红外焦平面成像器件发展现状

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2003 年 法 国 LETI/LIR 报 道 的 640 > 512 元 焦 平
面 9 是 在 CdznTe 衬 底 上 液 相 外 延 生 长 的 MCT 片 子 上 制 备 的 0 截 止 波 长 5 !m 9 像 元 中 心 距 15 !m 9 B 离 子 注 入 n +/p 结 构 9 快 照 式 电 荷 放 大 SCA 读 出 9 电 荷 容 量 为 4.4 ~ 6.5 > 106 e - 0 在 视 场 角 为 ! /2 9 帧 频 120 HZ 下 9 平 均 噪 声 等 效 温 差 17 mK 9 非 均 匀 性 ~ 5 % 9 有 效 像 元 率 99 % 9 动 态 范 围 80 dB [6] 0
第 34 卷第 1 期
Vol.34 No.1
2005 年 2 月 红外与激光工程 Infrared and Laser Engineering !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!Feb. 2005
红外焦平面成像器件发展现状
陈伯良 ( 中 国 科 学 院 上 海 技 术 物 理 研 究 所 1 上 海 200083 ) 摘 要 I 红 外 焦 平 面 列 阵 成 像 技 术 已 经 进 入 了 成 熟 期 O 本 文 对 几 种 红 外 焦 平 面 列 阵 器 件 如 MCT \
9 总长 度达到 45 mm 0 平 均 探 测 率 ~3 >1011 cmHZ1/2W -19 平 均 响 应 率 2.3 A/W 9 量 子 效 率 65 % 9 噪 声 等 效 温 差
性 12.5 % 9 量 子 效 率 74% 977 K 下 平 均 暗 电 流 仅 为
0.02 e -/s 9 有 效 像 元 率 99.1 % 9100 次 热 循 环 脱 焊 率 < 0.2% 0 1.1.2 中 波 MCT 焦 平 面 Rockwell 使 用 MBE 技 术 在 CdznTe 衬 底 上 制 备
收 稿 日 期 Z 2004-02-04 ; !! 修 订 日 期 Z 2004-04-06
" 碲镉汞红外焦平面器件
"#" 器 件 和 材 料 发 展 水 平
通 过 调 整 碲 镉 汞 ( MCT > 材 料 的 组 分 a 可 以 方 便 地 调 节 其 材 料 的 禁 带 宽 度 a器 件 可 以 响 应 多 个 红 外 波 段 范 围 a 因 此 a MCT 受 到 各 国 的 高 度 重 视 O MCT 焦 平 面 列 阵 器 件 在 短 波 ( 1 # 3 "m >~ 中 波 ( 3 # 5 "m >~ 长 波 ( 8 #
Parameter Total pixels Pixel pitch Cutoff wavelength Input structure Integration capacitance Gain Minimum readout noise Dynamic range Maximum data rate Peak detectivity Power dissipation Value 2048>2048 18 2.5 SFD 18~35 3.4~6.8 <15 104 <1 1>1014 !2 fF V/eeV/V MHZ cmHZ1/2W-1 mW Unit
积 分 时 间 下 9 量 子 效 率 为 55 % 9 响 应 率 为 4 A/W 9 噪 声 等 效 温 差 12 mK 9 有 效 像 元 率 98.3 % 0 最 近 研 制 成 的 1500 > 2 长 波 器 件 9 由 5 块 MCT 和 10 块 硅 CMOS 拼 接 9具 有 死 像 元 补 偿 \均 匀 性 改 善 或 时 间 延 迟 积 分 等 功 能 [9] 0 德 国 AIM 制 造 的 256 > 256 元 器 件 9 光 谱 响 应 范 围 7.7 ~ 10.0 !m 9 像 元 中 心 距 40 !m 9 填 充 因 子 60 % 0 在 350 !s 积 分 时 间 和 ! /2.0 光 学 视 场 下 9 噪 声 等 效 温 差 18.7 mK 9 有 效 像 元 率 99.3 % [10] 0
Insb 和 GWIP 的 最 新 进 展 作 一 评 述 1 简 要 介 绍 其 器 件 发 展 水 平 \ 技 术 路 线 和 关 键 工 艺 O 简 要 提 及 一 种
新 颖 的 非 制 冷 焦 平 面 成 像 技 术 I光 学 读 出 微 光 机 红 外 接 收 器 O 关 键 词 I红 外 焦 平 面 列 阵 Z 中 图 分 类 号 I TN215 碲镉汞Z 锑化铟Z 量子阱红外探测器
法 国 LETI/LIR 报 道 的 256 > 256 元 焦 平 面 9 像 元 中 心 距 35 !m 9 77 K 截 止 波 长 10.3 !m 0 在 视 场 角
景 传 感 器 y 计 划 中 使 用 了 这 种 列 阵 [5] 0 表 1 Hawaii-2 性能参数
Tab.1 Specifications of Hawaii-2
12 "m > 和 甚 长 波 ( 12 # 18 "m > 各 个 波 段 取 得 了 全 面 进
展O
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a在 替 代
!! 作 者 简 介 Z 陈 伯 良 ( 1943 ! )a 男 a 上 海 市 人 a 研 究 员 a 主 要 从 事 红 外 探 测 器 材 料 和 器 件 研 究 a 碲 镉 汞 ~ 锑 化 铟 红 外 焦 平 面 器 件 等 重 大 项 目 的 研
! 引 言
