光電子技術(shù)教案0001

1、四、紅外焦平面器件紅外焦平面器件IRFPA就是將CCD CMO技術(shù)引入紅外波段所形 成的新一代紅外探測(cè)器，是現(xiàn)代紅外成像系統(tǒng)的關(guān)鍵器件。IRFPA建立在 材料、探測(cè)器陣列、微電子、互連、封裝等多項(xiàng)技術(shù)根底之上。1. IRFPA的工作條件IRFPA通常工作于13卩m35卩m和812卩m的紅外波段并多數(shù) 探測(cè)300K背景中的目標(biāo)。典型的紅外成像條件是在300K背景中探測(cè)溫度變化為0.1K的目標(biāo)用普朗克定律計(jì)算的各個(gè)紅外波段 300K背景的光譜輻射光子密度：波長(zhǎng)/ i m1335812300K背景輻射光子通量密度/光子/ cm s10121016.J10光積分時(shí)間飽和時(shí)間/1 s10610210比照

2、度300K背景/% 1031隨波長(zhǎng)的變長(zhǎng)，背景輻射的光子密度增加。通常光子密度高于1013/cms的背景稱為高背景條件，因此35 1 m 或8121 m波段的室溫背景為高背景條件。上表同時(shí)列出了各個(gè)波段的輻射比照度，其定義為：背景溫度變化1K所引起光子通量變化與整個(gè)光子通量的比值。它隨波長(zhǎng)增長(zhǎng)而減小。IRFPA工作條件：高背景、低比照度。2. IRFPA的分類按照結(jié)構(gòu)可分為單片式和混合式按照光學(xué)系統(tǒng)掃描方式可分為掃描型和凝視型按照讀出電路可分為 CCDMOSFE和CID等類型 按照制冷方式可分為制冷型和非制冷型 按照響應(yīng)波段與材料可分為13卩m波段代表材料HgCdT碲鎘汞35卩m波段代表材料H

3、gCdTe InSb銻化銦 和 PtSi 硅化鉑812卩m波段代表材料 HgCdTe。3. IRFPA 的結(jié)構(gòu)IRFPA由紅外光敏局部和信號(hào)處理局部組成。 紅外光敏局部材料的紅外光譜響應(yīng) 信號(hào)處理局部有利于電荷的存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)移目前沒(méi)有能同時(shí)很好地滿足二者要求的材料一一IRFPA結(jié)構(gòu)多樣性 1 單片式 IRFPA單片式IRFPA主要有三種類型： 非本征硅單片式 IRFPA主要缺點(diǎn)是：要求制冷，工作于814卩m的器件要制冷到15 30K,工作于35 m波段的器件要制冷到4065K;量子效率 低，通常為 5%30%；由于摻雜濃度的不均勻， 使器件的響應(yīng)度 均勻性較差。本征單片式IRFPA將紅外光敏局部與

4、轉(zhuǎn)移局部同作在一塊窄禁帶寬度的本征半導(dǎo)體材料上。目前受重視的材料是 HgCdTe優(yōu)點(diǎn)：量子效率較高。缺點(diǎn)：是轉(zhuǎn)移效率低n = 0.9 ，響應(yīng)均勻性差，且由于窄禁 帶材料的隧道效應(yīng)限制了外加電壓的幅度，那么外表勢(shì)不大，因 此存儲(chǔ)容量較小。肖特基勢(shì)壘單片式IRFPA基于肖特基勢(shì)壘的光電子發(fā)射效應(yīng)，在同一硅襯底上制作可響 應(yīng)紅外輻射的肖特基勢(shì)壘陣列及信號(hào)轉(zhuǎn)移局部。肖特基勢(shì)壘單 片式IRFPA目前受重視的材料是PtSi。優(yōu)點(diǎn)：因光激發(fā)過(guò)程取決于金屬中的吸收，所以響應(yīng)度均勻性 較好；采用的硅襯底可制成高性能的 CCD專移機(jī)構(gòu)金屬缺點(diǎn)：量子效率比擬低。* Eo!"三二衛(wèi)_Eo肖特基勢(shì)臺(tái)電極轉(zhuǎn)移糊

