锑化物红外探测器的国内外发展现状
■ 摘 要
锑化物探测器是当前主要的红外探测器类型之一, 主要包括insb、 inassb、 inalsb以及ii类超晶格(t2sl)等红外探测器, 覆盖红外短、中、长波。锑化物探测器在精确制导、机载光电、视觉增强、天文观测、气象卫星、火灾告警、人员搜救等军事和民用领域都有广泛应用。当前红外探测器已经全面进入第三代发展阶段, 锑化物红外探测器也不断出现新技术、新特点和新应用。本文详细分析了锑化物红外探测器的国内外发展现状、工艺路线、技术特点等, 并对锑化物红外探测器未来的发展趋势进行了预测。
0 引 言
红外探测器是红外探测系统中的核心元件, 是将入射的红外辐射能转变成其他形式能量的转换器, 是集电子科学与技术、材料学、凝聚态物理、光学工程、工程热物理等多学科于一体的高技术产品, 是信息化的基础, 是国家重要的战略资源, 同时也是国家综合实力和科技水平的具体体现。红外探测器一般由焦平面阵列芯片(fpa)、制冷器(斯特林制冷机)、杜瓦和滤光片、光阑等内置光学件组成, 外界目标的红外辐射经带通滤光片等内置光学元件滤除不需要的光谱辐射后, 到达光敏芯片, 光敏芯片将红外辐射转换为电信号, 输出给信号处理系统, 实现对目标的探测, 制冷器和杜瓦分别提供光敏芯片正常工作的低温冷源和隔热环境。
红外探测器的发展主要始于第二次世界大战后, 军事应用需求是推动红外探测器发展的主要动力。按照发展历程, 红外探测器通常被分为四代: 第一代以分立型为主, 元数在103元以下, 有线列和小面阵结构; 第二代为扫描型和凝视型焦平面结构, 规模在103~106元; 第三代以凝视型为主, 规模在106元以上, 且强调超大规模阵列、 高工作温度、双波长(双色)或多波长(多色)响应。而即将进入的第四代主要特点包括“超越规模”、“超越像元”、光学集成和更强的智能化信息处理功能, 如图1所示。
图1 制冷型红外探测器发展历史
fig.1 development history of cooled infrared detectors
当前, 高性能的制冷型红外探测器均采用化合物半导体材料, 其中主要包括: hgcdte、锑化物半导体(antimonide based compound semiconductor, abcs)、量子阱探测器等, 如表1所示。其中锑化物半导体红外探测器指的是以sb元素为基础的insb, inassb, inalsb, inas/gasb t2sl等红外探测器, 覆盖红外短、中、长波, 是目前主要的红外探测器类型之一。
注: ★号越多, 表示在该项越有优势。
insb红外焦平面探测器在20世纪90年代发展成熟, 具有量子效率高、 稳定性好等特点, 目前在军用中波红外探测器系统中占据主导地位。与hgcdte相比, insb焦平面阵列材料缺陷密度低、位错密度小; insb材料不存在组分均匀性问题, 晶元尺寸更大、均匀性更高, 也无由此产生的探测器光谱及响应的不均匀性; insb晶片是标准晶片, 可实现芯片自动化生产, 器件成本低、长期使用稳定性高, 在系统应用中具有很强的竞争能力。
t2sl探测器是近年兴起的新型本征吸收窄禁带半导体材料, 在晶格匹配的gasb衬底上生长, 可实现在整个红外波段范围内响应光谱可调, 且属于6.1å材料体系, 具有灵活的设计空间。与hgcdte器件相比, t2sl最大的优点是晶格稳定性好, 工艺重复性和器件的均匀性容易保证, 与insb器件工艺兼容性很高, 有利于制备出大规模焦平面探测器; 此外, t2sl的俄歇寿命和隧道电流也要优于hgcdte, 有利于器件暗电流的控制。t2sl可用于高工作温度红外探测器、长波红外探测器、双色及多色探测器, 是hgcdte探测器有力的竞争者。
inassb和inalsb同属于三元合金, 通过分子束外延(mbe)技术生长, 用于高工作温度红外探测器。inassb主要在gasb衬底上生长, 工作温度在150 k左右, 截止波长4.2 μm; inalsb主要在重掺杂的insb衬底上生长, 工作温度在110 k以上, 截止波长4.8 μm, 可以覆盖中波红外的大气透过窗口。inassb、inalsb探测器制备工艺相对简单, 成本较低, 是高工作温度红外探测器领域的重要材料。
锑化物红外探测器已经广泛应用于军事和民用领域, 如图2~3所示。军事方面, 涉及精确制导、战略战术情报搜集和目标侦察监视等领域, 是红外制导类武器系统及光电搜索、侦察、告警类设备获取目标信息, 实现探测、截获和跟踪功能的核心元器件; 在航天领域, 红外探测器已被成功应用于气象卫星、 气候监测、空间红外望远镜等大型航天工程中, 发挥重要作用。民用方面, 红外探测器在工业检测、监控、测温、公安消防和监视、医学和科学探索等领域广为使用, 应用范围越来越广泛。
图3 f-35光电分布式孔径系统(das)和光电侦查系统(eots)采用1 024×1 024 insb焦平面阵列
fig.3 f-35 photoelectric distributed aperture system (das) and photoelectric detection system (eots) use 1 024×1 024 insb focal plane array
1 国内外研究情况
1.1 国外锑化物探测器研制情况
国际上, 锑化物红外探测器已全面进入第三代, 具有超大规模阵列、高工作温度、高灵敏度、双色/多色成像等特点。以美国为例, 其研发体系完整, 包含由大学(northwestern university、university of new mexico等)、科研机构(nasa、海军实验室、空军实验室等)、军工企业(raytheon、lockheed martin等)组成的从基础研究、技术开发到产品开发的完整体系。近几年由美国政府组织的vista项目将t2sl研发资源整合, 分工明确、强强联合, 极大地促进了t2sl红外探测器的工程化进展。此外, 在美国, hgcdte与锑化物探测器并重, 红外中波领域主要以insb为主, 长波及双色探测器领域以hgcdte为主, 随着t2sl红外探测器的发展, 逐渐开始对insb和hgcdte在部分领域进行替代。
国外主要的锑化物探测器厂商的具体情况如下:
a. 美国l3公司/cincinnati electronics
l3公司是世界第七大防务公司, 2004年收购cincinnati electronics 后增强其红外探测器研制能力。cincinnati electronics公司成立于1973年, 是著名的红外焦平面阵列和相机制造商, 主要业务是为军事装备提供支持, 包括热跟踪导引头、威胁告警、远距离侦查等。l3公司具备超大规模焦平面阵列制备能力, 如4k×4k/15、8k×8k/10 insb焦平面阵列, 其中8k×8k焦平面阵列属于全球领先产品。同时该公司还具有线性斯特林制冷机技术和数字/模拟读出电路技术。l3公司已经开始采用4″和5″insb制备工艺, 并且扩大了超净间厂房, 为f-35的das系统提供支持。
在t2sl/nbn技术方面, l3公司是美国vista项目的成员之一, 通过该项目成功开发出中波高工作温度nbn红外探测器, 且在工程化进展方面获得巨大进展。
b. lockheed martin/santa barbara focalplane
lockheed martin公司是美国主要防务公司之一, 通过兼并santa barbara focalplane形成insb和nbn焦平面阵列的研制能力。santa barbara focalplane公司成立于1985年, 主要为lockheed martin公司和政府部门的实验室提供各类红外探测器以支持其军用装备, 主要产品包括insb和nbn焦平面阵列, 以及各种类型的杜瓦和制冷器。同时作为红外探测器供应商对外提供320×256、640×512、1 024×1 024以及1 280×1 024(12 μm和8 μm像元中心距)的insb焦平面阵列。
c. raytheon/raytheon vision systems
raytheon vision systems是raytheon公司内部探测器研发和生产中心, 主要产品是insb、nbn/t2sl焦平面阵列, 其中nbn/t2sl焦平面阵列主要在raytheon的ⅲ-v实验室进行研发, 产品主要应用于航空航天装备中, 在满足母公司需求的前提下, 会对外进行销售。
raytheon vision systems成立已有50余年, 拥有完整的insb、t2sl探测器产品线, 包括320×256、640×512、1024×1024、2k×2k、4k×4k、高工作温度、中/中双色、中/长双色等。
d. flir systems/indigo detector operations
flir公司成立于1978年, 是全球主要的红外成像系统供应商, 包括军用红外系统和民用红外系统。该公司通过在全球范围内的兼并不断发展壮大, 2004年兼并indigo公司将锑化物探测器纳入其业务范围, 主要产品包括insb和t2sl长波焦平面阵列。flir公司同时发展了读出集成电路业务, 以便与焦平面阵列芯片进行集成。
flir公司自主开发红外焦平面阵列和机芯, 最大限度地降低成本, 并集成到红外系统中, 为其产品提供差异化及价格优势。锑化物探测器方面主要有640×512、1280×720、2048×1536/10 insb焦平面阵列探测器等, 并已经大量装备于各类军用武器装备中。
e. 以色列rafael&elbit systems/scd公司
scd公司成立于1976年, 隶属于rafael&elbit systems, 是以色列主要的红外探测器供应商, 同时也是世界范围内主要的探测器供应商之一。scd公司产品应用范围涉及热成像瞄准系统、战术导弹、机载及地面红外视觉增强系统、远距离侦查系统、精确制导武器等军用和民用领域, 其产品50%出口北美、欧洲、东亚等地区。2018年, scd公司在美国成立了分部(scd usa)。