红 外 探 测 器 技 术 在 20 世 纪 90 年 代 取 得 了 飞 速 发展O 红外焦平面列阵成像技术进入了成熟期O 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a例 如 弹 道 导 弹 防 御 计 划 和 重 要 新 型 武 器 系统O 另外 a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 O 美 国 人 预 言 a未 来 几 年 美 国 红 外 市 场 将 出 现 年 均 30 " 的 连 续 高 速 增 长 [1] O 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O
究 a 在 国 内 外 发 表 论 文 30 余 篇 a 获 专 利 5 项 O
2Biblioteka Baidu
红外与激光工程
第 34 卷
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 0 低 背 景 天 文 应 用 9 代 号 为 Hawaii-2 的 器件性能参数如表 1 所示 0
多 光 谱 遥 感 应 用 的 1024 >1024 元 FPA 9 截 止 波 长
2.5 !m 9 在 1.2 >10 phs/cm s 背 景 水 平 和 115 K 工 作
11 2
温 度 下 的 平 均 探 测 率 达 到 2.3 >10 cmHZ W 9 非 均 匀
13 1/2 -1
1500 个 9 由 5 块 300 元 的 线 列 阵 芯 片 无 缺 损 拼 接 而 成
采 用 As
的 技 术 研 究 Sofradir 成 立 于 1986 年 主 要 使 用 LETI/
! Abstract I 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 GWIP is provided , focusing on new device development, technical lines and key technologies. Also, a new type of uncooled FPA imaging technigue optical readout is briefly introduced. Key words I IRFPA Z MCT Z Insb Z GWIP micro ! optomechanical infrared receiver with
[2]
像 元 中 心 距 24 !m 9 在 ! /1.5 视 场 角 和 2 ms 积 分 时 间 下 9 噪 声 等 效 温 差 20 mK 0 在 线 列 方 面 9 法 国 LETI/LIR 和 Sofradir 共 同 发 展 了用于机载对地观测推帚式扫描的长线列焦平面0 截 止 波 长 5.5 !m 9 像 元 面 积 30 !m > 30 !m 9 像 元 数
面 截 止 波 长 4.8 !m 9 像 元 尺 寸 17 !m > 17 !m 9 p -
on-n 结 构 9 SFD 读 出 0 在 工 作 温 度 78 K 下 平 均 量 子
效 率 77%, 暗 电 流 <60 e /s 0 在 美 国 海 军 c 凝 视 红 外 全
-
Hushes " SBRC 最 早 报 道 过 做 在 Si 衬 底 上 的 MCT 长 波 640 > 480 元 焦 平 面 0 第 一 幅 热 像 发 布 于 1994 年 9 但 高 性 能 数 据 迄 今 尚 未 披 露 0
1.1.4 甚 长 波 ! >12 !m " MCT 焦 平 面
这一波段因其在空间应用和导弹防御计划中的
1999 年 德 国 AIM 报 道 了 640 > 480 元 中 波 器 件 9
第1期
陈 伯 良 !红 外 焦 平 面 成 像 器 件 发 展 现 状
3
重要性而受到重视
Boeing/rockwell 用 在 CdznTe 衬
文献标识码I A
文 章 编 号 I 1007-2276 ( 2005 ) 01-0001-07
Development state of IRFPA imaging device
CHEN Bo ! liang
(shanghai Institute of Technical Physics,Chinese Academy of sciences,shanghai 200083,China)
个
30o 条 件 下 9 噪 声 等 效 温 差 13 mK 0 由 于 采 取 了 SCA
读 出 结 构 9 电 荷 容 量 达 到 5 > 107 e - 9 动 态 范 围 达 85
dB 0 在 ! /2.67 的 视 场 角 下 9 平 均 探 测 率 为 1.56 > 1011 cmHZ1/2W -19 非 均 匀 性 8 % [8] 0 最 近 报 道 的 商 品 化 320 > 256 元 长 波 组 件 9 像 元 中 心 距 为 30 !m 9 电 荷 容 量 1.2 ~ 3.7 > 107 e - 9 在 ! /2 视 场 下 9 噪 声 等 效 温 差 为 20 mK 9 动 态 范 围 80 dB 9 非 均 匀 性 5% 9 失 效 率 1% 0 配 上 0.4 W 斯 特 林 循 环 制 冷 机 9 组 件 质 量 仅 0.6 kg [6] 0 LETI " Sofradir 的 线 列 阵 像 元 数 1500 元 9 截 止 波 长 10 !m 9 像 元 面 积 30 !m > 30 !m 0 在 视 场 角 28o 和 2.4 ms
的 1024 > 1024 元 中 波 器 件 已 大 量 生 产 和 应 用 0 焦 平
[4] [3]
4.3 mK, 非 均 匀 性 7.1 % 9 有 效 像 元 率 99.6 % [7] 0 1.1.3 长 波 ! 8 ~ 10.5 !m " MCT 焦 平 面
这是一个最受关注也是资金和人力投入最多的 波 段 9 现 在 已 能 够 大 量 提 供 320 > 240 元 和 256 > 256 元 器件0