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1、第第7章章 致冷型红外成像器件致冷型红外成像器件红外辐射的发现红外辐射的发现:红外辐射是红外辐射是1800年由英国天文学家威廉赫谢尔年由英国天文学家威廉赫谢尔(Herschel)爵士发现的。爵士发现的。1900年，普朗克推导出了普朗克辐射定律，并定年，普朗克推导出了普朗克辐射定律，并定量地预计出黑体辐射能量与温度和波长的函数关量地预计出黑体辐射能量与温度和波长的函数关系。系。红外成像仪器具有很高的军事应用价值和民用价红外成像仪器具有很高的军事应用价值和民用价值。值。在军事上在军事上，红外热像仪可应用于军事夜视侦查、，红外热像仪可应用于军事夜视侦查、武器瞄具、夜视导引、红外搜索和跟踪、卫星遥武器
2、瞄具、夜视导引、红外搜索和跟踪、卫星遥感等多个领域；感等多个领域；在民用方面在民用方面，红外热像仪可以用于材料缺陷的检，红外热像仪可以用于材料缺陷的检测与评价、建筑节能评价、设备状态热诊断、生测与评价、建筑节能评价、设备状态热诊断、生产过程监控、自动测试、减灾防灾等诸多方面。产过程监控、自动测试、减灾防灾等诸多方面。这种热像图与物体表面的热分布场相对应；这种热像图与物体表面的热分布场相对应；红外探测有两种主要形式：红外探测有两种主要形式：第一类器件第一类器件:需要需要致冷型致冷型的红外光量子型探测器件，的红外光量子型探测器件，这类器件是通过光致激发将光子直接转换成半导这类器件是通过光致激发将光
3、子直接转换成半导体中的自由载流子。体中的自由载流子。第二类器件第二类器件:非致冷非致冷的量热型红外探测器件，在这的量热型红外探测器件，在这类器件中，入射辐射被晶格吸收，由此而增加了类器件中，入射辐射被晶格吸收，由此而增加了晶格的温度并改变了探测器的电特性。晶格的温度并改变了探测器的电特性。许多常温下物体的辐射光谱峰值都在许多常温下物体的辐射光谱峰值都在10m左右左右.军事目标辐射的峰值在军事目标辐射的峰值在814m波段范围，这个波段是军波段范围，这个波段是军事探测、红外遥感的主要事探测、红外遥感的主要工作波段工作波段.也是大功率也是大功率CO2激光器的工作波段，而且大气在这个波段激光器的工作波
4、段，而且大气在这个波段的透过率高，常称为大气第三个透过窗口。的透过率高，常称为大气第三个透过窗口。人们希望有工作于常温或不很低的低温，而且人们希望有工作于常温或不很低的低温，而且D*又高的本又高的本征型光电导器件。根据本征光电效应工作原理，适合于征型光电导器件。根据本征光电效应工作原理，适合于814m的波段的半导体材料，其的波段的半导体材料，其禁带宽度禁带宽度应为应为0.090.15eV.但是已知所有单晶和化合物半导体材料中都不具备这么小但是已知所有单晶和化合物半导体材料中都不具备这么小的禁带宽度。人们用多元化合物达到了这一目的。的禁带宽度。人们用多元化合物达到了这一目的。碲镉汞碲镉汞（Hg1
5、xCdxTe，HgCdTe），简写为），简写为MCT或或CMT，是最常，是最常用的长波红外（用的长波红外（LWIR，814m）和中波红外（）和中波红外（MWIR，35m）的）的探测器材料探测器材料。7.1 SPRITE红外探测器红外探测器7.1.1 碲镉汞的性质碲镉汞的性质Hg1xCdxTe是由二元是由二元CdTe和和HgTe构成的固溶体。构成的固溶体。CdTe的禁带宽度较宽，的禁带宽度较宽，HgTe是半金属。通过不是半金属。通过不同的配比同的配比x（按摩尔数比），以及在不同的工作温（按摩尔数比），以及在不同的工作温度度T，可以得到不同的带隙的，可以得到不同的带隙的MCT。研究指出，研究指出，
6、Hg1xCdxTe的禁带宽度的禁带宽度Eg可用经验公可用经验公式表示：式表示：1.1.禁带宽度随组分和温度而改变禁带宽度随组分和温度而改变禁带宽度随组分和温度而改变禁带宽度随组分和温度而改变在在0.17x77K时，计算结果同实验值相时，计算结果同实验值相当一致。在当一致。在x较小时，较小时，Eg同同x可视为呈直线关系，可视为呈直线关系，Eg变为：变为：所以所以Eg对对T的变化率为：的变化率为：从式（从式（73）可以看出，在）可以看出，在xL，则在，则在时间内时间内p完完全移出体外；全移出体外；如漂移长度小于样品长度如漂移长度小于样品长度L，即，即LdL，则在，则在时间内部分时间内部分p移移出体
