红外探测器通常是光热型的。1830年Nobili 报道了温差电偶,1833年Mel-lo ni 使用温差电堆测量温度变化,1880年La ngley 发明了热敏电阻测辐射热计。光谱学家使用室温型光热红外探测器诸如高莱盒、热敏电阻、测辐射热计、温差电偶和温差电堆已有很长一段历史。60年代中期已开始对热释电红外探测器进行深入的研究[15],但制成焦平面列阵用于热像仪始于70年代中期。最近由于材料性能和制作工艺的进展,使得用于热成像系统的二维大规模列阵的制作成为现实。
5.1 氧化钒微型测辐射热计FPA
[16]
所用的热敏电阻材料是氧化钒,采用溅射或化学汽相淀积技术在硅读出电路上直接制备微型桥式传感器,制成热像仪后已摄得高质量的热图像照片。热敏电阻型非制冷热像系统的性能已能满足大多数实际应用的需要,不需要制冷器和调制器,低功耗,重量轻,高可靠性,预测平均无故障时间大于10000h 。美国洛克希德·马丁红外成像系统公司,GEC -马可尼光电公司已有热像仪产品。表3为洛克希德·马丁红外成像系统公司的LTC 500型非制
冷红外相机性能[17],表4为加拿大国家光学研究所制作的FPA 性能[18]
。
表3 洛克希德·马丁公司LTC 500型非制冷红外相机性能
Table 3LTC500camera technica l specificatio ns
标准成像模块型号 SIM 100响应光谱7.5μm 可变的横向视场角10°,20°或40°IFOV (40°系统) 2.1m r
视频输出RS-170/N TSC 或PAL
列阵规模
320×240N EDT(f /1,30Hz)<100mk 帧 率
60Hz
尺 寸(包括40°透镜) 4.3(H)×5.0(W )×12.6(L)in 重 量(包括40°透镜) 5.5P 功 耗
<10W
269第4期 邵式平等:国外长波红外焦平面列阵现状
表4 表面微细加工技术制作的Vo x FPA 性能
Table 4Performa nce of Vo x FPA fabricated by surface micro machining 响应率 15000VW -1噪声等效功率(NEP)8pW ·Hz
-1/2
D
*
>108cm ·Hz -1/2
·W
-1
像元电阻10～200k Ψ响应时间<20m s
像元尺寸50μm ×50μm 或100μm ×100μm 填充因子80%列阵规模64×64,128×128,240×320元中心间距
52μm (50μm ×50μm )
102μm(100μm ×100μm )
__________________________________
测量条件:黑体T =500K 频率 f =30Hz
5.2 硅测辐射热计FPA
采用非晶、微晶和多晶硅作为热敏电阻材料制作焦平面列阵是全硅单片式结构,用溅射或化学汽相淀积方法制作硅簿膜,通过掺杂或控制淀积过程中的气氛使硅簿膜的电学性质有很大的变化范围。低电阻率和高电阻率材料的电阻温度系数(TCR)分别为2%/℃和8%℃。5.3 温差电堆FPA
已报道了一种128×128元温差电堆热成像传感器,在用作信号电荷积累和读出的CCD 表面上,先制备一层起热绝缘作用的二氧化硅薄膜,采用微细加工技术在每个单元上制作32对硼掺杂p 型和磷掺杂n 型多晶硅温差电堆FPA ,用这种FPA 制成热像仪的N ETD 为0.5℃(f /1)。由于热敏材料是硅,所以可以在硅集成电路工艺线上完成整个传感器的制作而降低成本。多晶硅塞贝克系数与杂质浓度相关,p 型多晶硅的塞贝克系数和n 型多晶硅的几乎相同但符号相反,测得的多晶硅塞贝克系数与单晶硅的计算值一致。常用的掺杂浓度为1019～2020cm -3,塞贝克系数300～400μV /℃。5.4 铁电薄膜FPA
铁电晶体具有优异的热释电性能。热释电和介电测辐射热计的原理是:入射辐射使铁电材料的温度发生变化,而铁电材料极化强度和介电常数随温度的变化产生过剩表面电荷。调节铁电陶瓷组分值可使其居里温度调节到室温附近。当在铁电陶瓷红外探测器上外加电压时,总的电荷为极化强度随温度变化产生的电荷和介电常数温度变化产生的热释电电荷之和。用激光束或离子束蚀刻技术使铁电陶瓷薄片网格化已制成245×328元列阵,用倒装焊接技术与硅读出电路列阵连接成FPA [19]。表5列出混合型非制冷FPA 主要性能参数。
270
电子器件 第21卷
表5 非制冷混合型热释电FPA 主要性能
Table 5Unco oled hy brid pyroelectric FPA significa nt parameters
典型值 计划改进值探测器材料(BaSr)TiO 3热释电系数630nC /cm 2
K 介电常数10000电容3pF 工作温度22℃偏置电压
15V 有效温度系数12%响应率85000V /W 像元间距48.5μm 48.5μm ×35μm 像元厚度25μm 5μm 绝热性能200000℃/W 2000000 ℃/W