f. 韩国kaist/i3 system公司
i3 system成立于1998年, 隶属于韩国科学技术院(kaist), 是韩国主要的红外探测器研发和制造商。该公司主要的货架产品有:320×256/30/15 640×512/20/15 insb焦平面阵列, 1280×1024/10 insb焦平面阵列正在研发。在t2sl方面, i3公司正在研发640×512/15焦平面阵列, 用于中波和长波探测。
此外, 法国lynred公司, 近年来也开始着手建设锑化物探测器生产能力。
这些厂商的共同点主要有:
·大军工公司子公司或控股;
·采用4 in芯片生产线并正在进行6 in技术开发, 设备自动化程度高;
·实现1k×1k及以下系列insb探测器量产, inas/gasb t2sl探测器即将进行量产, 如表2所示。
1.2 国内锑化物探测器研制情况
国内锑化物红外探测器目前处于第二代焦平面阵列实现批产阶段, 第三代大阵列焦平面样机研究阶段, 如表3所示。主要的锑化物红外探测器基本可以实现国产化, 形成了预先研究、产品开发、工程化应用较为完整的技术链, 光谱范围覆盖短、中、长、甚长、双色等。
1.3 国内外研究对比分析
国内锑化物红外探测器设计与制造技术与国外相比, 存在5~10年的差距, 主要体现在以下几个方面: 在阵列规模方面, 国外可达单片4k×4k, 拼接8k×8k的阵列规模, 国内实现1k×1k焦平面阵列样机; 在像元中心距方面, 国外最小像元中心距为5 μm, 国内为10~12 μm; 在工作温度方面, 国外已基本实现150 k焦平面探测器的工程化应用, 国内实现130 k的焦平面样机; 在长波探测器方面, 国内外均可实现大于12.5 μm响应截止波长, 国外技术已接近工程化, 国内仍处于样机阶段; 在中/短、中/长双色焦平面阵列方面, 国外阵列规模达到640×512, 接近工程化应用, 国内处于样机阶段; 在外延衬底方面, 国外已具备insb 5 in、gasb 4 in的量产能力, 国内主要以2 in、 3 in为主; 此外, 国外数字化焦平面片的规模已达到640×512, 精度为16位。
2 锑化物焦平面探测器技术路线
insb焦平面探测器的制备工艺已经十分成熟, 具有阵列规模大、有效像元率高、稳定性高、工艺重复性好等特点。insb单晶采用熔炼、直拉法等晶体生长工艺制备, 掺入te来形成n型半导体, 采用化学-机械抛光来减小表面缺陷。通过扩散cd工艺或离子注入be工艺在表面进行p型掺杂, 从而形成p+-on-n二极管。目前国内常用的insb单晶是2 in和3 in单晶片, 国际上6 in的insb单晶片正在研发。
在insb焦平面探测器方面, 采用湿法腐蚀/干法刻蚀形成台面; 采用siox、sion等介质膜对芯片表面进行钝化, 减小表面漏电流; 采用ti/ni/au或cr/au电极形成良好的欧姆接触, 完成焦平面阵列芯片的制备。读出电路在完成电路及芯片版图设计后, 采用标准cmos工艺在集成电路代工厂进行流片加工, 流片完成后再经测试、筛选及铟柱制备满足焦平面芯片制备需要[4]。
insb焦平面芯片的封装主要有四种结构, 如图4所示。(1)非填充胶式: 在insb芯片制作好后, 生长铟柱, 互连, 填充易溶式支撑材料, 减薄、溶解支撑材料, 共用电极为n。该技术使用较少, 主要出现于早期小面阵insb探测器制作。(2)si转移固定技术: 在insb芯片制作好后, 先粘到中介载体上, 减薄, 再转移到双抛si片上, 生长铟柱, 互连, 共用电极为n, 通过增加si支撑片, 可有效增强insb芯片对热失配的抵抗能力。(3)填充胶式: 在insb芯片制作好后, 生长in柱, 互连, 填充胶, 固化, 减薄, 共用电极为n, 该技术在中、小面阵insb探测器应用较多, 大部分公司采用该结构, 为主流结构。(4)insb-si键合技术: insb成结后, 与双抛p-si键合, 减薄, 刻蚀成阵列, 生长铟柱, 互连, 共用电极为p。该技术与前三种最大的不同是, 消除了探测器与si读出电路的应力失配, 可靠性高, 适合于中大规模的insb焦平面探测器制备方案, 目前只有lj公司采用该技术路线。
图4 insb焦平面探测器技术路线
fig.4 insb focal plane detector technology route
在杜瓦方面, 以系列化金属杜瓦为主, 同时还可使用玻璃杜瓦、金属—玻璃复合杜瓦、快启动金属薄壁结构满足不同的应用要求; 在制冷方面, 可根据用户需求选配机械制冷机以及自调式、直喷式j-t、斯特林制冷器等多种结构。
在t2sl探测器方面, 主要在gasb衬底上, 采用分子束外延工艺制备, 而在inas衬底上采用mocvd生长t2sl材料的工艺也正在快速发展。t2sl因材料及芯片结构差异而制备工艺稍有不同外, 其余与insb探测器基本相同, 如图5所示。casb衬底和insb衬底的制备工艺基本相同, 但外延衬底对缺陷密度、表面粗糙度等要求更为严格。分子束外延设备能对材料进行原子层厚度级别的精确调控, 有利于对材料结构进行精确控制。
图5 锑化物焦平面阵列工艺路线
fig.5 antimonide focal plane array process route
3 insb探测器
3.1 insb探测器简介
insb是一种具有闪锌矿结构的ⅲ-ⅴ族化合物半导体材料, 具有较窄的禁带宽度和较高的电子迁移率, 在77 k温度下, 其禁带宽度为0.227 ev, 对3~5.5 μm红外波段非常敏感, 由于是本征吸收, 量子效率高, 因此广泛应用于中波红外探测器的研制[5]。insb探测器性能好, 成本低, 器件制造工艺成熟, 虽然由于本征载流子浓度原因导致其理论上的性能极限低于hgcdte, 但从西方发达国家数十年来的发展经验来看, insb始终是最重要的红外探测器之一, 在红外制导及红外光电设备等高性能军用系统应用中波红外探测器领域中占主导地位。
insb探测器始于20世纪50年代, 60年代研制出多元、线列探测器, 80年代开始焦平面探测器的研制, 至90年代基本发展成熟, 目前向着更小光敏元尺寸、更大阵列规模的方向发展。insb探测器拥有完整的产品系列, 包括128×128,320×256,640×512,1k×1k,2k×2k,4k×4k,8k×8k以及其他定制规格, 像元中心距主要有12, 15, 25, 30, 50等, 10 μm及更小的像元中心距的产品也已经开发成功, 如图6~7所示。2k×2k及以下的insb焦平面阵列已经成为商用货架产品, 并且8k×8k已经在宇航和军用领域得到应用。insb探测器无论是技术性能、阵列规模, 还是探测器生产规模, 代表了当今红外探测器发展的最高水平。
图6 rvs公司insb焦平面阵列发展历史
fig.6 rvs insb focal plane array development history
图7 4×2k×2k orion insb焦平面阵列用于天文望远镜
fig.7 4×2k×2k orion insb focal plane array for astronomical telescope
insb红外焦平面阵列按用途形成了不同的技术特点。低背景战术应用的insb阵列特点为规模大、噪声低、工作温度低、帧频低; 中、高背景战术应用的insb阵列主要用于导弹制导和热成像。阵列特点为规模适度、电荷处理能力强、帧频高。insb焦平面探测器在美国军用中波红外系统中占有主导地位, 主要包括精确制导和红外热成像两个方面。在精确制导方面主要有: aim-9x“响尾蛇”空空导弹(128×128), fim-92e/f“毒刺”便携防空弹(128×128), thaad“萨德”末端高空防御反导导弹(256×256), rim-116b“拉姆”舰载防空反导导弹(128×1)等; 红外热成像方面主要有: v-14m多传感器机载系统(320×240), star safireⅲ, sea star safire ⅲ转塔(640×480), an/aaq-27、an/aaq-29系统(640×480), an/aas-5多光谱瞄准系统(mts-a)(640×480), global hawk集成传感器(iss)(640×480)等。此外, 俄罗斯、以色列、南非等国家也使用了大量装备insb焦平面探测器的军用红外系统。
3.2 分子束外延insb
英国qinetiq公司和以色列scd公司分别采用分子束外延技术在重掺杂的insb衬底上生长pin结构的insb。通过控制材料的掺杂浓度以及采用更为精细的结构设计能有效控制热生载流子, 减小器件的暗电流水平, 从而提升探测器的工作温度。2003年英国qinetiq公司报道了256×256 insb焦平面探测器, 110 k温度下成像质量与80 k温度下十分相近, 且在130 k温度下仍然保持较好的成像效果, 如图8所示。2007年以色列scd公司推出两款商用外延insb产品piccolo“c”和gali, 在95 k温度下探测器性能指标与标准离子注入工艺80 k温度下性能指标相当。外延insb完全继承了传统insb工艺的优点, 且能够减低探测器组件功耗20%~30%, 同时配合相应的台面制备工艺能够有效减小光生载流子的横向扩散, 从而减小光敏元之间的光学串音。
图8 256×256 insb焦平面探测器成像
fig.8 256 × 256 insb focal plane detector imaging