7、外；出体外；产生的空穴以产生的空穴以E的漂移速度运动，的漂移速度运动，p的漂移速度的漂移速度vd=E产生的空穴在寿命期间漂移的长度，产生的空穴在寿命期间漂移的长度，p的漂移长度的漂移长度Ld=E 即即 全部扫出条件之一全部扫出条件之一，E=L 即即 临界扫出电压临界扫出电压 UL2/如果如果Ld=L，则样品中的，则样品中的p在在时间内正好完全移出体外。时间内正好完全移出体外。实现实现SPRITE探测器信号延迟和叠加的必要条件是探测器信号延迟和叠加的必要条件是红外图像扫描速度红外图像扫描速度vs等于非平衡少数载流子空穴等于非平衡少数载流子空穴的双极漂移速度。这可以认为是的双极漂移速度。这可以认为
8、是全扫出的条件之全扫出的条件之二二,即即 vs=vd，双极漂移速度双极漂移速度vd与与n型型Hg1xCdxTe材料少数载流子材料少数载流子的迁移率的迁移率p和加于长条的电场强度和加于长条的电场强度Ex有关。有关。对于一定的材料，对于一定的材料，p是一定的，唯有外加电场强是一定的，唯有外加电场强度可以调节。度可以调节。如果在器件允许的条件下所加电场强度足够高，如果在器件允许的条件下所加电场强度足够高，非平衡少数载流子被电场全部或大部分扫出，这非平衡少数载流子被电场全部或大部分扫出，这样就能实现信号的延迟和叠加；样就能实现信号的延迟和叠加；SPRITE探测器的结构探测器的结构 典型的扫积型探测器典
9、型的扫积型探测器8块块N型型MCT的细长条组成。每条长的细长条组成。每条长宽宽高高=70062.510m3。条间距。条间距12.5m，读出区长，读出区长为为50m，宽为，宽为35m。每一长条相当于每一长条相当于N个分立的单元探测器。个分立的单元探测器。N的数目由长条的长度和扫描光斑的大小决定。对于上述结构，的数目由长条的长度和扫描光斑的大小决定。对于上述结构，每条相当于每条相当于1114个单元件，个单元件，所以所以8条条SPRITE相当于相当于100个单元探测器。每一长条有三个电个单元探测器。每一长条有三个电极，其中两个用于加电场，另一个为信号读出电极。极，其中两个用于加电场，另一个为信号读出
10、电极。读出电极非常靠近负端电极，读出区的长度约为读出电极非常靠近负端电极，读出区的长度约为50m、宽度约、宽度约为为35m。（a）SPRITE探测器结构（b）SPRITE探测器的光机扫描的结构(c)SPRITE探测器的串并扫描来构成整幅图像 每个细条有三个电极。一个电极为信号探针或读出端，每个细条有三个电极。一个电极为信号探针或读出端，另两端是欧姆接触的电源电极。读出电极结构有音叉、平角、另两端是欧姆接触的电源电极。读出电极结构有音叉、平角、楔形一平角形。如图楔形一平角形。如图7-5。图图7-5 SPRITE探测器读出电极结构探测器读出电极结构7.2 红外焦平面阵列的结构和工作原理红外焦平面阵
11、列的结构和工作原理与与SPRITE探测器相比，阵列型红探测器相比，阵列型红外成像器件由阵列元组成，并处外成像器件由阵列元组成，并处于红外成像系统的焦平面上，常于红外成像系统的焦平面上，常称为称为红外焦平面阵列红外焦平面阵列（Infrared Focus Plane Array，IRFPA）。）。红外焦平面阵列要求将高达红外焦平面阵列要求将高达106甚甚至更多的探测器单元至更多的探测器单元紧凑地封装紧凑地封装在焦平面上。在焦平面上。红外焦平面器件已用于夜视、跟红外焦平面器件已用于夜视、跟踪、空间技术、无损探伤、温度踪、空间技术、无损探伤、温度监测、天文、医学等广泛的领域，监测、天文、医学等广泛的
12、领域，是新一代高性能的红外探测器，是新一代高性能的红外探测器，世界上许多国家在这方面开展研世界上许多国家在这方面开展研究，已经究，已经在军事上获得了应用。在军事上获得了应用。7.2.1 红外探测的工作原理红外探测的工作原理无论是直接的还是间接的，红外探测器都是用来无论是直接的还是间接的，红外探测器都是用来把入射辐射转换成电信号。把入射辐射转换成电信号。如前所述，光子探测器，是通过光致激发将光子如前所述，光子探测器，是通过光致激发将光子直接转换成半导体中的自由载流子。直接转换成半导体中的自由载流子。目前有四种主要类型的光子探测器，即目前有四种主要类型的光子探测器，即光电导、光电导、光伏、光伏、M