热时间常数15ms 光学填充因子100%吸收系数95%列阵规模245×328245×454读出集成电路1μm CM OS 0.8μm CMOS
噪声等效温差<0.08℃0.03℃有缺陷像元数
〈100
在CCD 或其他类型读出电路列阵上直接制作铁电薄膜热释电探测器列阵制成单片式
FPA ,已采用溶胶-凝胶(Sol -g el )技术制备钛酸锆酸铅和射频磁控溅射技术制备钛酸锶钡,要求工艺过程的最高温度控制在500℃附近以防止硅电路的损坏。
6 高温超导测辐射热计FPA
1986年发现铱钡铜氧高温超导材料以来,用作红外探测器是研究方向之一,单个红外探测器的性能已达到一定水平,也已制成焦平面列阵,但由于稳定性等一些问题离实用还有
一段距离。另外还发现室温下的光伏效应,认为是各向异性塞贝克(Seeback )效应所致。x =0.3的YBaCu0具有半导体性质,已用于制作室温工作的辐射热计,室温TCR 为3.4%/℃,单元探测率可达 1.6×108
cm ·Hz
1/2
/W 。
7 今后发展
预测红外探测器的进一步发展是相当困难的。1974年有人认为Pb SnTe 比Hg Cd Te 材料更有发展前途,因为前者容易生长优良晶体,但在四年后发现PbSn Te 材料的高介电常数和高热膨胀系数而失去优势[20]。预见最近几年内:(1)对于高性能、快速的单元和小列阵红
271第4期 邵式平等:国外长波红外焦平面列阵现状
外探测器,H g CdTe 合金仍是重要的材料,可在高性能的热像仪上得到应用;(2)新的三元合金Hg ZnTe 在要求性能长期稳定性的场合被采用;(3)肖特基势垒列阵可应用在要求高空间分辨率的3～5μm 波段的探测;(4)Ga As /AlGa As QW IP 列阵可在低背景辐射、长波波段得到应用;(5)热探测器可广泛地应用于不断增长的非制冷热像仪,特别对于短距离热成像系统。由于最近非制冷红外传感器的研究工作的进展,可能有很大的改变。较长期的预测为:(1)热探测器列阵的规模不断增大,改进热灵敏度达到能满足室温高性能应用的水平;(2)最近十年低价热成像技术(热释电和测辐射热计),可作非军事应用,如车辆驾驶、飞行器、保安系统、工业过程控制和大量商业应用;(3)在不同衬底上低温生长Hg Cd Te 材料,包括在硅集成电路上生长,可能影响肖特基势垒列阵的发展,这是由于肖特基势垒器件基本物理性能的限制和强制冷要求;(4)多量子阱和超晶格材料的研究有待深入,二维列阵可得到发展。
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Status of Long Wavelength Infrared Focal Plane Arrays
Shao Shiping X iao Shaoze S Hao Kang
(K unming I nstitute of Physics ,K unming ,Y unnan ,650223)
Abstract Cur rent sta tus of lo ng waveleng th infra red focal plane arrays (FPA )including Hg CdTe Pho to diodes,Schottky -ba rrier pho to emissiv e devices,Ga As /AlGa As intersub-band quantum w ell pho toconductors a nd near room tem perature detecto rs is review ed.Un-cooled hybrid py roelectric ceramic a nd mo no lithical microbolom er ter FPA has entered batch m anufacture .
Key words : Infrared detecto r Photov oltag e Bolom eter Pyro electric M ultiple quantum w ell Focal pla ne array s Thermal imaging
EEAC C
: 2530,7230C ,2860273第4期 邵式平等:国外长波红外焦平面列阵现状
