双色碲镉汞红外焦平面探测器发展现状.pdf

第39卷 第4期 激 光 与 红 外Vol.39,No.42009年4月 LASER&I NFRAREDApril,2009 文章编号:100125078(2009)0420367205 综述与评论 双色碲镉汞红外焦平面探测器发展现状王成刚,孙 浩,李敬国,朱西安(华北光电技术研究所,北京100015)摘 要: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。关键词:碲镉汞;红外焦平面阵列;双色探测器;分子束外延;台面刻蚀中图分类号:TN215 文献标识码:ATrends i n Two2color I nfrared Focal Plane Detectors ofMCTWANG Cheng2gang,SUN Hao,L IJing2guo,ZHU Xi2an(North China Research Institute of Electro2optics,Beijing 100015,China)Abstract:This paper gives the state of application and development of double2color detector ofMCT,further more,gives the work mode,structure,important technology of process of detector、the structure of read out integrate circuit.Key words:MCT;I RFPA;dual band detector;MBE;mesa2etch1 引 言随着红外技术的不断发展,先进的红外系统要求探测器具有更高的探测识别能力、具备双/多色同时探测能力、更加智能化,因此三代红外焦平面探测器的主要标志是:双/多色探测、超大规模凝视面阵、低成本制备等。其中,双/多色是三代器件的主要发展方向。碲镉汞(HgCdTe,MCT)材料由于具有量子效率高、可高温工作、响应波长随组份变化连续可调、不同组分晶格常数变化不大等显著优点,成为三代红外焦平面探测器件发展的重点之一1。双色红外探测器是三代红外探测器发展方向之一,能对双波段辐射信息进行处理,大大提高了系统抗干扰和目标识别能力,应用于导弹预警、红外侦察、成像制导等多种领域。国际上欧美等国家起步较早,于20世纪80年代末研制出双波段探测器,并很快应用于武器系统。早期双色结构多为镶嵌式,随着探测器技术向更大规模焦平面阵列(FPA)方向发展,也要求双色器件实现大阵列、焦平面结构以及数字化,而只有叠层式工艺才能实现这一目标,即单个像元能探测两个不同波段,当与先进的多色信息处理算法相结合时,双色红外探测器与单色探测器相比可以进一步提高探测灵敏度。2 双色MCT红外焦平面探测器工作方式一般双色MCT探测器有两种探测模式:顺序探测模式和同时探测模式2。顺序探测模式:探测器开关时间可以很短,在微秒量级,通过在短波和长波方式之间的快速开关可以进行缓慢变化目标的探测。其优点如下:像单色混合FPA一样,只有一个铟柱和每个单元相连;与现有硅读出电路(RO I C)芯片兼容,适于常规的背照射工作;每个单元只须一个读出模块,可以为高性能的读出提供空间;简单的结构可以使单元更小(99.977AI MMW/MW192192间距56563.4/4.04.2/5.03025RVSMW/LW64048020205.5/10.520989778MW/LW12807202020DRSMW/LW320240间距50505.2/10.292397.196.3MW/MW320240间距50504.2/5.218.1899.499.677RockwellMW/MW12812840403.9/5.9BAEMW/LW6464间距75754.3/10.3SelexMW/LW640512S W/MW320256间距24245.0/10.029.61.65/4.05998090图10 德国A I M公司制备的双色MCT IRFPA截面示意图BAE(英国、美国)系统公司采用MOCVD多层碲镉汞外延方法,利用微台面技术,设计和制造了图11所示的p-n-n-n-p型结构的双色6464凝视型碲镉汞红外焦平面探测器8,像元尺寸为75m,截止波长为4.3m和10.3m。图11 英国BAE系统公司制备的双色MCT IRFPA截面示意图英国Selex公司的双色探测器以中波-长波640512、短波-中波320256器件为主,已经成为货架产品向外提供。各公司双色MCT IRF2PA探测器性能参数表如表1所示。4 双色MCT红外焦平面探测器关键制备技术1)双色MCT红外焦平面探测器材料生长技术最开始是用体晶生长技术来制备探测器材料,70年代初期发展起来的液相外延(LPE)技术在经过20多年才发展成熟,在90年代初替代 了 体 晶 生 长 技 术 成 为MCT探测器制备的关键技术之一,用于一代和二代探测器大规模生产,但是LPE技术由于自身的一些特点(如工艺温度高等)不适合三代探测器所需各种先进结构的要求。这些都为分子束外延(MBE)和金属有机物化物气相沉积(MOCVD)技术的发展提供了更大的舞台,这两种技术在80年代初期发展起来,由于MBE的Hg源特殊设计成功的克服了MOCVD在生长时Hg的低黏附系数9,而且MBE的 生 长 温 度 不 到200,而MOCVD的生长温度高达350,在这种高温下Hg空位的形成使得其P型层的掺杂非常难于控制,因此目前MBE技术成为多色红外探测器结构多层材料生长的首选技术。