13、IS结构和肖特基势垒型。结构和肖特基势垒型。图图 7-8 四种常用的红外探测器结构和与其有关的能带围。四种常用的红外探测器结构和与其有关的能带围。(a)光电导光电导(b)光伏光伏(c)金属金属-绝缘体绝缘体-半导体半导体(d)肖特基势垒肖特基势垒7.2.2 红外焦平面阵列特点红外焦平面阵列特点 红外焦平面阵列红外焦平面阵列(IRFPA，InfraRed Focus Plane Array)，其方法，其方法是将两维红外探测阵是将两维红外探测阵列集成在带有多路传列集成在带有多路传输读出电路的器件上输读出电路的器件上,该器件位于红外系统该器件位于红外系统的焦平面上。属于凝的焦平面上。属于凝视性器件。
14、视性器件。何为焦平面何为焦平面?CCD,CMOS在焦面上在焦面上.Sprite探测器不在焦面上探测器不在焦面上.为何特别叫为何特别叫”红外焦平面红外焦平面”?相对于红外相对于红外Sprite探测器探测器.,它不位于红外系统的焦它不位于红外系统的焦平面上平面上.何为阵列何为阵列?相对于分离的相对于分离的Sprite探测器探测器,它不是阵列它不是阵列.何为凝视何为凝视?相对于扫描型的红外相对于扫描型的红外Sprite探测器探测器.(1)可见光可见光CCD的探测器和多路传输器都是用硅材料来制做的探测器和多路传输器都是用硅材料来制做的，而工作于的，而工作于35 m和和812 m大气窗口的高灵敏度大气窗
15、口的高灵敏度IRFPA，则要求探测器的禁带宽度为，则要求探测器的禁带宽度为0.1到到0.25eV。因此，。因此，IRFPA一般是一般是用窄禁带半导体作探测器，硅作多路传输器和用窄禁带半导体作探测器，硅作多路传输器和处理器来制造，处理器来制造，由此将产生很复杂的互连问题和材料问题。由此将产生很复杂的互连问题和材料问题。(2)一般的大地红外景物的红外图像对比度很低一般的大地红外景物的红外图像对比度很低(与可见光不与可见光不同同)，而背景很强，这使其主要受限于光子噪声。由于使用，而背景很强，这使其主要受限于光子噪声。由于使用了窄禁带半导体材料，需要得到最低的电子噪声使之尽可能了窄禁带半导体材料，需要
16、得到最低的电子噪声使之尽可能达到光子噪声限，必须对达到光子噪声限，必须对IRFPA进行低温冷却进行低温冷却。因此，这种。因此，这种IRFPA器件都必须涉及到一些与低温高性能模拟电路的电子器件都必须涉及到一些与低温高性能模拟电路的电子设计有关的附加问题。如机械封装，以及与低温致冷器接口设计有关的附加问题。如机械封装，以及与低温致冷器接口的杜瓦瓶的电气连接问题。的杜瓦瓶的电气连接问题。1.IRFPA1.IRFPA和可见光和可见光和可见光和可见光CCDCCD成像器件之间成像器件之间成像器件之间成像器件之间有几个主要的差别：有几个主要的差别：有几个主要的差别：有几个主要的差别：（3）由于入射在）由于入
17、射在MWIR（中波红外）和（中波红外）和LWIR（长波红外）成像系统焦平面上的红外辐射的主（长波红外）成像系统焦平面上的红外辐射的主要特点在于具有很大的、占主要份量的环境背景要特点在于具有很大的、占主要份量的环境背景辐射，因此大多数的红外图像的特点是辐射，因此大多数的红外图像的特点是高背景本高背景本底和低对比度底和低对比度。这与这与背景辐射很小且对比度很高背景辐射很小且对比度很高的近红外和可见的近红外和可见光光CCD图像正好相反。因此，理想条件下的红外图像正好相反。因此，理想条件下的红外成像就受限于背景光子到达速率的涨落成像就受限于背景光子到达速率的涨落(光子噪声光子噪声)。光子噪声通常被用作