第２９卷第２期２０１０年４月红外与毫米波学报 Ｊ．ＩｎｆｒａｒｅｄＭｉｌｌｉｍ．Ｗａｖｅｓ Ｖ０１．２９，Ｎｏ．２ Ａｐｒｉｌ，２０１０ 文章编号：１００１—９０１４（２０１０）０２—００９１—０３ 一种线阵红外焦平面的图像处理方法 李言谨，危峻，胥学荣 （中国科学院上海技术物理研究所，上海２０００８３） 摘要：根据线阵碲镉汞焦平面中少数载流子的横向收集物理特性，提出了一种改善红外焦平面图像质量的处理方法，并应用于某试验卫星的遥感图像上．这些遥感图像是采用上海技术物理研究所研制的２５６元线列焦平面组件获得的．结果表明，经处理后图像的分辨率和对比度均有显著提高． 关键词：图像处理；红外焦平面；碲镉汞 中图分类号：０４７２文献标识码：Ａ ⅡⅥＡＧＥＰＲＯＣＥＳＳＩＮＧＭＥＴＨＯＤＯＦＬＩＮＥＡＲＩＮＦＲＡＲＥＤ ＦＯＣＡＬＰＬＡＮＥＡＲＲＡＹ ＬＩＹａｎ—Ｊｉｎ，ＷＥＩＪｕｎ，ＸＵＸｕｅ—Ｒｏｎｇ （ＳｈａｎｇｈａｉＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｉｃａｌＰｈｙｓｉｃｓ，ＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０００８３，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｌａｔｅｒａｌｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｍｉｎｏｒｉｔｙｃａｒｒｉｅｒｓｉｎｌｉｎｅａｒ Ｉｑ∞ｄＴｅｉｎｆｒａｒｅｄｆｏｃａｌｐｌａｎｅａｒｒａｙ（ＩＲＦＰＡ），曲ｉｍａｇｅｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｍｅｔｈｏｄｆｏｒｉｍｐｒｏｖｉｎｇｔｈｅｑｕａｌｉｔｙｏｆｉｍａｇｅｓｗ髂ｐｒｏｐｏｓｅｄ．ＴｈｉｓｍｅｔｈｏｄＷａＳａｐｐｌｉｅｄｔｏｔｈｅｒｅｍｏｔｅｓｅｎｓｉｎｇｉｍａｇｅｓ．ｗｈｉｃｈｗ１５ｒｅｏｂｔａｉｎｅｄｆｒｏｍａｓａｔｅｌｌｉｔｅｌｏａｄｅｄｗｉｔｌｌ２５６?ｅｌｅｍｅｎｔＩＲＦＰＡｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄｂｙＳｈａｎｇｈａｉＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｉｃａｌＰｈｙｓｉｃｓ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｂｏｔｈｔｈｅｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎａｎｄｃｏｎｔｒａｓｔｏｆｔｈｅｉｍａｇｅｓａｒｅｉｍｐｒｏｖｅｄｏｂｖｉｏｕｓｌｙｗｉｔｈｔｈｅｐｒｏｐｏｓｅｄｍｅｔｈｏｄ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｉｍａｇｅｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ；ｉｎｆｒａｒｅｄｆｏｃａｌｐｌａｎｅａｒｒａｙ（ＩＲＦＰＡ）；ＨｇＣｄＴｅ 引言 线列红外焦平面器件在空间遥感领域正得到广泛应用【ｌ。Ｊ，已经成为卫星有效载荷升级换代的关键敏感器件，显示出越来越重要的作用．国外焦平面器件研发主要机构都在为一些空间对地观察系统研制线列红外焦平面器件，长线列的红外焦平面器件已经是焦平面技术的重要发展方向之一．如法国Ｓｏ－ｆｒａｄｉｒ公司的１５００元线列碲镉汞中长波焦平面器件，采用交错排列的光敏元结构；美国ＬｏｃｋｈｅｅｄＭａｒｔｉｎ为大气红外探测仪研制了十个波段的碲镉汞２６０—４００元线列焦平面器件；美国Ｒａｙｔｈｅｏｎ公司为地球观察卫星研制了多波段碲镉汞１２８０元焦平面器件．在国内，上海技术物理研究所为遥感卫星研制了中短波的碲镉汞２５６元线列焦平面器件ＭＪ，在轨运行近三年，获得了大量清晰的地面遥感图像．对于以半导体ｐ－ｎ结为光敏元的红外探测器，过剩载流子具有扩散效应【５＇６Ｊ，Ｐ．ｎ结存在着横向收集效应，横向收集的范围与过剩载流子的扩散长度相当．对于碲镉汞来说，扩散长度约为十几至数十微米（依不同的组分和温度而不同），实际上增加了光敏元的有效响应面积，在成像系统中会引起相邻像元信号的串扰，从而影响图像的清晰程度．如果横向收集效应是稳定的，相邻像元响应存在着固定的关系，可以通过数学办法进行图像处理来改善图像质量．本文提出了一种线列焦平面器件图像处理方法，并对我国遥感卫星获得的图像进行了处理，在提高图像的清晰度和对比度方面，取得了明显的效果． １横向收集效应 过剩载流子的扩散运动是半导体的固有特性，如图ｌ所示，正对ｐ－ｎ结的入射红外辐射在体内产生过剩载流子电子空穴对，电子空穴对扩散到结区．电子空穴对被结区的强电场分开，形成光电流．在 收稿日期：２００９?０３－１８．修回日期：２００９－１０?０９Ｒｅｃｅｉｖｅｄｄａｔｅ：２００９—０３—１８，ｎｖｉｓｅｄｄａｔｅ：２００９－１０—０９基金项目：创新基金资助（ＣＸＪＪ－２３９） 作者简介：李言谨（１９６０－），男，江苏东台人，研究员，主要从事航天应用红外探测组件研究，ｙａｎｊｉｎｌｉ＠ｍａｉｌ．ｓｉｔｐ．ａＣ．∞． 万方数据