5、轉(zhuǎn)移國(guó)電極/_ZL說(shuō)p Si絕緣展光生電荷金匡半導(dǎo)體It(2) 混合式IRFPA混合式IRFPA的探測(cè)器陣列采用窄禁帶本征半導(dǎo)體材料制作，電荷 轉(zhuǎn)移局部用硅材料。直接注入方式是將探測(cè)器陣列與轉(zhuǎn)移局部直接用導(dǎo)線相連。間接注入方式是通過(guò)緩沖級(jí)(有源網(wǎng)絡(luò))進(jìn)行連接。探測(cè)器陣列與轉(zhuǎn)移局部的連接大多采用倒裝式：4. 典型的IRFPA(1) InSb IRFPAInSb是一種比擬成熟的中波紅外探測(cè)器材料。InSb IRFPA是在InSb 光伏型探測(cè)器根底上，采用多元器件工藝制成焦平面陣列，然后與信號(hào) 處理電路進(jìn)行混合集成。已研制了采用前光照結(jié)構(gòu)的 1X 32、1X128、1X 256、1X 512的線 列

6、 IRFPA和背光照結(jié)構(gòu)的 58X62、128X 128、256X 256、640X480、1024 X 1024 的面陣 IRFPA(2) HgCdTeIRFPAHgCdTe材料是目前最重要的紅外探測(cè)器材料，研制與開(kāi)展HgCdTeIRFPA是目前的主攻方向。通常HgCdTeIRFPA是由HgCdT光伏探測(cè)器陣列和 CCD或 MOSFE讀 出電路通過(guò)銦柱互連而組成混合式結(jié)構(gòu)。目前已研制了用于空間成像光譜儀的 1024X1024短波12.5卩m HgCdTe IRFPA用于戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈尋的器和戰(zhàn)略預(yù)警、監(jiān)視系統(tǒng)的 640X480 的中波HgCdTeIRFPA及應(yīng)用十分廣泛的 812卩m的長(zhǎng)波HgCd

7、TeIRFPA。 目前 4N系列4X 288、4X 480、4X 960的掃描型和 64X 64、128X 128、 640X 480凝視型的HgCdTe IRFPA已批量生產(chǎn)。HgCdTe IRFPA的像素目前可作到18X 18 m。3硅肖特基勢(shì)壘 IRFPA硅肖特基勢(shì)壘IRFPA目前已被廣泛應(yīng)用于近紅外與中紅外波段的熱 成像, 它是目前唯一利用已成熟的硅超大規(guī)模集成電路技術(shù)制造的紅外 傳感器，代表了當(dāng)今應(yīng)用于中紅外波段的大面陣、高密度IRFPA的最成熟工藝。已實(shí)現(xiàn)了 256X256、 512X512、 640X480、 1024X1024、 1968 X 1968等多種型號(hào)的器件。硅肖特基

8、勢(shì)壘IRFPA的像素目前可作到17X 17 卩 m。4非制冷 IRFPA早在 70 年代就開(kāi)始著手開(kāi)展非制冷 IRFPA， 1 979年美國(guó)得克薩斯儀 器公司曾演示了 100X 100元的鈮酸鍶鋇SBN熱釋電探測(cè)器陣列。目 前主要研究開(kāi)發(fā)的材料是氧化釩VO、硅、多晶硅和非晶硅等。非制冷 IRFPA的像素目前可作到28X 28卩mt5多量子阱 MQWIRFPA70 年代由于一些先進(jìn)的晶體材料外延工藝，例如金屬有機(jī)汽相沉積MOCVD和分子束外延MBE的出現(xiàn)，人們選擇一定的襯底材料，用 這兩種工藝在襯底上依次交替地淀積兩種不同半導(dǎo)體A和B薄層，形成ABABA-或其他周期性結(jié)構(gòu)，薄層的厚度從幾個(gè)到幾十個(gè)原子層，形成一 種完全新穎的材料，稱為超晶格材料，其性質(zhì)取決于A和B的性質(zhì)及它們的層厚。由于A和B及它們的厚度可有很大的選擇余地，因而人為地 創(chuàng)造了一大類具有與原材料完全不同特性的材料。目前根據(jù)A和B兩種材料能帶的差異，分為I、"、皿類三種超晶格材料。其中開(kāi)展最快的 為I類AIGaAs/GaAs超晶格材料，其中AIGaAs為勢(shì)壘，GaAs為勢(shì)阱，當(dāng) 勢(shì)壘高度較高、較厚時(shí)，電子的運(yùn)動(dòng)被限制在勢(shì)阱中，這種情況下的超 晶格材料稱為量子阱QW材料。如果有很多相同量子阱疊加就組成了 多量子阱