2014年法国sofradir公司的evirgen等人采用分子束外延nbn结构的insb, 进一步减小探测器内部暗电流[6,7]。该方案采用inalsb材料作为nbn结构中的势垒层, 为了减小势垒层对外延材料产生的失配作用, 采用al组分渐变的势垒结构设计, 将al组分由小到大逐渐增加, 同时调控势垒层的掺杂浓度, 保证势垒层导带/价带对器件内部载流子输运的选通作用。在标准的ⅲ-v半导体器件测试系统中, 在f/3和量子效率80%的标准条件下, 以暗电流低于光电流两个数量级为标准, 衡量探测器的工作温度。nbn结构的insb探测器能够工作于120 k, pin结构的insb能够工作于100 k, 而离子注入工艺的insb工作温度为80 k, 如图9所示。
图9 三种不同制备工艺insb探测器工作温度对比
fig.9 comparison of insb working temperature detector with three different preparation processes
3.3 insb平面双色探测器
双色探测器通过对比目标在两个波段内的光谱信息来增强对目标的识别能力, 在精确制导和来袭告警等领域能够降低虚警率。对于insb探测器, 通常是通过滤光片将insb的响应波段分成两个部分。主要采用的技术方案有: 分立集成(hybrid)和单片集成(monolithic)。
分立集成主要是通过光学分光, 将不同波段的红外辐射透射到两个分立insb焦平面探测器上, 具有高帧频、高空间分辨率、高光谱分辨率等, 但对光学系统设计有很高的要求, 且在系统设计上要求更大的空间。2012年以色列scd公司推出了一款分立式双色insb焦平面探测器, 由两个480×384/20 数字insb焦平面阵列组成, 每个焦平面阵列有独立的冷屏和滤光片, 如图10所示。将探测器的光学系统集成到同一个杜瓦中以减小整体的重量和体积, 信号输出通过读出电路同步[8]。
图10 双色idca探测器组件
fig.10 the two-color idca detector assembly
单片集成主要是采用单个insb焦平面阵列, 通过滤光膜来对不同区域的光敏元的响应波段进行分区。滤光膜制备到单独的滤光片上或直接制备到探测器芯片表面。单片集成双色探测器和单色insb探测器具有几乎完全相同的系统设计, 但是会损失探测器的空间分辨率, 滤光膜的制备工艺要求很高, 并且存在串音风险。2003年cincinnati electronics发表了一种并列式双色insb焦平面探测器设计方案, 如图11(a)所示[9]。该方案在si基的ccd可见光相机中已经被应用, 并且可以有多种不同的双色组合方案, 如图11(b)所示的棋盘格式方案等。
图11 并列式和棋盘格式双色焦平面探测器
fig.11 side-by-side and checkerboard format dual-color focal plane detectors
4 t2sl探测器
4.1 t2sl探测器简介
t2sl材料通常采用分子束外延技术生长。通过调节多层半导体薄膜的排列周期及掺杂浓度可对其禁带宽度进行“人工裁剪”, 实现从短波至甚长波红外波段吸收的调节。t2sl材料主要包括inas/gasb、inas/gainsb以及inas/inassb等, 主要在gasb衬底上生长以实现晶格匹配。
inas/gasb t2sl材料是由inas薄膜和gasb薄膜按照不同的排列周期, 相互堆叠形成。在inas和gasb层的界面, inas层的导带顶比gasb层的价带底还要低约150 mev, 从而形成type-ⅱ类异质结结构。t2sl材料的禁带宽度是由布里渊区中电子微带(c1)底和第一重空穴微带(hh1)顶之间的带隙构成的。根据薄膜的厚度及排列方式不同, 理论上t2sl的禁带宽度可以在0~400 mev之间连续调节, 如图12所示。
图12 inas/gasb超晶格能带结构示意图
fig.12 inas / gasb superlattice energy band structure diagram
t2sl材料的研究最早可追溯到1977年, sai-halasz等人第一次在理论上提出了inas/gasb t2sl的概念。从2000年开始, 随着分子束外延技术的迅速进步, 国际上不断涌现出以t2sl材料为基础的理论研究、材料制备研究及器件研究。欧美研究机构对高质量的t2sl材料设计与生长、器件物理机理和焦平面探测器研制等进行了全面研究, 并在t2sl材料系统的理论基础研究和材料应用方面取得了重大突破, 如图13所示。同时t2sl材料应用到第三代红外探测器上的技术优势得到了充分验证。目前, t2sl焦平面阵列的性能已经十分接近hgcdte和insb[10,11,12]。
图13 t2sl焦平面阵列发展路线图
fig.13 t2sl focal plane array development roadmap
t2sl焦平面阵列的主要优势包括:
·材料外延工艺和器件制备工艺成熟;
·材料均匀性好;
·器件响应波长在很宽的范围内可调节;
·较小的auger复合率。
国际上主要的红外探测器制造厂商都投入了大量的资源进行开发, 其中最为著名的是美国vista项目。美国通过vista项目极大地推动了中波、长波和双色t2sl焦平面阵列的发展。vista项目寻求建立t2sl焦平面阵列的工程化生产能力, 包括材料生长、读出电路、焦平面阵列工艺、器件封装等。该项目采用“水平整合(horizontal integration)”的方式来推进t2sl焦平面阵列的发展, 而非之前的“垂直整合(vertical integration)”模式。垂直整合是将项目研制的所有环节全部由一家公司承担, 而水平整合是将项目的每个环节分别交给具有很强基础的公司来承担, 通过强强联合来快速推进项目进展。在vista项目的推动下, t2sl焦平面阵列已经开始进入美国主要军事项目, 例如f-35的下一代das。
4.2 高工作温度红外探测器
高工作温度探测器是t2sl焦平面阵列的主要研究方向之一。以器件和材料结构的优化设计为两个方向, 降低器件暗电流和噪声, 从而提高探测器的工作温度[13,14], 如图14所示。
图14 3 in衬底上制备的t2sl 2k×2k探测器的高温成像图
fig.14 high-temperature imaging of the t2sl 2k × 2k detector prepared on the 3-inch substrate
2006年美国的maimon首次提出了nbn结构的中波红外势垒器件, 并演示了该结构在暗电流压制上的独特优势。通过将探测器的暗电流压制到一个接近系统测试极限的水平, 该探测器的背景限温度成功地被提升到了150 k以上。美国northwestern university 2012年报道了采用中波异质结的t2sl探测器, 实现了5 μm中波焦平面150 k以上成像, 130 k以下netd保持11 mk。其后又在2015年报道了基于pmp结构的320×256单级型inas/gasb焦平面阵列, 当工作温度为150 k时, 像元的暗电流密度为1.2×10-5 a/cm2, 截止波长4.9 μm, 量子效率可达67%。2013年teledyne公司推出了小型高工作温度t2sl红外焦平面探测器, 分辨率为640×512, 工作温度可达150 k, 响应波长3~5 μm, 整机功耗小于8 w, 具备体积小、重量轻、低功耗等特点, 如图15所示。
图15 640×512小型高工作温度t2sl红外焦平面探测器组件
fig.15 640 × 512 high operating temperature t2sl infrared focal plane detector assembly
美国lockheed martin公司将“引领全球nbn结构的红外探测器技术”作为公司的发展战略目标, 并于2015年推出了nbn结构的1 280×1 024中波红外焦平面探测器样机, 像元尺寸达到8 μm。此外, 美国空军实验室、雷神公司、美国海军实验室、新墨西哥大学、瑞典irnova公司、法国sofradir公司、德国弗朗霍夫研究所等国际上主要红外探测器研制厂商都开展了高工作温度红外探测器的研制工作。
在长波高工作温度方面, 由于禁带宽度更窄, 热生载流子引起的噪声更加明显, 主要采用inas/inassb t2sl材料以提高器件性能。德国的iaf、波兰的vigo system在gaas衬底上外延生长inas/inassb材料, 截止波长在10 μm左右, 并且采用在芯片上制备微透镜来提高探测器的响应率。
4.3 长波红外探测器
t2sl焦平面阵列另一主要研究方向是长波红外探测器。长波红外探测器禁带宽度更窄, 更容易受热生载流子的影响, 在材料结构设计及器件制备过程中需要尽可能减小器件内部暗电流, 以减小器件噪声。大气环境下, 常温物体自身辐射以及反射阳光的红外辐射的峰值波段主要在长波波段, 因此, 长波红外探测器具有重要应用价值[15]。
t2sl材料内部自身的auger复合率较低, 有利于实现更小的暗电流水平, 晶格常数处于6.1å附近, 包含gasb、inas、alsb, 具有灵活的材料结构设计空间, 可以设计成nbn、m型等势垒型异质结结构来减小暗电流。此外, t2sl材料的电子有效质量在长波波段比hgcdte更有优势。因此, t2sl焦平面阵列被认为是hgcdte在长波波段的有力竞争者。
俄亥俄州莱特-帕特森(wright-patterson afb, oh, usa)空军基地空军研究实验室于2004年报道了一个甚远红外探测器。他们通过理论计算模拟和实验研究了不同inas、gasb子层厚度以及引入in组分对超晶格截止波长和器件性能的影响。美国喷气推进实验室于2006年报道了他们制作的gasb基inas/gasb t2sl长波红外光电二极管, 80 k时探测率为8×1010 cmhz1/2/w, 探测器截止波长为12 μm。2010年该实验室又报道了1 k×1 k长波t2sl探测器, netd为53 mk, 如图16所示。2007年美国northwestern university报道了320×256/25长波焦平面阵列, 截止波长为12 μm, 有效像元率为97%, netd最高达到270 mk, 器件性能有待优化。2012年又报道了高性能1024×1024/18长波焦平面阵列, 采用m势垒结构, 量子效率大于50%, netd约为27 mk。2009年美国雷神夜视报道了256×256长波焦平面阵列, 截止波长10.5 μm, 工作温度80 k。2015年以色列scd公司报道了640×512/15 pelican-d长波焦平面探测器, 截止波长9.5 μm, 有效像元率大于99%, 量子效率为48%, netd为15 μm, 整机重量750 g, 如图17所示。