焦平面红外探测器应用现状 0 引言 红外探测器广泛应用于军事、科学、工农业生产和医疗卫生等各个领域，尤其在军事领域，红外探测器在精确制导、瞄准系统、侦察夜视等方面具有不可替代的作用。近年来，红外探测器的需求不断增加。据美国相关公司市场调研分析师预测，全球军用红外探测器需求额有望在2020年达到163.5亿美元，复合年均增长率为7.71%。 红外探测器按探测机理可分为热探测器和光子探测器，按其工作中载流子类型可以分为多数载流子器件和少数载流子器件两大类，按照探测器是否需要致冷，分为致冷型探测器和非致冷型探测器。非致冷探测器目前主要是非晶硅和氧化钒探测器，致冷型探测器主要包括碲镉汞三元化合物、量子阱红外光探测器Ⅱ类超晶格等。 在过去的几十年里，大量的新型材料、新颖器件不断涌现，红外光电探测器完成了第一代的单元、多元光导器件向第二代红外焦平面器件的跨越，目前正朝着以大规模、高分辨力、多波段、高集成、轻型化和低成本为特征的第三代红外焦平面技术的方向发展。 1 焦平面红外探测器应用现状 热探测器的应用早于光子探测器。热探测器包括热释电探测器、温差电偶探测器、电阻测辐射热计等。热探测器具有宽谱响应、室温工作的优点，但是它响应时间较慢、高频时探测率低，目前主要应用于民用领域。光子探测器是基于光电效应制备的探测器，通过配备致冷系统，具有高量子效率、高灵敏度、低噪声等效温差、快速响应等优点。在军事领域，光子探测器占据主导地位。常用的光子探测器有碲镉汞（HgCdTe）、InAs / InGaSb Ⅱ类超晶格、GaAs / AlGaAs量子阱等。近年来量子点红外光探测器也引起广泛关注，量子点红外光探测器在理论上具有很多优点，但实际制备的量子点红外光探测器与理论预测的还是有一定差距。表1对几种常用的光子型焦平面红外探测器进行了比较。 在精确制导领域，主流制导方式有红外制导和雷达制导，这两种方式各有优势，在某些特定的场合，红外制导更是显示出其不可替代性。与雷达制导的主动探测相比，红外探测是
红外焦平面阵列简介 自从赫谢尔利第一次发现了红外辐射以来，人们就开始不断运用各种方法对红外辐射进行检测，并根据红外光的特点而加以应用，相继制成了各种红外探测器。进入20世纪后，红外探测器技术取得了惊人的进展，特别是冷战时期，军备竞赛各方投入巨资进行研究，突破了诸多难题，使红外探测器技术从30年代单一的PbS器件发展到现在的多个品种，从单元器件发展到目前焦平面信号处理的大型红外焦平面阵列。红外焦平面阵列技术作为红外探测技术发展的一个里程碑，正在急速地拓展新的应用领域和市场，渗透到工业监测探测、执法、安全、医疗、遥感、设备等商业用领域，改变了其长期以来主要用于军用领域的状况。 红外焦平面阵列是红外系统及热成像器件的关键部件，是置于红外光学系统焦平面上，可使整个视场内景物的每一个像元与一个敏感元相对应的多元平面阵列红外探测器件，在军事领域得到了广泛应用，拥有巨大的市场潜力和应用前景。目前许多国家，尤其是美国等西方军事发达国家，都花费大量的人力、物力和财力进行此方面的研究与开发，并获得了成功。 下面依次介绍其原工作原理、分类以及读出电路，并简述国内外发展情况以及展望其发展方向。 一、红外焦平面阵列原理 焦平面探测器的焦平面上排列着感光元件阵列，从无限远处发射的红外线经过光学系统成像在系统焦平面的这些感光元件上，探测器将接受到光信号转换为电信号并进行积分放大、采样保持，通过输出缓冲和多路传输系统，最终送达监视系统形成图像。 二、红外焦平面阵列分类 1、根据制冷方式划分 根据制冷方式，红外焦平面阵列可分为制冷型和非制冷型。制冷型红外焦平面目前主要采用杜瓦瓶快速起动节流致冷器集成体和杜瓦瓶斯特林循环致冷器集成体[5]。由于背景温度与探测温度之间的对比度将决定探测器的理想分辨率，所以为了提高探测仪的精度就必须大幅度的降低背景温度。当前制冷型的探测器其探测率达到～1011cmHz12W-1，而非制冷型的探测器为～109cmHz12W-1，相差为两个数量级。不仅如此，它们的其他性能也有很大的差别，前者的响应速度是微秒级而后者是毫秒级。 2、依照光辐射与物质相互作用原理划分 依此条件，红外探测器可分为光子探测器与热探测器两大类。光子探测器是基于光子与物质相互作用所引起的光电效应为原理的一类探测器，包括光电子发射探测器和半导体光电探测器，其特点是探测灵敏度高、响应速度快、对波长的探测选择性敏感，但光子探测器一般工作在较低的环境温度下，需要致冷器件。热探测器是基于光辐射作用的热效应原理的一类探测器，包括利用温差电效应制成的测辐射热电偶或热电堆，利用物体体电阻对温度的敏感性制成的测辐射热敏电阻探测器和以热电晶体的热释电效应为根据的热释电探测器。这类探测器的共同特点是：无选择性探测（对所有波长光辐射有大致相同的探测灵敏度），但它们多数工作在室温条件下。 3、按照结构形式划分 红外焦平面阵列器件由红外探测器阵列部分和读出电路部分组成。因此，按照结构形式分类，红外焦平面阵列可分为单片式和混成式两种。其中，单片式集成在一个硅衬底上，即读出电路和探测器都使用相同的材料。混成式是指红外探测器和读出电路分别选用两种材料，如红外探测器使用HgCdTe，读出电路使用Si。混成式主要分为倒装式和Z平面式两种。 4、按成像方式划分 红外焦平面阵列分为扫描型和凝视型两种，其区别在于扫描型一般采用时间延迟积分技术，采用串行方式对电信号进行读取；凝视型式则利用了二维形成一张图像，无需延迟积分，