18、比较探测器噪声的参考点。光子噪声通常被用作比较探测器噪声的参考点。CCD图象特征图象特征:背景背景辐射很小且对比度辐射很小且对比度很高很高红外图象特征红外图象特征:高背景本底和低对比度。高背景本底和低对比度。特征特征:高背景本底和低对比度。高背景本底和低对比度。致冷型致冷型非致冷型非致冷型(下章论述下章论述)实质上是被测目标物体各部分红外辐射的热像分实质上是被测目标物体各部分红外辐射的热像分布图由于信号非常弱，布图由于信号非常弱，与可见光图像相比，缺少与可见光图像相比，缺少层次和立体感层次和立体感，因此，在实际动作过程中为更有，因此，在实际动作过程中为更有效地判断被测目标的红外热分布场，常采用
19、一些效地判断被测目标的红外热分布场，常采用一些辅助措施来增加仪器的实用功能，如图像亮度、辅助措施来增加仪器的实用功能，如图像亮度、对比度的控制，实标校正，伪色彩描绘等技术。对比度的控制，实标校正，伪色彩描绘等技术。2.IRFPA有几个明显的优点：有几个明显的优点：第一，探测器整体结构高密度封装，实用方便、体第一，探测器整体结构高密度封装，实用方便、体积小、重量轻、简单、可靠和低成本；积小、重量轻、简单、可靠和低成本；第二，第二，IRFPA信号处理过程在焦平面器件上进行；信号处理过程在焦平面器件上进行；第三，允许优化设计系统参数，如较小的光学孔径，第三，允许优化设计系统参数，如较小的光学孔径，缩
20、小的光谱带宽和较高的帧速等；缩小的光谱带宽和较高的帧速等；与与SPRITE红外探测器件相比，红外探测器件相比，第四，可以去掉现有系统中的一些处理电路第四，可以去掉现有系统中的一些处理电路(主要是主要是附属于分立探测器的前置放大器和多路传输器附属于分立探测器的前置放大器和多路传输器)和和减少穿过杜瓦瓶信号线的数目。减少穿过杜瓦瓶信号线的数目。在在IR FPA出现之前，如用出现之前，如用SPRITE，制做大面阵，制做大面阵的唯一方法是将每个探测器连接到一根引线上的唯一方法是将每个探测器连接到一根引线上(也也许是一个前置放大器上许是一个前置放大器上)，而这些引线都必须封装，而这些引线都必须封装在同一
21、个小杜瓦瓶内在同一个小杜瓦瓶内.在探测器引线数很大时，很明显这将产生一个无在探测器引线数很大时，很明显这将产生一个无法处理的导线和电子元件的迷宫，要求一个大得法处理的导线和电子元件的迷宫，要求一个大得无法接受的致冷器。无法接受的致冷器。焦平面阵列技术的目的是采用集成电路技术来满焦平面阵列技术的目的是采用集成电路技术来满足制作非常大的探测器阵列。目前，有三种主要足制作非常大的探测器阵列。目前，有三种主要的结构形式：混合式的结构形式：混合式IRFPA、全单片式、全单片式IRFPA、准单片式准单片式IRFPA。IRFPA的出现已经为红外系统在增加灵敏度和空的出现已经为红外系统在增加灵敏度和空间分辨率
22、方面带来了许多新的可能性间分辨率方面带来了许多新的可能性.每种每种IR FPA的设计必须考虑几种主要的功能：光的设计必须考虑几种主要的功能：光子探测，电荷存储和多路传输读出。子探测，电荷存储和多路传输读出。IR FPA 的两种结构的两种结构:混合型和单片型混合型和单片型.混合式器件：混合式器件：有两种有两种:倒装式倒装式,Z平面结构平面结构一般是在窄禁带半导体材料一般是在窄禁带半导体材料(探测器阵列探测器阵列)完成光子完成光子探测过程，然后将信号转移到硅多路传输器上探测过程，然后将信号转移到硅多路传输器上(每每个探测器有一个接触点个探测器有一个接触点)。混合式器件具有在常规。混合式器件具有在常
23、规模拟硅器件上存储电荷和完成多路传输功能的特模拟硅器件上存储电荷和完成多路传输功能的特殊优点。殊优点。单片式器件：单片式器件：有四种有四种:PtSi肖特基势垒型、异质结肖特基势垒型、异质结型、型、MIS像元型、准单片式。像元型、准单片式。在同一个芯片上完成光子探测、信号转移、传输在同一个芯片上完成光子探测、信号转移、传输等功能，这就要求使用类似加工硅晶片的工艺来等功能，这就要求使用类似加工硅晶片的工艺来制作，而且最终得到造价很低的器件制作，而且最终得到造价很低的器件.7.2.4 混合式结构之混合式结构之倒装式结构倒装式结构该结构是在探测器阵该结构是在探测器阵列和硅多路传输器上列和硅多路传输器上