图16 1k×1k 长波t2sl fpa在80 k下成像
fig.16 1k × 1k long wave t2sl fpa imaging at 80 k
图17 640×512/15 pelican-d长波焦平面探测器组件及成像图
fig.17 640 × 512/15 pelican-d long wave focal plane detector assembly and imaging diagram
4.4 双色及多色探测器
在inas/gasb t2sl多色探测器研究中, 美国、德国和以色列等国家一直处于世界领先地位[16,17,18]。美国northwestern university量子器件中心以inas/gasb t2sl材料体系实现了从短波、 中波到长波波段的多色探测。首次报道了短波/中波双色640×512红外焦平面器件, 短波通道结构pin异质结, 中波通道结构为n-m-π-p。中波通道通过引入inas/gasb/alsb/gasb势垒超晶格抑制器件暗电流[19]。焦平面成像如图18所示, 在150 k工作温度下, 器件短波和中波段截止波长分别为2.2 μm和5 μm。从图中可以看出, 短波段通道与中波段通道在火焰成像、蓝宝石眼镜成像以及背景等方面存在不同的成像特征。此外, 2016年该团队通过双电极偏压调制实现了高性能的短/中/长波三色探测器。中波和长波通道采用inas/gasb t2sl结构, 短波通道使用inas/gasb/alsb/gasb “m”型超晶格既可作为短波响应, 也可作为中波和长波的势垒。2010年德国fraunhofer实验室首次报道了实用型的中波/中波288×384双色焦平面探测器[20], 蓝色通道的netd达到了18 mk, 红色通道则达到了10 mk, 显示出极高的成像质量及较低的光学串扰, 如图19所示。
图18 150 k下640×512 t2sl双色红外焦平面成像
fig.18 640 × 512 t2sl dual-color infrared focal plane imaging at 150 k
图19 77 k下中波双色焦平面成像
fig.19 mid-wave dual-color focal plane imaging at 77 k
在目前的多色红外探测器研究中, 如何通过器件结构设计降低光学串扰是多色红外探测器中存在的关键问题之一。此外, 近年来随着inas/inassb及其相应的势垒超晶格在能带设计和材料外延上的突破, 基于inas/inassb t2sl体系的红外探测器研究得到迅速发展。因此, 基于pbp双色器件结构, 将inas/inassb t2sl取代其中的inas/gasb t2sl理论上能够实现高工作温度下的中/短波双色红外探测。
4.5 inassb探测器
inassb属于三元合金材料, 通过调节insb和inas的比例能够调节禁带宽度[21,22,23]。inassb的晶格常数与外延衬底gasb匹配, 150 k温度下截止波长在4.2 μm左右。inassb探测器的材料结构主要采用nbn、xbn、pbp等来减小器件内部暗电流, 实现高工作温度。nbn结构是在两个n型半导体材料之间插入一层势垒层, 没有传统pn结的耗尽层, 因此与耗尽层相关的g-r电流和隧穿电流被大幅减小。通过势垒结构在导带和价带上的带阶设计, 在减小噪声的同时, 不会对光生载流子的传输产生明显影响。此外, nbn结构有利于减小表面漏电流, 由此减小对表面钝化工艺的要求。
首款商用的inassb探测器是由santa barbara focalplane开发完成, 工作温度在145~175 k之间。ircameras公司的quazirhd camera采用santa barbara focalplane提供的1280×1024/12 inassb焦平面阵列, 工作寿命可达25000 h, 功耗约为5 w。scd公司的inassb焦平面阵列主要采用xbn结构, 其hercules产品的阵列规模为1280×1024, 像元中心距为15 μm, 帧频为100 hz, netd小于25 mk, 有效像元率大于99.5%, 工作温度为150 k, 工作波段为2.0~4.2 μm, 如图20所示。将探测器工作温度由80 k提升到150 k后, 能够显著减小探测器组件的功耗、启动时间、重量等, 如图21所示。scd公司已将inassb焦平面阵列开发成货架产品, 并且计划将现有insb产品系列均开发相同规格的inassb焦平面探测器产品。2015年cyan systems发布了一款2 040×1 156/5的超大inassb焦平面阵列, 是目前阵列规模最大, 像元最小的inassb焦平面阵列。
图20 1 280×1 024 hercules xbn焦平面阵列
fig.20 1 280×1 024 hercules xbn focal plane array
图21 高工作温度探测器明显优势
fig.21 obvious advantages of the high operating temperature detector
4.6 inalsb探测器
inalsb是根据第三代红外探测技术的要求对insb材料的进一步发展[24,25]。alsb的禁带宽度为2.386 ev, insb的禁带宽度为0.235 ev, 在insb中加入少量的al组分能够有效提升禁带宽度, 从而减小由温度升高引起的热噪声。insb在77 k温度下截止波长为5.4 μm, 加入al组分后吸收波长向短波偏移 根据经典varshni模型, 4.8 μm截止波长的inalsb中al组分为1.83%, 与insb衬底的晶格失配为0.095%, 有利于实现高质量、低缺陷的外延材料生长。此外, 基于insb的焦平面红外探测器制备技术已经十分成熟, 由于al组分很少, 在探测器制备工艺上inalsb与insb的兼容性很高, 有利于制备出大面阵、高质量的焦平面阵列器件。
2003年英国qinetiq公司采用分子束外延的方式生长了insb和inalsb材料。其制备的inalsb p+-n-n+结构焦平面器件中al组分为3.5%, 截止波长4.2 μm。2005年以色列的scd公司制备出320×256的inalsb焦平面器件, 同样采用p+-n-n+结构, al组分为1.8%, 截止波长4.8 μm, 暗电流和insb相比低一个数量级, 在110 k的工作温度下能够对1.5 km外的电线杆清晰地成像, 如图22所示。但由于p+-n-n+结构中耗尽层的影响, 130 k以下inalsb器件的暗电流仍以g-r电流为主, 没有达到扩散限, 如何进一步减小器件内部暗电流是提升工作温度的关键所在。
图22 scd公司320×256 inalsb探测器对1.5 km外电线杆成像
fig.22 image of a telephone pole far away 1.5 km by scd’s 320 × 256 inalsb detector
5 未来发展趋势
随着mocvd和mbe等外延生长技术的应用, 器件制造技术与材料生长技术将更加密不可分; 先进的硅集成电路设计与制造技术、计算机信息处理技术使得探测器具备更多的功能和信息处理手段。
未来锑化物探测器的技术发展主要体现在:
(1) 光敏元数量向大规模、超大规模阵列方向发展, 例如美国已经制订8 k×8 k乃至更大规模阵列焦平面的发展规划。光敏元尺寸向更小方向发展, 8 μm像元中心距的产品已有相关产品报道, 并且将进一步减小到5 μm甚至更小。在具体的焦平面芯片制备工艺方面, 为降低生产成本, 提高制造成品率, 则呈现多种工艺路线并存的局面[26]。
(2) 在读出电路发展方面, 借助于微电子技术的发展, 其阵列规模不断增大, 功能越来越强, 视窗选择、 盲元剔除、非均匀校正、探测器信号模数转换、高速传输及预放大处理、2d或3d图像处理等功能已经或即将出现, 智能化成为发展方向。
(3) 信息处理的标准化、模块化, 使得前置放大或预处理电路逐步成为探测器的有机组成部分; 二元光学技术的应用及设计理念的变更, 加速了部分系统光学零部件向探测器的集成。
锑化物红外探测器领域技术发展路线如图23所示。预期至2025年, 锑化物探测器阵列规模将达8 k×8 k, 像元中心距可达5 μm, netd在5~10 mk左右, 光谱拓展到16 μm, 探测器可在150~180 k温度条件下正常工作, 达到热电制冷温度区域; 至2030年, 探测器的发展将主要集中于swap-c方面, 虽然阵列规模、像元尺寸不会有太大变化, 但器件性能将进一步提高, netd可达1 mk水平, 工作温度可提高至200 k以上, 具备智能化信息处理能力, 同时成本将大幅降低, 能够满足更多的应用需求; 至2035年, 基本实现以“超越规模”为基本特征的四代器件技术, 完成以光学系统集成、“超越像元”为特征的高端四代器件技术。
图23 锑化物红外探测器领域发展路线图
fig.23 roadmap for the development of antimonide infrared detectors