红外焦平面阵列简介.doc 红外焦平面阵列简介 自从赫谢尔利第一次发现了红外辐射以来，人们就开始不断运用各种方法对红外辐射进行检测，并根据红外光的特点而加以应用，相继制成了各种红外探测器。进入20世纪后，红外探测器技术取得了惊人的进展，特别是冷战时期，军备竞赛各方投入巨资进行研究，突破了诸多难题，使红外探测器技术从30年代单一的PbS器件发展到现在的多个品种，从单元器件发展到目前焦平面信号处理的大型红外焦平面阵列。红外焦平面阵列技术作为红外探测技术发展的一个里程碑，正在急速地拓展新的应用领域和市场，渗透到工业监测探测、执法、安全、医疗、遥感、设备等商业用领域，改变了其长期以来主要用于军用领域的状况。 红外焦平面阵列是红外系统及热成像器件的关键部件，是置于红外光学系统焦平面上，可使整个视场内景物的每一个像元与一个敏感元相对应的多元平面阵列红外探测器件，在军事领域得到了广泛应用，拥有巨大的市场潜力和应用前景。目前许多国家，尤其是美国等西方军事发达国家，都花费大量的人力、物力和财力进行此方面的研究与开发，并获得了成功。 下面依次介绍其原工作原理、分类以及读出电路，并简述国内外发展情况以及展望其发展方向。 一、红外焦平面阵列原理 焦平面探测器的焦平面上排列着感光元件阵列，从无限远处发射的红外线经过光学系统成像在系统焦平面的这些感光元件上，探测器将接受到光信号转换为电信号并进行积分放大、采样保持，通过输出缓冲和多路传输系统，最终送达监视系统形成图像。二、红外焦平面阵列分类 1、根据制冷方式划分
根据制冷方式，红外焦平面阵列可分为制冷型和非制冷型。制冷型红外焦平面目前主要采用杜瓦瓶快速起动节流致冷器集成体和杜瓦瓶斯特林循环致冷器集成体[5]。由于背景温度与探测温度之间的对比度将决定探测器的理想分辨率，所以为了提高探测仪的精度就必须大幅度的降低背景温度。当前制冷型的探测器其探测率达到,1011cmHz12W-1，而非制冷型的探测器为,109cmHz12W-1，相差为两个数量级。不仅如此，它们的其他性能也有很大的差别，前者的响应速度是微秒级而后者是毫秒级。 2、依照光辐射与物质相互作用原理划分 依此条件，红外探测器可分为光子探测器与热探测器两大类。光子探测器是基于光子与物质相互作用所引起的光电效应为原理的一类探测器，包括光电子发射探测器和半导体光电探测器，其特点是探测灵敏度高、响应速度快、对波长的探测选择性敏感，但光子探测器一般工作在较低的环境温度下，需要致冷器件。热探测器是基于光辐射作用的热效应原理的一类探测器，包括利用温差电效应制成的测辐射热电偶或热电堆，利用物体体电阻对温度的敏感性制成的测辐射热敏电阻探测器和以热电晶体的热释电效应为根据的热释电探测器。这类探测器的共同特点是:无选择性探测(对所有波长光辐射有大致相同的探测灵敏度)，但它们多数工作在室温条件下。 3、按照结构形式划分 红外焦平面阵列器件由红外探测器阵列部分和读出电路部分组成。因此，按照结构形式分类，红外焦平面阵列可分为单片式和混成式两种。其中，单片式集成在一个硅衬底上，即读出电路和探测器都使用相同的材料。混成式是指红外探测器和读出电路分别选用两种材料，如红外探测器使用HgCdTe，读出电路使用Si。混成式主要分为倒装式和Z平面式两种。 4、按成像方式划分
红外焦平面探测器普及知识 红外焦平面阵列（IR FPA）技术已经成为当今红外成像技术发展的主要方向。红外焦平面阵列像元的灵敏度高，能够获取更多的信息以及更高的可变帧速率。红外焦平面阵列探测器对入射的红外能量进行积分，然后产生视频图像，经过调节后被提供给视频显示器，以供人观察。焦平面阵列每个像元的输出是一种模拟信号，它是与积分时间内入射在该元件上的红外能量成正比的。但是由于制造工艺和使用环境的影响，即使对温度均匀的背景，焦平面背景中所有像元产生的输出信号也是不一致的，即红外焦平面阵列器件的非均匀性（Nonuniformity,NU）。为了满足成像系统的使用要求，需要对红外焦平面阵列探测器进行非均匀性校正。 从生产工艺而言，单纯从提高焦平面阵列质量的角度来降低其非均匀性，不仅困难而且造价昂贵。因此，通过校正算法减小非均匀性对红外焦平面阵列成像质量的影响，提高成像质量，不仅是必须的，同时具有很高的经济价值和应用价值。目前，对红外图像质量的改善，一般是根据红外焦平面阵列对于温度响应的不一致性，采用非均匀性校正的方法，提高红外图像的质量。主要有两类校正方法：基于红外参考辐射源的非均匀性校正算法和基于场景的自适应校正方法。在实际应用中，普遍采用的是基于红外参考辐射源定标的校正方法。但是，采用参考辐射源定标的校正方法校正的红外图像，因红外焦平面阵列器件由于长时间的工作，受到时间、环境等因素的影响，红外图像质量逐渐下降，出现类似细胞状和块状的斑纹，影响了红外图像的质量。所以，需要在基于参考辐射源定标的校正方法的基础上，对于红外图像的质量进行改善。 国内外现状和发展趋势 自然界的一切物体，只要其温度高于绝对零度，总是在不断地辐射能量。红外热成像技术就是把这种红外热辐射转换为可见光，利用景物本身各部分温度辐射与发射率的差异获得图像细节，将红外图像转化为可见图像。利用这项技术研制成的装置称为红外成像系统或热像仪。用热像仪摄取景物的热图像来搜索、捕获和跟踪目标，具有隐蔽性好、抗干扰、易识别伪装、获取信息丰富等优点。因此，红外热成像技术在海上救援、天文探测、遥感、医学等各领域得到广泛应用。 红外热成像系统可以分为制冷和非制冷两种类型，制冷型有第一代和第二代之分，非制冷型可分为热释电摄像管和热电探测器阵列。第一代热成像系统主要由红外探测器、光机扫描器、信号处理电路和视频显示器组成，其中红外探测器是系统的核心器件，一般是分离式探测器。这种