24、分别预先做上铟柱，分别预先做上铟柱，然后通过两边的然后通过两边的铟柱铟柱将探测器阵列正面的将探测器阵列正面的每个探测器与多路传每个探测器与多路传输器一对一地对准配输器一对一地对准配接起来。接起来。倒装式结构倒装式结构7.2.5 混合式结构之混合式结构之Z平面结构平面结构混合式结构还可用同样混合式结构还可用同样类型的背照式探测器阵类型的背照式探测器阵列制成如图列制成如图710(b)所所示的示的Z平面结构。平面结构。其工艺过程是将许多集其工艺过程是将许多集成电路芯片一个一个地成电路芯片一个一个地层叠起来以形成一个三层叠起来以形成一个三维的维的“电子楼房电子楼房”，因，因此将其命名为此将其命名为z平
25、面结平面结构。构。探测器阵列被置于层叠集成电路探测器阵列被置于层叠集成电路芯片的侧缘，每个探测器具有一芯片的侧缘，每个探测器具有一个通道。个通道。由于附加了许多集成电路芯片，由于附加了许多集成电路芯片，所以在焦平面上可以完成许多信所以在焦平面上可以完成许多信号处理功能，如前置放大、带通号处理功能，如前置放大、带通滤波、增益和偏移修正、模数转滤波、增益和偏移修正、模数转换以及某些图像处理功能。换以及某些图像处理功能。然而，为了把探测器做得很小，然而，为了把探测器做得很小，就必须把硅集成电路芯片减得很就必须把硅集成电路芯片减得很薄，而目前减薄技术只能达到薄，而目前减薄技术只能达到5075 m，因此
26、限制了，因此限制了IRFPA最终的分辩率。最终的分辩率。混合式结构有两种互连技术混合式结构有两种互连技术.1.对接技术对接技术冷焊铟柱冷焊铟柱采用这种结构时，探测器阵列采用这种结构时，探测器阵列既可用既可用前照式前照式(光子穿过透明光子穿过透明的硅多路传输器的硅多路传输器)，也可用也可用背背照式照式(光子穿过透明的探测器光子穿过透明的探测器阵列衬底阵列衬底)。一般来讲，背照式更为优越，一般来讲，背照式更为优越，因为多路传输器一般都有一定因为多路传输器一般都有一定的金属化区域和其他不透明的的金属化区域和其他不透明的区域，这将缩小有效透光面积。区域，这将缩小有效透光面积。此外，从多路传输器这一面照
27、明还意味着光子必须三次此外，从多路传输器这一面照明还意味着光子必须三次通过半导体表面，而这三个面中只有两个面可以镀以适通过半导体表面，而这三个面中只有两个面可以镀以适当的增透当的增透(AR)膜。膜。从探测器阵列的背面照明时，仅有一个表面需要镀增透从探测器阵列的背面照明时，仅有一个表面需要镀增透膜，而且这个表面不含有任何微电子器件，不需要任何膜，而且这个表面不含有任何微电子器件，不需要任何特殊处理。实际上，探测器阵列的背面能减薄到几个微特殊处理。实际上，探测器阵列的背面能减薄到几个微米以改善瞬时抗辐射能力。米以改善瞬时抗辐射能力。在混合工艺过程中，铟凸点技术在混合工艺过程中，铟凸点技术,由于冷焊
28、铟柱时需要一定的由于冷焊铟柱时需要一定的压力，在探测器上可能造成机械损坏。压力，在探测器上可能造成机械损坏。在混合完成后，硅多路传输器与探测器阵列材料在混合完成后，硅多路传输器与探测器阵列材料(如如InSb和和HgCdTe)之间热膨胀系数的失配之间热膨胀系数的失配,将在探测器阵列被冷却到低将在探测器阵列被冷却到低温时引起铟对接处的剪切机械变形。温时引起铟对接处的剪切机械变形。对铟柱采用专门的设计和严格控制的工艺，同时选择与多对铟柱采用专门的设计和严格控制的工艺，同时选择与多路传输器能很好地进行热膨胀特性匹配的探测器衬底材料路传输器能很好地进行热膨胀特性匹配的探测器衬底材料将会大大减小这些问题的
29、影响。将会大大减小这些问题的影响。如果探测器衬底与读出电路如果探测器衬底与读出电路(Si材料材料)两者的热膨胀系数很两者的热膨胀系数很接近的话，铟对接技术可以用来制做接近的话，铟对接技术可以用来制做12英寸的阵列，并英寸的阵列，并可承受几百次的热循环变化。尽管如此，单元尺寸很难缩可承受几百次的热循环变化。尽管如此，单元尺寸很难缩小到小到25 m以下，而且混合式的工艺用于实际生产时成本以下，而且混合式的工艺用于实际生产时成本较高。较高。可以替代铟凸点技术的是图可以替代铟凸点技术的是图711(b)所示的环孔所示的环孔(或穿导孔或穿导孔)技术。技术。其工艺要求：将探测器芯片和硅读出芯片的表面其工艺要