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锑化物探测器是当前主要的红外探测器类型之一, 主要包括insb、 inassb、 inalsb以及ii类超晶格(t2sl)等红外探测器, 覆盖红外短、中、长波。锑化物探测器在精确制导、机载光电、视觉增强、天文观测、气象卫星、火灾告警、人员搜救等军事和民用领域都有广泛应用。当前红外探测器已经全面进入第三代发展阶段, 锑化物红外探测器也不断出现新技术、新特点和新应用。本文详细分析了锑化物红外探测器的国内外发展现状、工艺路线、技术特点等, 并对锑化物红外探测器未来的发展趋势进行了预测。
0 引 言
红外探测器是红外探测系统中的核心元件, 是将入射的红外辐射能转变成其他形式能量的转换器, 是集电子科学与技术、材料学、凝聚态物理、光学工程、工程热物理等多学科于一体的高技术产品, 是信息化的基础, 是国家重要的战略资源, 同时也是国家综合实力和科技水平的具体体现。红外探测器一般由焦平面阵列芯片(fpa)、制冷器(斯特林制冷机)、杜瓦和滤光片、光阑等内置光学件组成, 外界目标的红外辐射经带通滤光片等内置光学元件滤除不需要的光谱辐射后, 到达光敏芯片, 光敏芯片将红外辐射转换为电信号, 输出给信号处理系统, 实现对目标的探测, 制冷器和杜瓦分别提供光敏芯片正常工作的低温冷源和隔热环境。
红外探测器的发展主要始于第二次世界大战后, 军事应用需求是推动红外探测器发展的主要动力。按照发展历程, 红外探测器通常被分为四代: 第一代以分立型为主, 元数在103元以下, 有线列和小面阵结构; 第二代为扫描型和凝视型焦平面结构, 规模在103~106元; 第三代以凝视型为主, 规模在106元以上, 且强调超大规模阵列、 高工作温度、双波长(双色)或多波长(多色)响应。而即将进入的第四代主要特点包括“超越规模”、“超越像元”、光学集成和更强的智能化信息处理功能, 如图1所示。
图1 制冷型红外探测器发展历史
fig.1 development history of cooled infrared detectors
当前, 高性能的制冷型红外探测器均采用化合物半导体材料, 其中主要包括: hgcdte、锑化物半导体(antimonide based compound semiconductor, abcs)、量子阱探测器等, 如表1所示。其中锑化物半导体红外探测器指的是以sb元素为基础的insb, inassb, inalsb, inas/gasb t2sl等红外探测器, 覆盖红外短、中、长波, 是目前主要的红外探测器类型之一。
注: ★号越多, 表示在该项越有优势。
insb红外焦平面探测器在20世纪90年代发展成熟, 具有量子效率高、 稳定性好等特点, 目前在军用中波红外探测器系统中占据主导地位。与hgcdte相比, insb焦平面阵列材料缺陷密度低、位错密度小; insb材料不存在组分均匀性问题, 晶元尺寸更大、均匀性更高, 也无由此产生的探测器光谱及响应的不均匀性; insb晶片是标准晶片, 可实现芯片自动化生产, 器件成本低、长期使用稳定性高, 在系统应用中具有很强的竞争能力。
t2sl探测器是近年兴起的新型本征吸收窄禁带半导体材料, 在晶格匹配的gasb衬底上生长, 可实现在整个红外波段范围内响应光谱可调, 且属于6.1å材料体系, 具有灵活的设计空间。与hgcdte器件相比, t2sl最大的优点是晶格稳定性好, 工艺重复性和器件的均匀性容易保证, 与insb器件工艺兼容性很高, 有利于制备出大规模焦平面探测器; 此外, t2sl的俄歇寿命和隧道电流也要优于hgcdte, 有利于器件暗电流的控制。t2sl可用于高工作温度红外探测器、长波红外探测器、双色及多色探测器, 是hgcdte探测器有力的竞争者。
inassb和inalsb同属于三元合金, 通过分子束外延(mbe)技术生长, 用于高工作温度红外探测器。inassb主要在gasb衬底上生长, 工作温度在150 k左右, 截止波长4.2 μm; inalsb主要在重掺杂的insb衬底上生长, 工作温度在110 k以上, 截止波长4.8 μm, 可以覆盖中波红外的大气透过窗口。inassb、inalsb探测器制备工艺相对简单, 成本较低, 是高工作温度红外探测器领域的重要材料。
锑化物红外探测器已经广泛应用于军事和民用领域, 如图2~3所示。军事方面, 涉及精确制导、战略战术情报搜集和目标侦察监视等领域, 是红外制导类武器系统及光电搜索、侦察、告警类设备获取目标信息, 实现探测、截获和跟踪功能的核心元器件; 在航天领域, 红外探测器已被成功应用于气象卫星、 气候监测、空间红外望远镜等大型航天工程中, 发挥重要作用。民用方面, 红外探测器在工业检测、监控、测温、公安消防和监视、医学和科学探索等领域广为使用, 应用范围越来越广泛。
图3 f-35光电分布式孔径系统(das)和光电侦查系统(eots)采用1 024×1 024 insb焦平面阵列
fig.3 f-35 photoelectric distributed aperture system (das) and photoelectric detection system (eots) use 1 024×1 024 insb focal plane array
1 国内外研究情况
1.1 国外锑化物探测器研制情况
国际上, 锑化物红外探测器已全面进入第三代, 具有超大规模阵列、高工作温度、高灵敏度、双色/多色成像等特点。以美国为例, 其研发体系完整, 包含由大学(northwestern university、university of new mexico等)、科研机构(nasa、海军实验室、空军实验室等)、军工企业(raytheon、lockheed martin等)组成的从基础研究、技术开发到产品开发的完整体系。近几年由美国政府组织的vista项目将t2sl研发资源整合, 分工明确、强强联合, 极大地促进了t2sl红外探测器的工程化进展。此外, 在美国, hgcdte与锑化物探测器并重, 红外中波领域主要以insb为主, 长波及双色探测器领域以hgcdte为主, 随着t2sl红外探测器的发展, 逐渐开始对insb和hgcdte在部分领域进行替代。
国外主要的锑化物探测器厂商的具体情况如下:
a. 美国l3公司/cincinnati electronics
l3公司是世界第七大防务公司, 2004年收购cincinnati electronics 后增强其红外探测器研制能力。cincinnati electronics公司成立于1973年, 是著名的红外焦平面阵列和相机制造商, 主要业务是为军事装备提供支持, 包括热跟踪导引头、威胁告警、远距离侦查等。l3公司具备超大规模焦平面阵列制备能力, 如4k×4k/15、8k×8k/10 insb焦平面阵列, 其中8k×8k焦平面阵列属于全球领先产品。同时该公司还具有线性斯特林制冷机技术和数字/模拟读出电路技术。l3公司已经开始采用4″和5″insb制备工艺, 并且扩大了超净间厂房, 为f-35的das系统提供支持。
在t2sl/nbn技术方面, l3公司是美国vista项目的成员之一, 通过该项目成功开发出中波高工作温度nbn红外探测器, 且在工程化进展方面获得巨大进展。
b. lockheed martin/santa barbara focalplane
lockheed martin公司是美国主要防务公司之一, 通过兼并santa barbara focalplane形成insb和nbn焦平面阵列的研制能力。santa barbara focalplane公司成立于1985年, 主要为lockheed martin公司和政府部门的实验室提供各类红外探测器以支持其军用装备, 主要产品包括insb和nbn焦平面阵列, 以及各种类型的杜瓦和制冷器。同时作为红外探测器供应商对外提供320×256、640×512、1 024×1 024以及1 280×1 024(12 μm和8 μm像元中心距)的insb焦平面阵列。
c. raytheon/raytheon vision systems
raytheon vision systems是raytheon公司内部探测器研发和生产中心, 主要产品是insb、nbn/t2sl焦平面阵列, 其中nbn/t2sl焦平面阵列主要在raytheon的ⅲ-v实验室进行研发, 产品主要应用于航空航天装备中, 在满足母公司需求的前提下, 会对外进行销售。
raytheon vision systems成立已有50余年, 拥有完整的insb、t2sl探测器产品线, 包括320×256、640×512、1024×1024、2k×2k、4k×4k、高工作温度、中/中双色、中/长双色等。
d. flir systems/indigo detector operations
flir公司成立于1978年, 是全球主要的红外成像系统供应商, 包括军用红外系统和民用红外系统。该公司通过在全球范围内的兼并不断发展壮大, 2004年兼并indigo公司将锑化物探测器纳入其业务范围, 主要产品包括insb和t2sl长波焦平面阵列。flir公司同时发展了读出集成电路业务, 以便与焦平面阵列芯片进行集成。
flir公司自主开发红外焦平面阵列和机芯, 最大限度地降低成本, 并集成到红外系统中, 为其产品提供差异化及价格优势。锑化物探测器方面主要有640×512、1280×720、2048×1536/10 insb焦平面阵列探测器等, 并已经大量装备于各类军用武器装备中。
e. 以色列rafael&elbit systems/scd公司
scd公司成立于1976年, 隶属于rafael&elbit systems, 是以色列主要的红外探测器供应商, 同时也是世界范围内主要的探测器供应商之一。scd公司产品应用范围涉及热成像瞄准系统、战术导弹、机载及地面红外视觉增强系统、远距离侦查系统、精确制导武器等军用和民用领域, 其产品50%出口北美、欧洲、东亚等地区。2018年, scd公司在美国成立了分部(scd usa)。