红外焦平面阵列 红外测量技术2009-12-08 21:07:23 阅读110 评论0 字号：大中小订阅 1、红外焦平面阵列原理 焦平面探测器的焦平面上排列着感光元件阵列，从无限远处发射的红外线经过光学系统成像在系统焦平面的这些感光元件上，探测器将接受到光信号转换为电信号并进行积分放大、采样保持，通过输出缓冲和多路传输系统，最终送达监视系统形成图像。 2、红外焦平面阵列分类 （1）根据制冷方式划分 根据制冷方式，红外焦平面阵列可分为制冷型和非制冷型。制冷型红外焦平面目前主要采用杜瓦瓶/快速起动节流致冷器集成体和杜瓦瓶/斯特林循环致冷器集成体[5]。由于背景温度与探测温度之间的对比度将决定探测器的理想分辨率，所以为了提高探测仪的精度就必须大幅度的降低背景温度。当前制冷型的探测器其探测率达到～1011cmHz1/2W-1，而非制冷型的探测器为～109cmHz1/2W-1，相差为两个数量级。不仅如此，它们的其他性能也有很大的差别，前者的响应速度是微秒级而后者是毫秒级。 （2）依照光辐射与物质相互作用原理划分 依此条件，红外探测器可分为光子探测器与热探测器两大类。光子探测器是基于光子与物质相互作用所引起的光电效应为原理的一类探测器，包括光电子发射探测器和半导体光电探测器，其特点是探测灵敏度高、响应速度快、对波长的探测选择性敏感，但光子探测器一般工作在较低的环境温度下，需要致冷器件。热探测器是基于光辐射作用的热效应原理的一类探测器，包括利用温差电效应制成的测辐射热电偶或热电堆，利用物体体电阻对温度的敏感性制成的测辐射热敏电阻探测器和以热电晶体的热释电效应为根据的热释电探测器。这类探测器的共同特点是：无选择性探测（对所有波长光辐射有大致相同的探测灵敏度），但它们多数工作在室温条件下[6]。 （3）按照结构形式划分 红外焦平面阵列器件由红外探测器阵列部分和读出电路部分组成。因此，按照结构形式分类，红外焦平面阵列可分为单片式和混成式两种[7]。其中，单片式集成在一个硅衬底上，即读出电路和探测器都使用相同的材料，如图1所示。混成式是指红外探测器和读出电路分别选用两种材料，如红外探测器使用HgCdTe，读出电路使用Si。混成式主要分为倒装式（图2(a)）和Z平面式（图2(b)）两种。 （4）按成像方式划分 红外焦平面阵列分为扫描型和凝视型两种，其区别在于扫描型一般采用时间延迟积分（TDI）技术，采用串行方式对电信号进行读取；凝视型式则利用了二维形成一张图像，无需延迟积分，采用并行方式对电信号进行读取。凝视型成像速度比扫描型成像速度快，但是其需要的成本高，电路也很复杂。 （5）根据波长划分 由于运用卫星及其它空间工具，通过大气层对地球表面目标进行探测，只有穿过大气层的红外线才会被探测到。人们发现了三个重要的大气窗口：1mm～3mm的短波红外、3mm～5mm的中波红外、8mm ～14mm的长波红外，由此产生三种不同波长的探测器。 三、读出电路
红外焦平面阵列 红外焦平面阵列原理、分类 1、红外焦平面阵列原理 焦平面探测器的焦平面上排列着感光元件阵列，从无限远处发射的红外线经过光学系统成像在系统焦平面的这些感光元件上，探测器将接受到光信号转换为电信号并进行积分放大、采样保持，通过输出缓冲和多路传输系统，最终送达监视系统形成图像。 2、红外焦平面阵列分类 （1）根据制冷方式划分 根据制冷方式，红外焦平面阵列可分为制冷型和非制冷型。制冷型红外焦平面目前主要采用杜瓦瓶/快速起动节流致冷器集成体和杜瓦瓶/斯特林循环致冷器集成体[5]。由于背景温度与探测温度之间的对比度将决定探测器的理想分辨率，所以为了提高探测仪的精度就必须大幅度的降低背景温度。当前制冷型的探测器其探测率达到～1011cmHz1/2W-1，而非制冷型的探测器为～ 109cmHz1/2W-1，相差为两个数量级。不仅如此，它们的其他性能也有很大的差别，前者的响应速度是微秒级而后者是毫秒级。 （2）依照光辐射与物质相互作用原理划分 依此条件，红外探测器可分为光子探测器与热探测器两大类。光子探测器是基于光子与物质相互作用所引起的光电效应为原理的一类探测器，包括光电子发射探测器和半导体光电探测器，其特点是探测灵敏度高、响应速度快、对波长的探测选择性敏感，但光子探测器一般工作在较低的环境温度下，需要致冷器件。