双色碲镉汞红外焦平面探测器发展现状

红外光电探测器件在军事、民用和科学研究方面具有非常重要的应用。而碲镉汞(hgcdte)由于自身的诸多优点在红外光电探测器的发展中起到了至关重要的作用,至今仍然是重要的战略战术应用中首选的材料体系。首先分析了针对新一代红外探测器所提出的swap3(size,weight,andpower,performanceandprice)概念,然后简略介绍了第三代红外焦平面研究背景下hgcdte薄膜的衬底水平与材料生长情况,最后总结了大规模阵列器件、甚长波红外器件、高工作温度(highoperatingtemperature,hot)器件、超光谱探测器件、双色器件以及雪崩光电器件等前沿技术方面的研究进展。

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

与用其他材料制备的红外光子探测器相比,碲镉汞红外探测器具有带隙灵活可调、量子效率较高以及r_oa接近理论值等优点。碲镉汞探测器的主要缺点是需要低温制冷,以抑制引起噪声的热生自由载流子。期望碲镉汞探测器在具有高工作温度(highopeatingtemperature,hot)的同时而又无需牺牲性能。hot碲镉汞探测器的设计目标主要是抑制俄歇过程,从而降低探测器噪声和低温制冷需求。从相关基本概念出发,讨论了对hot碲镉汞物理机制的理解以及近年来hot碲镉汞技术的发展状况。

与用其他材料制备的红外光子探测器相比,碲镉汞红外探测器具有带隙灵活可调、量子效率较高以及r_0a接近理论值等优点。碲镉汞探测器的主要缺点是需要低温制冷,以抑制引起噪声的热生自由载流子。期望碲镉汞探测器在具有高工作温度(highoperatingtemperature,hot)的同时而又无需牺牲性能。hot碲镉汞探测器的设计目标主要是抑制俄歇过程,从而降低探测器噪声和低温制冷需求。从相关基本概念出发,讨论了对hot碲镉汞物理机制的理解以及近年来hot碲镉汞技术的发展状况。

设计了带有保护环结构的平面型24×1ingaas线列短波红外探测器,利用n-i-n+型inp/in0.53ga0.47as/inp外延材料闭管扩散制备了平面型探测器。lbic测试显示光敏元没有明显扩大,保护环起到了有效的隔离效果;i-v测试表明器件的优值因子r0a约4.2×106.cm2,在-0.1v反向偏压下的暗电流密度约22na/cm2,拟合得到的理想因子接近1,说明正向电流成分主要为扩散电流;在室温20℃,器件的响应光谱在0.9～1.68μm波段范围,其平均峰值电流响应率为1.24a/w,平均峰值探测率为3.0×1012cm.hz1/2/w,量子效率接近95%,响应的不均匀性为2.63%。

基于非致冷式焦平面红外热像仪,数值模拟了红外激光光束经过长距离传输后,在焦平面处的聚焦特性.比较了平顶模和高斯模,在焦点处的能流分布,以及照射光线同热像仪光轴不一致时,聚焦光斑在焦平面处的强度分布.

红外探测器是一门新兴技术,其应用包括温度测量、匪警/火警、机器人/工业设备、热弹性应力分析、医疗诊断以及包括气体分析在内的化学分析.主要介绍红外探测器发展的三大趋势:热成像、数据传输和激光测距.回顾这些技术可使人们了解目前的工艺水平及其发展趋势.

optek技术公司研制出op570系列的硅npn光电晶体管红外探测器。这种探测器被封装在0.10×0.08in的表面安装型管壳内,并配有高性能的红外透镜。作为

法国ulissas公司向市场投放了一系列像元间距为25μm的硅红外探测器。ul02152型探测器是一个160×120元的列阵,其热时间常数<ms,占空因数

美国专利us7485870(2009年2月3日授权)本发明提供一种气动型红外探测器,它包括一个敏感腔和一个参考腔,它是通过测量其敏感腔的气动膨胀来探测红外辐射的。其原理是,敏感腔吸收红外辐射能量后,其温度上升,从而发生气动膨胀。参考腔通过机械方法与敏感腔相连,它是用来控制敏感腔的气动膨胀的。这种膨胀或者用电学方法探测,或者用光学方法探测。本专利说明书共33页,其中有23张插图。

采用n型掺杂的algaas/gaas和algaas/ingaa多量子阱材料,基于mocvd外延生长技术,利用成熟的gaas集成电路加工工艺,设计并制作了不同结构的中波-长波双色量子阱红外探测器(qwip)器件,器件采用正面入射二维光栅耦合,光栅周期设计为4μm,宽度2μm;对制作的500μm×500μm大面积双色qwip单元器件暗电流、响应光谱、探测率进行了测试和分析。在-3v偏压、77k温度和300k背景温度下长波(lwir)和中波(mwir)qwip的暗电流密度分别为0.6、0.02ma/cm2;-3v偏压、80k温度下mwir和lwirqwip的响应光谱峰值波长分别为5.2、7.8μm;在2v偏压、65k温度下,lwir和mwirqwip的峰值探测率分别为1.4×1011、6×1010cm.hz1/2/w。

半导体基中远红外探测器在成像、传感、国家安全以及国防领域具有广泛的应用背景。目前,在这个领域最主流的技术之一是量子阱红外探测器(qwips)。传统的量子阱红外探测器往往存在较大的暗电流和较低的工作温度等限制。量子级联探测器(qcds)是一种新型的光伏型量子阱红外探测器。其工作原理基于电子吸收光子后在量子阱的子带间跃迁并且激发态电子通过人工设计的势能阶梯形成无需外加偏置电压的定向输运。这种基于新原理的红外探测器一经出现便引起人们高度的关注并经历了快速的发展。文中介绍了中国科学院半导体所在量子级联探测器研究方面的最新成果。