f. 韩国kaist/i3 system公司
i3 system成立于1998年, 隶属于韩国科学技术院(kaist), 是韩国主要的红外探测器研发和制造商。该公司主要的货架产品有:320×256/30/15 640×512/20/15 insb焦平面阵列, 1280×1024/10 insb焦平面阵列正在研发。在t2sl方面, i3公司正在研发640×512/15焦平面阵列, 用于中波和长波探测。
此外, 法国lynred公司, 近年来也开始着手建设锑化物探测器生产能力。
这些厂商的共同点主要有:
·大军工公司子公司或控股;
·采用4 in芯片生产线并正在进行6 in技术开发, 设备自动化程度高;
·实现1k×1k及以下系列insb探测器量产, inas/gasb t2sl探测器即将进行量产, 如表2所示。
1.2 国内锑化物探测器研制情况
国内锑化物红外探测器目前处于第二代焦平面阵列实现批产阶段, 第三代大阵列焦平面样机研究阶段, 如表3所示。主要的锑化物红外探测器基本可以实现国产化, 形成了预先研究、产品开发、工程化应用较为完整的技术链, 光谱范围覆盖短、中、长、甚长、双色等。
1.3 国内外研究对比分析
国内锑化物红外探测器设计与制造技术与国外相比, 存在5~10年的差距, 主要体现在以下几个方面: 在阵列规模方面, 国外可达单片4k×4k, 拼接8k×8k的阵列规模, 国内实现1k×1k焦平面阵列样机; 在像元中心距方面, 国外最小像元中心距为5 μm, 国内为10~12 μm; 在工作温度方面, 国外已基本实现150 k焦平面探测器的工程化应用, 国内实现130 k的焦平面样机; 在长波探测器方面, 国内外均可实现大于12.5 μm响应截止波长, 国外技术已接近工程化, 国内仍处于样机阶段; 在中/短、中/长双色焦平面阵列方面, 国外阵列规模达到640×512, 接近工程化应用, 国内处于样机阶段; 在外延衬底方面, 国外已具备insb 5 in、gasb 4 in的量产能力, 国内主要以2 in、 3 in为主; 此外, 国外数字化焦平面片的规模已达到640×512, 精度为16位。
2 锑化物焦平面探测器技术路线
insb焦平面探测器的制备工艺已经十分成熟, 具有阵列规模大、有效像元率高、稳定性高、工艺重复性好等特点。insb单晶采用熔炼、直拉法等晶体生长工艺制备, 掺入te来形成n型半导体, 采用化学-机械抛光来减小表面缺陷。通过扩散cd工艺或离子注入be工艺在表面进行p型掺杂, 从而形成p+-on-n二极管。目前国内常用的insb单晶是2 in和3 in单晶片, 国际上6 in的insb单晶片正在研发。
在insb焦平面探测器方面, 采用湿法腐蚀/干法刻蚀形成台面; 采用siox、sion等介质膜对芯片表面进行钝化, 减小表面漏电流; 采用ti/ni/au或cr/au电极形成良好的欧姆接触, 完成焦平面阵列芯片的制备。读出电路在完成电路及芯片版图设计后, 采用标准cmos工艺在集成电路代工厂进行流片加工, 流片完成后再经测试、筛选及铟柱制备满足焦平面芯片制备需要[4]。
insb焦平面芯片的封装主要有四种结构, 如图4所示。(1)非填充胶式: 在insb芯片制作好后, 生长铟柱, 互连, 填充易溶式支撑材料, 减薄、溶解支撑材料, 共用电极为n。该技术使用较少, 主要出现于早期小面阵insb探测器制作。(2)si转移固定技术: 在insb芯片制作好后, 先粘到中介载体上, 减薄, 再转移到双抛si片上, 生长铟柱, 互连, 共用电极为n, 通过增加si支撑片, 可有效增强insb芯片对热失配的抵抗能力。(3)填充胶式: 在insb芯片制作好后, 生长in柱, 互连, 填充胶, 固化, 减薄, 共用电极为n, 该技术在中、小面阵insb探测器应用较多, 大部分公司采用该结构, 为主流结构。(4)insb-si键合技术: insb成结后, 与双抛p-si键合, 减薄, 刻蚀成阵列, 生长铟柱, 互连, 共用电极为p。该技术与前三种最大的不同是, 消除了探测器与si读出电路的应力失配, 可靠性高, 适合于中大规模的insb焦平面探测器制备方案, 目前只有lj公司采用该技术路线。
图4 insb焦平面探测器技术路线
fig.4 insb focal plane detector technology route
在杜瓦方面, 以系列化金属杜瓦为主, 同时还可使用玻璃杜瓦、金属—玻璃复合杜瓦、快启动金属薄壁结构满足不同的应用要求; 在制冷方面, 可根据用户需求选配机械制冷机以及自调式、直喷式j-t、斯特林制冷器等多种结构。
在t2sl探测器方面, 主要在gasb衬底上, 采用分子束外延工艺制备, 而在inas衬底上采用mocvd生长t2sl材料的工艺也正在快速发展。t2sl因材料及芯片结构差异而制备工艺稍有不同外, 其余与insb探测器基本相同, 如图5所示。casb衬底和insb衬底的制备工艺基本相同, 但外延衬底对缺陷密度、表面粗糙度等要求更为严格。分子束外延设备能对材料进行原子层厚度级别的精确调控, 有利于对材料结构进行精确控制。
图5 锑化物焦平面阵列工艺路线
fig.5 antimonide focal plane array process route
3 insb探测器
3.1 insb探测器简介
insb是一种具有闪锌矿结构的ⅲ-ⅴ族化合物半导体材料, 具有较窄的禁带宽度和较高的电子迁移率, 在77 k温度下, 其禁带宽度为0.227 ev, 对3~5.5 μm红外波段非常敏感, 由于是本征吸收, 量子效率高, 因此广泛应用于中波红外探测器的研制[5]。insb探测器性能好, 成本低, 器件制造工艺成熟, 虽然由于本征载流子浓度原因导致其理论上的性能极限低于hgcdte, 但从西方发达国家数十年来的发展经验来看, insb始终是最重要的红外探测器之一, 在红外制导及红外光电设备等高性能军用系统应用中波红外探测器领域中占主导地位。
insb探测器始于20世纪50年代, 60年代研制出多元、线列探测器, 80年代开始焦平面探测器的研制, 至90年代基本发展成熟, 目前向着更小光敏元尺寸、更大阵列规模的方向发展。insb探测器拥有完整的产品系列, 包括128×128,320×256,640×512,1k×1k,2k×2k,4k×4k,8k×8k以及其他定制规格, 像元中心距主要有12, 15, 25, 30, 50等, 10 μm及更小的像元中心距的产品也已经开发成功, 如图6~7所示。2k×2k及以下的insb焦平面阵列已经成为商用货架产品, 并且8k×8k已经在宇航和军用领域得到应用。insb探测器无论是技术性能、阵列规模, 还是探测器生产规模, 代表了当今红外探测器发展的最高水平。
图6 rvs公司insb焦平面阵列发展历史
fig.6 rvs insb focal plane array development history
图7 4×2k×2k orion insb焦平面阵列用于天文望远镜
fig.7 4×2k×2k orion insb focal plane array for astronomical telescope
insb红外焦平面阵列按用途形成了不同的技术特点。低背景战术应用的insb阵列特点为规模大、噪声低、工作温度低、帧频低; 中、高背景战术应用的insb阵列主要用于导弹制导和热成像。阵列特点为规模适度、电荷处理能力强、帧频高。insb焦平面探测器在美国军用中波红外系统中占有主导地位, 主要包括精确制导和红外热成像两个方面。在精确制导方面主要有: aim-9x“响尾蛇”空空导弹(128×128), fim-92e/f“毒刺”便携防空弹(128×128), thaad“萨德”末端高空防御反导导弹(256×256), rim-116b“拉姆”舰载防空反导导弹(128×1)等; 红外热成像方面主要有: v-14m多传感器机载系统(320×240), star safireⅲ, sea star safire ⅲ转塔(640×480), an/aaq-27、an/aaq-29系统(640×480), an/aas-5多光谱瞄准系统(mts-a)(640×480), global hawk集成传感器(iss)(640×480)等。此外, 俄罗斯、以色列、南非等国家也使用了大量装备insb焦平面探测器的军用红外系统。
3.2 分子束外延insb
英国qinetiq公司和以色列scd公司分别采用分子束外延技术在重掺杂的insb衬底上生长pin结构的insb。通过控制材料的掺杂浓度以及采用更为精细的结构设计能有效控制热生载流子, 减小器件的暗电流水平, 从而提升探测器的工作温度。2003年英国qinetiq公司报道了256×256 insb焦平面探测器, 110 k温度下成像质量与80 k温度下十分相近, 且在130 k温度下仍然保持较好的成像效果, 如图8所示。2007年以色列scd公司推出两款商用外延insb产品piccolo“c”和gali, 在95 k温度下探测器性能指标与标准离子注入工艺80 k温度下性能指标相当。外延insb完全继承了传统insb工艺的优点, 且能够减低探测器组件功耗20%~30%, 同时配合相应的台面制备工艺能够有效减小光生载流子的横向扩散, 从而减小光敏元之间的光学串音。
图8 256×256 insb焦平面探测器成像
fig.8 256 × 256 insb focal plane detector imaging