热探测器是基于光辐射作用的热效应原理的一类探测器，包括利用温差电效应制成的测辐射热电偶或热电堆，利用物体体电阻对温度的敏感性制成的测辐射热敏电阻探测器和以热电晶体的热释电效应为根据的热释电探测器。这类探测器的共同特点是：无选择性探测（对所有波长光辐射有大致相同的探测灵敏度），但它们多数工作在室温条件下[6]。 （3）按照结构形式划分 红外焦平面阵列器件由红外探测器阵列部分和读出电路部分组成。因此，按照结构形式分类，红外焦平面阵列可分为单片式和混成式两种[7]。其中，单片式集成在一个硅衬底上，即读出电路和探测器都使用相同的材料，如图1所示。混成式是指红外探测器和读出电路分别选用两种材料，如红外探测器使用HgCdTe，读出电路使用Si。混成式主要分为倒装式（图2(a)）和Z平面式（图2(b)）两种。 （4）按成像方式划分 红外焦平面阵列分为扫描型和凝视型两种，其区别在于扫描型一般采用时间延迟积分（TDI）技术，采用串行方式对电信号进行读取；凝视型式则利用了二维形成一张图像，无需延迟积分，采用并行方式对电信号进行读取。凝视型成像速度比扫描型成像速度快，但是其需要的成本高，电路也很复杂。
红外焦平面成像技术发展现状 姓名：高洁班级：11级硕研1班学号：S11080300007 摘要 红外焦平面列阵成像技术已经进入了成熟期。本文对几种红外焦平面列阵器件如MCT、Insb 和QWIP 的最新进展作一评述，简要介绍其器件发展水平、技术路线和关键工艺。简要提及一种新颖的非制冷焦平面成像技术：光学读出微光机红外接收器。 关键词：红外焦平面列阵；碲镉汞；锑化铟；量子阱红外探测器 Abstract Infrared focal plane array (IRFPA) imaging technology has been matured during the passed decade. In this paper an overview of recent progress to several kind of IRFPA such as MCT, Insb and QWIP is provided , focusing on new device development, technical lines and key technologies. Also, a new type of uncooled FPA imaging technigue micro !optomechanical infrared receiver with optical readout is briefly introduced. Key words: IRFPA; MCT; Insb; QWIP 引言 红外探测器技术在20 世纪90 年代取得了飞速发展。红外焦平面列阵成像技术进入了成熟期。高性能大规格焦平面列阵已正式地应用于各种重大国家安全项目中，例如弹道导弹防御计划和重要新型武器系统。另外，新型非制冷红外焦平面技术的涌现正在促进红外技术走向第三代。美国人预言，未来几年美国红外市场将出现年均30%的连续高速增长[1]。本文简要评述了几种红外焦平面列阵器件技术的最新进展。 1. 碲镉汞红外焦平面器件 1.1器件和材料发展水平 通过调整碲镉汞(MCT)材料的组分，可以方便地调节其材料的禁带宽度，器件可以响应多个红外波段范围，因此，MCT 受到各国的高度重视。MCT 焦平面列阵器件在短波(1~3 μm)、中波(3~5μm )、长波(8~12μm )和甚长波(12~18μm )各个波段取得了全面进展。 1.1.1 短波MCT 焦平面 波音北美公司和洛克威尔科学中心合作，在替代衬底PACE-1 上生长的MCT 薄膜材料制造了大规模的焦平面列阵。低背景天文应用，代号为Hawaii-2 的器件性能参数如表1 所示[2]。多光谱遥感应用的1024*1024 元FPA，截止波长2.5 μm，在1.2*1011 phs/cm2 s 背景水平和115 K 工作温度下的平均探测率达到2.3*1013 cmHZ1/2W-1，非均匀性12.5%，量子效率74%，77 K 下平均暗电流仅为0.02 e-/s，有效像元率99.1%，100 次热循环脱焊率<0.2%[3]。
背照式ZnO基紫外焦平面成像阵列的基础研究 基本信息 批准号60876042 项目名称背照式ZnO基紫外焦平面成像阵列的基础研究 项目类别面上项目 申请代码F040305 项目负责人张景文 负责人职称副教授 依托单位西安交通大学 研究期限2009-01-01 到 2011-12-31 资助经费43.0000（万元） 项目摘要 中文摘要 首次研制出一种背照明的ZnO基垂直结构的紫外探测器焦平面探测阵列，其单元像素光电灵敏度达到1616 A/W，光电响应的上升时间71.2 ns。日盲MSM结构Zn1-xMgxO紫外探测器5V偏压下明暗电流比达3000，对248nm的脉冲激光上升时间45.60μs。阵列式Zn1-xMgxO垂直结构紫外探测单元5V偏压下对248nm的紫外光的响应为1679A/W, 明暗对比达到5150，上升响应时间为23ns。为当前国际最好报道。首次研究出一种高灵敏度光电导型ZnO四脚晶须紫外探测器。发现Zn1-xMgxO纳米线表现出良好的紫外光响应特性，所研制的Zn0.62Mg0.38O 和Zn0.776Mg0.224O纳米线紫外探测器的明暗对比度分别达到了5000和20000。本项目共申报相关发明专利11项，其中已获得授权发明专利10项，取得了相应的知识产权；发表文章17篇，其中被SCI收录6篇，EI收录6篇，全国性学术会议邀请报告2次；承办全国性学术会议一次；培养青年教师两名；毕业博士研究生2人，毕业硕士研究生13人。 中文主题词焦平面探测阵列；紫外探测；ZnMgO；日盲；灵敏度