美国专利us7312450(2007年12月25日授权)本发明提供一种可在保持性能的同时降低功耗的红外探测器件。该器件由一个热释电元件、一个i/v转换电路、一个电压放大电路、一个探测电路、一个输出

本文简单介绍了半导体量子点材料的基本性质及相应的红外探测器的工作原理,并举例讨论了几种典型的量子点红外探测器的结构。最后,对量子点红外探测器的主要优点进行了总结。

主要综述三代红外光电探测器的材料体系与研究现状,以及分析红外光电探测器的未来发展趋势。首先,简述红外光电探测器及其三个发展阶段。然后,论述适于三代红外光电探测器发展的碲镉汞(hgcdte)、量子阱光探测(qwips,quantum-wellphotodetectors)、二类应变超晶格(sls,type-ⅱstrained-layersuperlattices)和量子点红外光探测(qdips,quantumdotirphotodetectors)四个材料体系,以及介绍它们在三代红外光电探测器方面的研究进展。最后,分析未来红外光电探测器的材料选择及发展趋势。

根据红外探测器最基本的物理机理和器件模型,对红外光子探测器和热探测器在不同工作温度、不同波长的探测率性能进行了理论计算;并对两类物理机理不同的红外探测器的探测率、工作温度和响应波长进行比较,阐述了各自探测器具有优势的应用领域。

军用红外探测器需要使用工作在各种红外波段的大规格、高均匀性多色焦平面阵列器件。满足这些要求的一个候选者就是量子阱红外(光电)探测器(quantumwellinfraredphotodetector,qwip)。作为新一代红外探测器,qwip基于极薄半导体异质结构中的载流子束缚效应。gaas/algaas/qwip的主要优点包括标准的ⅲ-ⅴ族衬底材料和技术、良好的热稳定性、大面积、低研发成本以及抗辐射性。qwip的另一个重要优点是具有带隙工程能力。可以通过调节量子阱宽度和势垒组分设计出满足特殊要求(例如多色焦平面列阵应用)的器件结构。介绍了对qwip探测物理机制的理解以及近年来多色qwip技术的发展状况。

为了准确测量中红外高能激光系统的远场功率密度时空分布等参数,分析了室温光导型碲镉汞(hgcdte)探测器在环境温度变化和光热效应情况下存在的探测器光敏元温升等热问题,并分别给出了应对措施。从hgcdte的电学参数经验公式和光导型探测器工作原理出发,分析了暗电阻和响应率与光敏元工作温度的相关性。建立了计入接触热阻和自然对流效应的光导型hgcdte探测器热分析模型,并对模型进行了实验验证。分析了光敏元与环境温度间的热平衡时间特性,提出了连续激光测量中的环境温度校正模型。讨论了激光辐照下探测器的动态响应特性,给出了激光加热探测器光敏元导致的附加光热信号的修正方法,该方法在典型应用条件下可将测量系统的单通道测量不确定度降低2%以上。目前,所述方法均已成功应用于多套远场激光光斑定量测量系统。

提出一种基于arm和fpga的红外监控系统设计与实现的方案,主要对系统组成中的采集、处理、传输、显示等模块进行硬件设计,阐述了系统实现原理,为测温算法实现作铺垫。在介绍系统组成的基础上,重点介绍了arm模块与fpga模块之间接口设计,采用双缓存机制存储中间数据,驱动程序采用高效的dma方案进行数据传输,有效地提高了红外监控系统图像的连续性和稳定性。实验结果表明,系统工作稳定可靠,能够满足常用实时测温算法处理的需要,该方案具有很好的工程意义和市场价值。

由于未来作战环境复杂,红外探测技术发展面临严峻挑战,而作为红外型武器的核心——红外探测器,正朝着高灵敏、宽谱段、高分辨率、低功耗、小型化和智能化的方向发展。通过回顾相关产业军民两用融合情况和红外探测技术发展历程,总结军事发展对探测器新的要求,以确立新一代探测器发展方向。在详细分析国外红外探测器发展历程和现状的基础上,重点介绍了国外红外焦平面探测器的最新研制情况和成果,包括非制冷红外探测器、制冷型红外探测器、红外双色探测器等,并总结强调第三代红外探测器需要在控制成本的同时不断提高和改进红外焦平面探测系统的性能。最后概述了智能化红外焦平面阵列的发展情况。

述评发达国家导弹红外成像导引头,尤其是采用焦平面探测器的导引头的发展现状、特点以及今后的趋势,也介绍了双色、多色、双模导引头在目标识别与反对抗方面的优势与潜力

对红外探测器不断增长和提高的需求催生了第三代红外焦平面探测器技术。根据第三代红外探测器的概念,像素达到百万级,热灵敏度netd达到1mk量级是第三代制冷型高性能红外焦平面探测器的基本特征。计算结果表明读出电路需要达到1000me-以上的电荷处理能力和100db左右的动态范围(dynamicrange)才能满足上述第三代红外焦平面探测器需求。提出在像素内进行数字积分技术,以期突破传统模拟读出电路的电荷存储量和动态范围瓶颈限制,使高空间分辨率、高温度分辨率及高帧频的第三代高性能制冷型红外焦平面探测器得到实现。