2014年法国sofradir公司的evirgen等人采用分子束外延nbn结构的insb, 进一步减小探测器内部暗电流[6,7]。该方案采用inalsb材料作为nbn结构中的势垒层, 为了减小势垒层对外延材料产生的失配作用, 采用al组分渐变的势垒结构设计, 将al组分由小到大逐渐增加, 同时调控势垒层的掺杂浓度, 保证势垒层导带/价带对器件内部载流子输运的选通作用。在标准的ⅲ-v半导体器件测试系统中, 在f/3和量子效率80%的标准条件下, 以暗电流低于光电流两个数量级为标准, 衡量探测器的工作温度。nbn结构的insb探测器能够工作于120 k, pin结构的insb能够工作于100 k, 而离子注入工艺的insb工作温度为80 k, 如图9所示。
图9 三种不同制备工艺insb探测器工作温度对比
fig.9 comparison of insb working temperature detector with three different preparation processes
3.3 insb平面双色探测器
双色探测器通过对比目标在两个波段内的光谱信息来增强对目标的识别能力, 在精确制导和来袭告警等领域能够降低虚警率。对于insb探测器, 通常是通过滤光片将insb的响应波段分成两个部分。主要采用的技术方案有: 分立集成(hybrid)和单片集成(monolithic)。
分立集成主要是通过光学分光, 将不同波段的红外辐射透射到两个分立insb焦平面探测器上, 具有高帧频、高空间分辨率、高光谱分辨率等, 但对光学系统设计有很高的要求, 且在系统设计上要求更大的空间。2012年以色列scd公司推出了一款分立式双色insb焦平面探测器, 由两个480×384/20 数字insb焦平面阵列组成, 每个焦平面阵列有独立的冷屏和滤光片, 如图10所示。将探测器的光学系统集成到同一个杜瓦中以减小整体的重量和体积, 信号输出通过读出电路同步[8]。
图10 双色idca探测器组件
fig.10 the two-color idca detector assembly
单片集成主要是采用单个insb焦平面阵列, 通过滤光膜来对不同区域的光敏元的响应波段进行分区。滤光膜制备到单独的滤光片上或直接制备到探测器芯片表面。单片集成双色探测器和单色insb探测器具有几乎完全相同的系统设计, 但是会损失探测器的空间分辨率, 滤光膜的制备工艺要求很高, 并且存在串音风险。2003年cincinnati electronics发表了一种并列式双色insb焦平面探测器设计方案, 如图11(a)所示[9]。该方案在si基的ccd可见光相机中已经被应用, 并且可以有多种不同的双色组合方案, 如图11(b)所示的棋盘格式方案等。
图11 并列式和棋盘格式双色焦平面探测器
fig.11 side-by-side and checkerboard format dual-color focal plane detectors
4 t2sl探测器
4.1 t2sl探测器简介
t2sl材料通常采用分子束外延技术生长。通过调节多层半导体薄膜的排列周期及掺杂浓度可对其禁带宽度进行“人工裁剪”, 实现从短波至甚长波红外波段吸收的调节。t2sl材料主要包括inas/gasb、inas/gainsb以及inas/inassb等, 主要在gasb衬底上生长以实现晶格匹配。
inas/gasb t2sl材料是由inas薄膜和gasb薄膜按照不同的排列周期, 相互堆叠形成。在inas和gasb层的界面, inas层的导带顶比gasb层的价带底还要低约150 mev, 从而形成type-ⅱ类异质结结构。t2sl材料的禁带宽度是由布里渊区中电子微带(c1)底和第一重空穴微带(hh1)顶之间的带隙构成的。根据薄膜的厚度及排列方式不同, 理论上t2sl的禁带宽度可以在0~400 mev之间连续调节, 如图12所示。
图12 inas/gasb超晶格能带结构示意图
fig.12 inas / gasb superlattice energy band structure diagram
t2sl材料的研究最早可追溯到1977年, sai-halasz等人第一次在理论上提出了inas/gasb t2sl的概念。从2000年开始, 随着分子束外延技术的迅速进步, 国际上不断涌现出以t2sl材料为基础的理论研究、材料制备研究及器件研究。欧美研究机构对高质量的t2sl材料设计与生长、器件物理机理和焦平面探测器研制等进行了全面研究, 并在t2sl材料系统的理论基础研究和材料应用方面取得了重大突破, 如图13所示。同时t2sl材料应用到第三代红外探测器上的技术优势得到了充分验证。目前, t2sl焦平面阵列的性能已经十分接近hgcdte和insb[10,11,12]。
图13 t2sl焦平面阵列发展路线图
fig.13 t2sl focal plane array development roadmap
t2sl焦平面阵列的主要优势包括:
·材料外延工艺和器件制备工艺成熟;
·材料均匀性好;
·器件响应波长在很宽的范围内可调节;
·较小的auger复合率。
国际上主要的红外探测器制造厂商都投入了大量的资源进行开发, 其中最为著名的是美国vista项目。美国通过vista项目极大地推动了中波、长波和双色t2sl焦平面阵列的发展。vista项目寻求建立t2sl焦平面阵列的工程化生产能力, 包括材料生长、读出电路、焦平面阵列工艺、器件封装等。该项目采用“水平整合(horizontal integration)”的方式来推进t2sl焦平面阵列的发展, 而非之前的“垂直整合(vertical integration)”模式。垂直整合是将项目研制的所有环节全部由一家公司承担, 而水平整合是将项目的每个环节分别交给具有很强基础的公司来承担, 通过强强联合来快速推进项目进展。在vista项目的推动下, t2sl焦平面阵列已经开始进入美国主要军事项目, 例如f-35的下一代das。
4.2 高工作温度红外探测器
高工作温度探测器是t2sl焦平面阵列的主要研究方向之一。以器件和材料结构的优化设计为两个方向, 降低器件暗电流和噪声, 从而提高探测器的工作温度[13,14], 如图14所示。
图14 3 in衬底上制备的t2sl 2k×2k探测器的高温成像图
fig.14 high-temperature imaging of the t2sl 2k × 2k detector prepared on the 3-inch substrate
2006年美国的maimon首次提出了nbn结构的中波红外势垒器件, 并演示了该结构在暗电流压制上的独特优势。通过将探测器的暗电流压制到一个接近系统测试极限的水平, 该探测器的背景限温度成功地被提升到了150 k以上。美国northwestern university 2012年报道了采用中波异质结的t2sl探测器, 实现了5 μm中波焦平面150 k以上成像, 130 k以下netd保持11 mk。其后又在2015年报道了基于pmp结构的320×256单级型inas/gasb焦平面阵列, 当工作温度为150 k时, 像元的暗电流密度为1.2×10-5 a/cm2, 截止波长4.9 μm, 量子效率可达67%。2013年teledyne公司推出了小型高工作温度t2sl红外焦平面探测器, 分辨率为640×512, 工作温度可达150 k, 响应波长3~5 μm, 整机功耗小于8 w, 具备体积小、重量轻、低功耗等特点, 如图15所示。
图15 640×512小型高工作温度t2sl红外焦平面探测器组件
fig.15 640 × 512 high operating temperature t2sl infrared focal plane detector assembly
美国lockheed martin公司将“引领全球nbn结构的红外探测器技术”作为公司的发展战略目标, 并于2015年推出了nbn结构的1 280×1 024中波红外焦平面探测器样机, 像元尺寸达到8 μm。此外, 美国空军实验室、雷神公司、美国海军实验室、新墨西哥大学、瑞典irnova公司、法国sofradir公司、德国弗朗霍夫研究所等国际上主要红外探测器研制厂商都开展了高工作温度红外探测器的研制工作。
在长波高工作温度方面, 由于禁带宽度更窄, 热生载流子引起的噪声更加明显, 主要采用inas/inassb t2sl材料以提高器件性能。德国的iaf、波兰的vigo system在gaas衬底上外延生长inas/inassb材料, 截止波长在10 μm左右, 并且采用在芯片上制备微透镜来提高探测器的响应率。
4.3 长波红外探测器
t2sl焦平面阵列另一主要研究方向是长波红外探测器。长波红外探测器禁带宽度更窄, 更容易受热生载流子的影响, 在材料结构设计及器件制备过程中需要尽可能减小器件内部暗电流, 以减小器件噪声。大气环境下, 常温物体自身辐射以及反射阳光的红外辐射的峰值波段主要在长波波段, 因此, 长波红外探测器具有重要应用价值[15]。
t2sl材料内部自身的auger复合率较低, 有利于实现更小的暗电流水平, 晶格常数处于6.1å附近, 包含gasb、inas、alsb, 具有灵活的材料结构设计空间, 可以设计成nbn、m型等势垒型异质结结构来减小暗电流。此外, t2sl材料的电子有效质量在长波波段比hgcdte更有优势。因此, t2sl焦平面阵列被认为是hgcdte在长波波段的有力竞争者。
俄亥俄州莱特-帕特森(wright-patterson afb, oh, usa)空军基地空军研究实验室于2004年报道了一个甚远红外探测器。他们通过理论计算模拟和实验研究了不同inas、gasb子层厚度以及引入in组分对超晶格截止波长和器件性能的影响。美国喷气推进实验室于2006年报道了他们制作的gasb基inas/gasb t2sl长波红外光电二极管, 80 k时探测率为8×1010 cmhz1/2/w, 探测器截止波长为12 μm。2010年该实验室又报道了1 k×1 k长波t2sl探测器, netd为53 mk, 如图16所示。2007年美国northwestern university报道了320×256/25长波焦平面阵列, 截止波长为12 μm, 有效像元率为97%, netd最高达到270 mk, 器件性能有待优化。2012年又报道了高性能1024×1024/18长波焦平面阵列, 采用m势垒结构, 量子效率大于50%, netd约为27 mk。2009年美国雷神夜视报道了256×256长波焦平面阵列, 截止波长10.5 μm, 工作温度80 k。2015年以色列scd公司报道了640×512/15 pelican-d长波焦平面探测器, 截止波长9.5 μm, 有效像元率大于99%, 量子效率为48%, netd为15 μm, 整机重量750 g, 如图17所示。