在MBE外延MCT衬底的选择上,主要的有CdZnTe,Si,Ge,GaAs,Sapphire,InSb等几种:CdZnTe与MCT有好的晶格匹配但是也存在不足,如面积小、成本高、与硅RO IC之间大的热失配等,因此在超大规格FPA(1K1K,2K2K等)材料制备上CdZnTe就不适合作为衬底材料;Ge作为一种可供选择的衬底材料,主要是因为Si材料在外延前对氧化层的处理不易,其与硅有着近似的优点,才选择Ge作为衬底;Si与MCT晶格失配达到19%,所以在Si上外延MCT前要先外延CdTe等材料的复合衬底结构,尽管如此,但在FPA技术上Si衬底具有非常大的吸引力,这不仅是因为其成本低,而是因为与硅RO I C不存在热失配,这样可以制备更大规格的焦平面芯片,这种结构将具有很好的长时间热循环可靠性。综合来看在更大规格FPA制备中,Si是目前MCT外延首选的衬底材料。073激 光 与 红 外 第39卷2)双色MCT红外焦平面探测器深台面蚀刻技术双色MCT红外焦平面探测器是由多层外延膜构成的台面叠层结构,要实现双色探测,那么就必须对每个像元进行台面隔离,这种像元台面隔离是由蚀刻工艺完成,台面隔离深度一般要大于10m,蚀刻工艺难度很大,不但要求高的深宽比,而且损伤要降到最低,因此台面蚀刻就成了双色探测器制备的关键工艺技术。现有的台面蚀刻有三种方式:湿法腐蚀、干法刻蚀、干法与湿法结合蚀刻的工艺。湿法腐蚀虽有利于表面损伤的减少,但是这种各向同性蚀刻方法会严重降低FPA的填充因子;与传统的湿法腐蚀相比,干法等离子刻蚀对台面的形成有很多优点,可以制备出高填充因子光滑台面、且均匀性好,众所周知这种工艺容易造成材料损伤,需要后续热处理工艺来消除这种影响。现在发展出了微波电子回旋共振(ECR)和电感耦合等离子(I CP)10 两种各向异性干法刻蚀工艺,在今天来看,I CP是在MCT外延层上获得材料低损伤和深槽的最佳方法。图12是So2fradia公司做的蚀刻工艺对比情况。(a)湿法腐蚀(b)干、湿法结合蚀刻(c)等离子体刻蚀图1250m中心距光电二极管阵列台面蚀刻SEM图3)双色MCT红外焦平面探测器读出电路设计技术双色探测器读出电路的设计一般分为两种情况:串行设计和并行设计。串行设计是在一个帧周期内,只对一个波段的信号积分、读出,而在下一个帧周期内,对另一个波段的信号进行积分、读出。两个波段的探测延迟为一个帧周期。一般情况下,可以通过改变探测器的偏置使探测器工作在串行模式。并行设计是可以同时对两个波段的信号进行积分探测,但双色探测器和RO I C要有两个铟柱互联,这样使得像素的大小和成本都高于串行设计的方式。鉴于并行设计需要两个铟柱互联,因此,一般将并行设计和串行设计结合起来,进行电路设计,即:串行积分并行读出。另一种设计是采用TDM(time division multi2plexed)方法11,雷神公司就采用了这种设计结构。也就是说,双色信号共享一个积分电容,每次积分一个波段的信号;给每个波段分存储电容,以存储电荷信号,另外一个作用就是对多次积分信号进行平均。其特点是,减小并行设计的复杂性,同时减小了像素单元的尺寸。双色读出电路设计的难点主要在时序设计、双色信号之间的串扰和信号读出的质量等方面。这些方面需在双色读出电路设计中着重考虑。5 结 论文中总结了双色MCT红外焦平面探测器工作模式,并详细介绍了双色MCT红外焦平面探测器国外发展现状,以及各公司典型MCT双色结构及特点,在此基础上介绍了双色MCT红外焦平面探测器关键制备技术。在未来的红外探测应用中,先进的红外系统对多色探测有很大的需求,需要多色识别、灵敏度更高、阵列规模更大等,以便达到更高的目标识别与分辨能力,将在导弹预警、红外侦察、成像制导、地球和行星遥感和天文学上发挥更大作用。参考文献:1C Arnold.Comparison of HgCdTe and quantum2well infra2red photodetector dual2band focal plane arrays J.Opt.Eng.,2003,42(1):30-46.2A Rogalski.Dual2band infrared focal plane arrays J.Proc.SPIE,2000,4340:1-14.3Antoni Rogalski.Third2generation infrared photon detec2torsJ.Opt.Eng.,2003,42(12):3498-3516.4D F King,et al.3rd generation 1280720 FPA develop2ment status at Raytheon vision systemsJ.SPIE,2006,5(17):6206W.5L A Almeida.Development and fabrication of t wo2colormid2and short2wavelength infrared si multaneous unipolarmultispectral integrated technology focal2plane 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