30、求：将探测器芯片和硅读出芯片的表面抛光抛光到具到具有很高的平直度和平行度有很高的平直度和平行度(容差小于容差小于l m)，然后将它们然后将它们粘接粘接在一起形成一个可象硅片一样来处理的单在一起形成一个可象硅片一样来处理的单个芯片乃至晶片。接着，用个芯片乃至晶片。接着，用离子注入或扩散离子注入或扩散的方法在探测的方法在探测器阵列上形成光伏二极管器阵列上形成光伏二极管(与硅读出芯片的多路传输单元与硅读出芯片的多路传输单元相对准相对准)。2.对接技术对接技术-环孔环孔(或穿导孔或穿导孔)技术技术 然后，再用然后，再用离子研磨或激光离子研磨或激光的方法在每个探测器的中心钻的方法在每个探测器的中心钻出环
31、孔，然后在每个洞壁暴露的探测器材料上进行出环孔，然后在每个洞壁暴露的探测器材料上进行掺杂并掺杂并用金属回填用金属回填，这样就将探测器和多路传输器连接在一起了。，这样就将探测器和多路传输器连接在一起了。最后一步是将处理过的探测器表面进行最后一步是将处理过的探测器表面进行钝化钝化。用此技术制。用此技术制成的器件在机械性能和热性能稳定方面的情况已有较大的成的器件在机械性能和热性能稳定方面的情况已有较大的改进，其单元尺寸可以小到改进，其单元尺寸可以小到40 m.所存在的问题是所存在的问题是:穿导孔减小了占空因数。环孔技术被认为穿导孔减小了占空因数。环孔技术被认为是属于混合式结构范围，却保留了类似硅工艺
32、的某些优点。是属于混合式结构范围，却保留了类似硅工艺的某些优点。7.2.6 单片式阵列之单片式阵列之-肖特基势垒型肖特基势垒型 1.工作原理工作原理 结构和原理图结构和原理图目前目前,常采用了常采用了PtSi来制造全单片式的来制造全单片式的IRFPA，这，这些类型的探测器实质上是采用了硅基底，将探测些类型的探测器实质上是采用了硅基底，将探测器阵列和硅多路传输器及衬底做在一起。其设计器阵列和硅多路传输器及衬底做在一起。其设计与可见光与可见光CCD是兼容的。是兼容的。PtSi肖特基势垒器件肖特基势垒器件IRFPA的发展最快，已制成的发展最快，已制成1000万像素万像素(40964096)器件，被认
33、为是目前制器件，被认为是目前制作高密度作高密度IRFPA最先进的方法。最先进的方法。优点优点:PtSi IRFPA具有良好的红外响应均匀性具有良好的红外响应均匀性硅大规模集成电路工艺兼容。硅大规模集成电路工艺兼容。缺点缺点:PtSi IRFPA的主要是量子效率低。的主要是量子效率低。SBD（肖特基势垒器件）的金属硅化物（肖特基势垒器件）的金属硅化物（PtSi）和半导体）和半导体Si相接触，如图相接触，如图712(c)，因功函数不同，故接触时要发生，因功函数不同，故接触时要发生电荷的流动，形成势垒，最后使费米能级在各处都达到同电荷的流动，形成势垒，最后使费米能级在各处都达到同一水平，如图一水平，
34、如图712(d).该器件采用该器件采用背面光照工作模式。入射的红外辐射先照到硅背面光照工作模式。入射的红外辐射先照到硅衬底，衬底，光子能量小于硅能带间隙光子能量小于硅能带间隙(Eg=1.1eV)的红外辐射透的红外辐射透过硅衬底，到达很薄的过硅衬底，到达很薄的PtSi层。在层。在PtSi中的感光是通过所谓中的感光是通过所谓内光电发射过程来完成的。内光电发射过程来完成的。此过程分为两步：（此过程分为两步：（1）红外辐射在）红外辐射在PtSi中被吸收或部分吸收，激发产生中被吸收或部分吸收，激发产生电子电子空穴对，电子在费米能级以上，空穴对，电子在费米能级以上，留下空穴；留下空穴；（2）到达）到达Pt
35、Si硅界面的空穴越过肖硅界面的空穴越过肖特基势垒，进入硅衬底。因此，净的特基势垒，进入硅衬底。因此，净的负电荷负电荷(电子电子)将存贮在将存贮在PtSi中。通过中。通过电子转移从电子转移从PtSi中进入中进入BCCD，如图，如图712(b)，完成红外辐射信号的探测。，完成红外辐射信号的探测。在第二步中硅中增加的空穴效，称为在第二步中硅中增加的空穴效，称为“热空穴发射热空穴发射”。所谓热空穴是指其。所谓热空穴是指其能量高于势垒高度，冷空穴是指其能能量高于势垒高度，冷空穴是指其能量低于势垒高度。显然，只有热空穴量低于势垒高度。显然，只有热空穴才能越过势垒，即是说，要使入射的才能越过势垒，即是说，要