英文摘要 First developed a high performance back-illuminated ZnO-based ultravi olet focal plane detector arrays， Each back-illuminated ZnO single detector cell of the array had a hig h responsivity of 1616 A/W； the rise time was 71.2 ns. The light and dark contract of solar-blind MSM-Zn1-xMgxO UV detectors were as high as about 3000 when the detec tor was at 5V bias， the rise time was 45.60μs at 248 nm pulse laser irradiation. Each ba ck-illuminated Zn1-xMgxO single detector cell of the array had a high responsivity of 1679 A/W at 5V bias and 248 nm pulse laser irradiati on，the light and dark contract was 5150， the rise time was 23ns. It's the best result of international. First developed a high performance tetrapod ZnO whisker and ZnMgO nanowires UV detectors. We found the ZnMgO nanowires had high property of UV o ptoelectronical response. The light and dark contract of Zn0.62Mg0.38 O and Zn0.776Mg0.224O nanowires were 5000 and 20000 respectively. We have declared 11 invention patents at this project， and 10 invention patents have get authorized among them. We Have publ ished 17 papers，including 6 SCI papers and 6 EI papers， two invited report at national Conference. We have undertaken a natio nal Conference; two young college teachers have been trained and Grad uated two doctoral students and 13 graduates 英文主题词FPA；UV Detectors；ZnMgO；Solar Blind； Responsivity 结题摘要 首次研制出一种背照明的ZnO基垂直结构的紫外探测器焦平面探测阵列，其单元像素光电灵敏度达到1616 A/W，光电响应的上升时间71.2 ns。日盲MSM结构Zn1-xMgxO紫外探测器5V偏压下明暗电流比达3000，对248nm的脉冲激光上升时间45.60μs。阵列式Zn1-xMgxO垂直结构紫外探测单元5V偏压下对248nm的紫外光的响应为1679A/W, 明暗对比达到5150，上升响应时间为23ns。为当前国际最好报道。首次研究出一种高灵敏度光电导型ZnO四脚晶须紫外探测器。发现Zn1-xMgxO纳米线表现出良好的紫外光响应特性，所研制的Zn0.62Mg0.38O 和Zn0.776Mg0.224O纳米线紫外探测器的明暗对比度分别达到了5000和20000。本项目共申报相关发明专利11项，其中已获得授权发明专利10项，取得了相应的知识产权；发表文章17篇，其中被SCI收录6篇，EI收录6篇，全国性学术会议邀请报告2次；承办全国性学术会议一次；培养青年教师两名；毕