图16 1k×1k 长波t2sl fpa在80 k下成像
fig.16 1k × 1k long wave t2sl fpa imaging at 80 k
图17 640×512/15 pelican-d长波焦平面探测器组件及成像图
fig.17 640 × 512/15 pelican-d long wave focal plane detector assembly and imaging diagram
4.4 双色及多色探测器
在inas/gasb t2sl多色探测器研究中, 美国、德国和以色列等国家一直处于世界领先地位[16,17,18]。美国northwestern university量子器件中心以inas/gasb t2sl材料体系实现了从短波、 中波到长波波段的多色探测。首次报道了短波/中波双色640×512红外焦平面器件, 短波通道结构pin异质结, 中波通道结构为n-m-π-p。中波通道通过引入inas/gasb/alsb/gasb势垒超晶格抑制器件暗电流[19]。焦平面成像如图18所示, 在150 k工作温度下, 器件短波和中波段截止波长分别为2.2 μm和5 μm。从图中可以看出, 短波段通道与中波段通道在火焰成像、蓝宝石眼镜成像以及背景等方面存在不同的成像特征。此外, 2016年该团队通过双电极偏压调制实现了高性能的短/中/长波三色探测器。中波和长波通道采用inas/gasb t2sl结构, 短波通道使用inas/gasb/alsb/gasb “m”型超晶格既可作为短波响应, 也可作为中波和长波的势垒。2010年德国fraunhofer实验室首次报道了实用型的中波/中波288×384双色焦平面探测器[20], 蓝色通道的netd达到了18 mk, 红色通道则达到了10 mk, 显示出极高的成像质量及较低的光学串扰, 如图19所示。
图18 150 k下640×512 t2sl双色红外焦平面成像
fig.18 640 × 512 t2sl dual-color infrared focal plane imaging at 150 k
图19 77 k下中波双色焦平面成像
fig.19 mid-wave dual-color focal plane imaging at 77 k
在目前的多色红外探测器研究中, 如何通过器件结构设计降低光学串扰是多色红外探测器中存在的关键问题之一。此外, 近年来随着inas/inassb及其相应的势垒超晶格在能带设计和材料外延上的突破, 基于inas/inassb t2sl体系的红外探测器研究得到迅速发展。因此, 基于pbp双色器件结构, 将inas/inassb t2sl取代其中的inas/gasb t2sl理论上能够实现高工作温度下的中/短波双色红外探测。
4.5 inassb探测器
inassb属于三元合金材料, 通过调节insb和inas的比例能够调节禁带宽度[21,22,23]。inassb的晶格常数与外延衬底gasb匹配, 150 k温度下截止波长在4.2 μm左右。inassb探测器的材料结构主要采用nbn、xbn、pbp等来减小器件内部暗电流, 实现高工作温度。nbn结构是在两个n型半导体材料之间插入一层势垒层, 没有传统pn结的耗尽层, 因此与耗尽层相关的g-r电流和隧穿电流被大幅减小。通过势垒结构在导带和价带上的带阶设计, 在减小噪声的同时, 不会对光生载流子的传输产生明显影响。此外, nbn结构有利于减小表面漏电流, 由此减小对表面钝化工艺的要求。
首款商用的inassb探测器是由santa barbara focalplane开发完成, 工作温度在145~175 k之间。ircameras公司的quazirhd camera采用santa barbara focalplane提供的1280×1024/12 inassb焦平面阵列, 工作寿命可达25000 h, 功耗约为5 w。scd公司的inassb焦平面阵列主要采用xbn结构, 其hercules产品的阵列规模为1280×1024, 像元中心距为15 μm, 帧频为100 hz, netd小于25 mk, 有效像元率大于99.5%, 工作温度为150 k, 工作波段为2.0~4.2 μm, 如图20所示。将探测器工作温度由80 k提升到150 k后, 能够显著减小探测器组件的功耗、启动时间、重量等, 如图21所示。scd公司已将inassb焦平面阵列开发成货架产品, 并且计划将现有insb产品系列均开发相同规格的inassb焦平面探测器产品。2015年cyan systems发布了一款2 040×1 156/5的超大inassb焦平面阵列, 是目前阵列规模最大, 像元最小的inassb焦平面阵列。
图20 1 280×1 024 hercules xbn焦平面阵列
fig.20 1 280×1 024 hercules xbn focal plane array
图21 高工作温度探测器明显优势
fig.21 obvious advantages of the high operating temperature detector
4.6 inalsb探测器
inalsb是根据第三代红外探测技术的要求对insb材料的进一步发展[24,25]。alsb的禁带宽度为2.386 ev, insb的禁带宽度为0.235 ev, 在insb中加入少量的al组分能够有效提升禁带宽度, 从而减小由温度升高引起的热噪声。insb在77 k温度下截止波长为5.4 μm, 加入al组分后吸收波长向短波偏移 根据经典varshni模型, 4.8 μm截止波长的inalsb中al组分为1.83%, 与insb衬底的晶格失配为0.095%, 有利于实现高质量、低缺陷的外延材料生长。此外, 基于insb的焦平面红外探测器制备技术已经十分成熟, 由于al组分很少, 在探测器制备工艺上inalsb与insb的兼容性很高, 有利于制备出大面阵、高质量的焦平面阵列器件。
2003年英国qinetiq公司采用分子束外延的方式生长了insb和inalsb材料。其制备的inalsb p+-n-n+结构焦平面器件中al组分为3.5%, 截止波长4.2 μm。2005年以色列的scd公司制备出320×256的inalsb焦平面器件, 同样采用p+-n-n+结构, al组分为1.8%, 截止波长4.8 μm, 暗电流和insb相比低一个数量级, 在110 k的工作温度下能够对1.5 km外的电线杆清晰地成像, 如图22所示。但由于p+-n-n+结构中耗尽层的影响, 130 k以下inalsb器件的暗电流仍以g-r电流为主, 没有达到扩散限, 如何进一步减小器件内部暗电流是提升工作温度的关键所在。
图22 scd公司320×256 inalsb探测器对1.5 km外电线杆成像
fig.22 image of a telephone pole far away 1.5 km by scd’s 320 × 256 inalsb detector
5 未来发展趋势
随着mocvd和mbe等外延生长技术的应用, 器件制造技术与材料生长技术将更加密不可分; 先进的硅集成电路设计与制造技术、计算机信息处理技术使得探测器具备更多的功能和信息处理手段。
未来锑化物探测器的技术发展主要体现在:
(1) 光敏元数量向大规模、超大规模阵列方向发展, 例如美国已经制订8 k×8 k乃至更大规模阵列焦平面的发展规划。光敏元尺寸向更小方向发展, 8 μm像元中心距的产品已有相关产品报道, 并且将进一步减小到5 μm甚至更小。在具体的焦平面芯片制备工艺方面, 为降低生产成本, 提高制造成品率, 则呈现多种工艺路线并存的局面[26]。
(2) 在读出电路发展方面, 借助于微电子技术的发展, 其阵列规模不断增大, 功能越来越强, 视窗选择、 盲元剔除、非均匀校正、探测器信号模数转换、高速传输及预放大处理、2d或3d图像处理等功能已经或即将出现, 智能化成为发展方向。
(3) 信息处理的标准化、模块化, 使得前置放大或预处理电路逐步成为探测器的有机组成部分; 二元光学技术的应用及设计理念的变更, 加速了部分系统光学零部件向探测器的集成。
锑化物红外探测器领域技术发展路线如图23所示。预期至2025年, 锑化物探测器阵列规模将达8 k×8 k, 像元中心距可达5 μm, netd在5~10 mk左右, 光谱拓展到16 μm, 探测器可在150~180 k温度条件下正常工作, 达到热电制冷温度区域; 至2030年, 探测器的发展将主要集中于swap-c方面, 虽然阵列规模、像元尺寸不会有太大变化, 但器件性能将进一步提高, netd可达1 mk水平, 工作温度可提高至200 k以上, 具备智能化信息处理能力, 同时成本将大幅降低, 能够满足更多的应用需求; 至2035年, 基本实现以“超越规模”为基本特征的四代器件技术, 完成以光学系统集成、“超越像元”为特征的高端四代器件技术。
图23 锑化物红外探测器领域发展路线图
fig.23 roadmap for the development of antimonide infrared detectors
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