36、使入射的红外辐射产生内光电发射，红外辐射产生内光电发射，SB探测探测器的光谱能量窗口必须满足下式：器的光谱能量窗口必须满足下式：为金属为金属-半导体肖特基势垒高度；半导体肖特基势垒高度；h为光子能量；为光子能量；Eg为硅带隙能量。为硅带隙能量。SB探测器的截止波长取决于探测器的截止波长取决于SB高度，长波阈值有下式：高度，长波阈值有下式：由半导体材料和金属硅化物由半导体材料和金属硅化物的性质决定。由于的性质决定。由于PtSi/P-Si系统使接触界面深入到硅系统使接触界面深入到硅材料内部，避免了表面沾污材料内部，避免了表面沾污和中间层的影响，保证了的和中间层的影响，保证了的均匀性和工艺的重复性，
37、尤均匀性和工艺的重复性，尤其是极好的光响应均匀性，其是极好的光响应均匀性，保证了热成像的质量。保证了热成像的质量。最早的肖特基势垒最早的肖特基势垒FPA采用厚的采用厚的Pd2Si和和PtSi探测器制成，探测器制成，淀积了大约淀积了大约60nm的钯和铂。这些器件的光响应很弱。的钯和铂。这些器件的光响应很弱。为了提高为了提高PtSiSBD FPA的量子效率，的量子效率，SBD结构采用了：结构采用了：（1）薄）薄PtSi膜；膜；(2)光腔结构光腔结构Al介质介质PtSi；(3)硅衬底背硅衬底背面加抗反射层面加抗反射层SiO，如图，如图713(a)所示。所示。2.结构结构SBD由抗反射层由抗反射层(S
38、iO)、硅衬底、硅化铂层、介质层、硅衬底、硅化铂层、介质层(SiO2、SiO、Si3N4、或、或SixOyNz)以及铝反射镜共五部分组成，其中硅化铂、以及铝反射镜共五部分组成，其中硅化铂、介质和铝镜构成光腔。介质和铝镜构成光腔。这种器件结构设计的优点是：这种器件结构设计的优点是：(1)减薄了减薄了PtSi层的厚度，使之远小于空穴在层的厚度，使之远小于空穴在PtSi中的平均自由程中的平均自由程(约约43nm)，使产生的热载流子几乎可全部到达界面；，使产生的热载流子几乎可全部到达界面；(2)增加了绝缘层，提供了一个反射界面，增加热载流子在增加了绝缘层，提供了一个反射界面，增加热载流子在PtSi介介
39、质界面的反射，热空穴运动提高了热空穴到衬底的注入效率。从质界面的反射，热空穴运动提高了热空穴到衬底的注入效率。从而如图而如图713(b)所示。造成注入效率的提高，将被称之为内部量子所示。造成注入效率的提高，将被称之为内部量子效率增益。效率增益。(3)抗反射涂层抗反射涂层SiO。FPA输出信号的强弱与其量子效输出信号的强弱与其量子效率及投射到探测器表面的红外辐射量成正比。抗反射率及投射到探测器表面的红外辐射量成正比。抗反射涂层涂层SiO，淀积在已减薄到，淀积在已减薄到200250um的硅衬底背面，的硅衬底背面，将耦合到将耦合到SBD的红外辐射量提高了约的红外辐射量提高了约30，从而使光，从而使光
40、腔结构探测器的光学吸收比最佳化。腔结构探测器的光学吸收比最佳化。(4)在在PtSi层与铝镜之间引入最佳光学厚度的介质层，层与铝镜之间引入最佳光学厚度的介质层，器件的量子效率可进一步提高器件的量子效率可进一步提高,增加了光学吸收比。增加了光学吸收比。从理论上讲，从理论上讲，PtSi膜越薄，内光电发射几率越高。膜越薄，内光电发射几率越高。但实验发现，当但实验发现，当PtSi膜厚度小于膜厚度小于1.4nm时，时，PtSi膜不连续。因此，目前在该器件制作中，选取的膜不连续。因此，目前在该器件制作中，选取的最佳最佳PtSi膜厚为膜厚为2.0nm。据介绍，薄层据介绍，薄层PtSiSBD的量子效率比厚的量子
41、效率比厚PtSiSBD高出高出32倍多，其中倍多，其中3.46倍归因于光学吸收比倍归因于光学吸收比的提高，的提高，9.25倍是因为内增益系数倍是因为内增益系数G，这种提高，这种提高是由于热空穴在是由于热空穴在PtSi介质界面反射的结果。介质界面反射的结果。7.2.7 单片式阵列之单片式阵列之异质结探测元异质结探测元IRFPA异质结探测元的单片式异质结探测元的单片式IRFPA如图如图717所示，它是所示，它是将窄禁带探测器材料用异质将窄禁带探测器材料用异质外延的方法生长在含有多路外延的方法生长在含有多路传输器的硅衬底上。传输器的硅衬底上。这种方法是将硅集成电路技这种方法是将硅集成电路技术和高量子
42、效率的窄禁带半术和高量子效率的窄禁带半导体的优点结合在一起的一导体的优点结合在一起的一种全单片式设计。种全单片式设计。虽然能使这种设计实现的异虽然能使这种设计实现的异质外延技术目前还不太成熟，质外延技术目前还不太成熟，但该技术正在取得很快的进但该技术正在取得很快的进展。另外的可能性就是采用展。另外的可能性就是采用砷化镓代替硅来做衬底和高砷化镓代替硅来做衬底和高速多路传输器。速多路传输器。7.2.8 单片式阵列之单片式阵列之MIS像元像元IRFPA如通常如通常CCD成像器件一样，成像器件一样，可以用可以用HgCdTe或或InSb这类这类窄禁带半导体材料来制做窄禁带半导体材料来制做CCD结构形式的
43、全单片式阵结构形式的全单片式阵列。列。当把当把MIS栅用作电荷转移器栅用作电荷转移器件件(象象CCD一样一样)时，它也存时，它也存在几个基本的限制问题在几个基本的限制问题:对于大多数红外成像应用来对于大多数红外成像应用来讲，要求在单位像元上有较讲，要求在单位像元上有较高的电荷处理能力，而用窄高的电荷处理能力，而用窄禁带半导体材料制做的禁带半导体材料制做的MIS栅由于其击穿电压较低因而栅由于其击穿电压较低因而限制了其电荷容量。限制了其电荷容量。更严重的问题是当电荷沿窄更严重的问题是当电荷沿窄禁带禁带CCD转移以完成读出功转移以完成读出功能时，会产生噪声和电荷俘能时，会产生噪声和电荷俘获。获。金属
44、金属绝缘体绝缘体半导体半导体(MIS)结构结构通常，通常，MIS探测器与光伏探测器相比，其材料要探测器与光伏探测器相比，其材料要求更为苛刻。求更为苛刻。CdTe由于其化学组分、晶格常数、晶体结构等均由于其化学组分、晶格常数、晶体结构等均与与HgCdTe很接近，完全耗尽的很接近，完全耗尽的CdTe具有好的绝具有好的绝缘性，在缘性，在HgCdTe/CdTe界面上，具有和成熟的自界面上，具有和成熟的自身氧化物膜身氧化物膜/HgCdTe界面一样低的界面态密度、界面一样低的界面态密度、界面陷阱密度。界面陷阱密度。由于其光学常数适当而被认为是由于其光学常数适当而被认为是HgCdTe FPA器器件芯片的表面
45、钝化材料。件芯片的表面钝化材料。而而ZnS由于其光学常数适当，被用作器件的表面由于其光学常数适当，被用作器件的表面抗反射层材料。抗反射层材料。7.2.9 准单片式阵列结构准单片式阵列结构在混合式在混合式IRFPA阵列中，阵列中，M N的凝视阵列将需要的凝视阵列将需要M N个接触点，将每一个个接触点，将每一个像元的数据转移到像元的数据转移到Si读出电读出电路中。在准单片式阵列结构路中。在准单片式阵列结构中，阵列的一行或一列数据中，阵列的一行或一列数据在探测器材料中传输，输出在探测器材料中传输，输出的数据再与的数据再与Si行扫描或列扫行扫描或列扫描电路连接，如图描电路连接，如图7-19所所示。示。
46、准单片式准单片式 为避免使用为避免使用CCD所固有的多位数所固有的多位数的寄存器。有两种读出电路的寄存器。有两种读出电路(CID和和CIM)可以达到窄禁带半导体所可以达到窄禁带半导体所要求的最少电荷转移次数。在这两要求的最少电荷转移次数。在这两种读出电路中，两维阵列要对每一种读出电路中，两维阵列要对每一行与每一列的接触点进行寻址，行与每一列的接触点进行寻址，在大多数这些被称为在大多数这些被称为X-Y寻址的结构中，电荷寻址的结构中，电荷存储全部在窄禁带半导体材料上进行，而部分存储全部在窄禁带半导体材料上进行，而部分多路传输功能和全部前置放大功能在辅助的硅多路传输功能和全部前置放大功能在辅助的硅芯片中完成，辅助的硅芯片与探测器阵列相邻芯片中完成，辅助的硅芯片与探测器阵列相邻地安装在一个陶瓷基片上。因此，地安装在一个陶瓷基片上。因此，M N的疑视的疑视阵列将需要最少为阵列将需要最少为M+N个接触点。个接触点。如图如图7-19所示，又称这种结构为准单片式结所示，又称这种结构为准单片式结构。构。南京理工大学南京理工大学 汪贵华汪贵华 2020.10