一文了解红外探测器及红外芯片技术

一、红外探测器的应用为什么在战斗机上常看到球形的玻璃罩子？这里面装的是什么呢？下图是F35战机头部的光电系统：

下面是Su-57战机上的光电系统：

Su-57机身上的光电及雷达系统如图所示：

这些玻璃罩子里装的是红外探测器！

红外探测器是战机光电系统核心组成部分，对寻找目标和导弹告警起到关键作用！

在军事领域,由于红外探测系统能够有效提高战斗人员在烟雾及夜间环境下的目标识别能力,被广泛应用于坦克、装甲车及夜视镜等装备中,极大的提高了军队及单兵的作战能力；并且基于红外探测技术研制的自动跟踪导弹相对于普通的导弹武器具有更高的命中率；除此之外配合激光设备研制的精准制导武器可用于实现对敌后设施的精准打击。

在不同背景下,红外探测器观察到的战机图。

红外夜视仪不受照明条件影响且穿透能力强,在全黑夜间、雨雾天气以及远光灯照射等人眼能见度较低的情况下都有很好的夜视效果。

二、什么是红外辐射？为什么人们沐浴在阳光下,就会感觉到温暖？答案是红外辐射效应。早在1800年,来自英国的天文学家Mr.William Herschel用棱镜将太阳光分成七个单色光时,发现在红色光外的黑暗区域,温度反而更高,反复实验证明,在红外光一侧,存在一种肉眼不可见的“热线”,后来称为红外线,也就是红外辐射,英文名“infrared”,其拉丁文前缀“infra”的意思即是“下方”的意思,指可见色谱红端以下的区域。

至此,人类对电磁波波段的认知又增加了非常宽的范围,它存在于可见光和微波波段之间,介于0.75-1000μm的波长范围,与γ射线、X射线、紫外线、可见光、微波、以及无线电波等共同构成电磁波带。

当温度(红外辐射)从天空照射到地面时,需穿透大气中的气体,包裹地球的大气主要由气体(N2、O2、CO2、H2O、CH4、CO、O3……)、悬浮的各种尺度微粒尘埃、水滴等组成气溶胶,并对在大气层中传输的某些特定波段的电磁波产生反射、散射和吸收作用,使得电磁波辐射出现衰减。各电磁波衰减的程度不尽相同,透射率也不同,把受到大气衰减作用小，电磁波透过率高的波段叫做大气窗口。

上图显示了红外波段不同波长的电磁辐射在大气中传输的透射率。1.4-2.5μm的短波红外,3.0-5.0μm的中波红外和8.0-14.0μm的长波红外窗口,是红外探测最重要的三个大气窗口,在红外探测和遥感中应用广泛。三、红外探测器的分类如果人类的眼睛可以感知红外光,那么这个世界会呈现出可见光条件无法发现的各种特征,眼睛可轻易看清一片漆黑中的人和物,体温较高的人可瞬间被眼睛识别,物体结构中的薄弱位置也会被眼睛发现。实际上,人类的眼睛只能感知可见光,需要借助红外辐射能量的转化器才能看清红外光,这就是红外探测器,它用于将红外辐射中的能量转换为可测量的形式。现代红外探测器利用的主要是红外热效应和光电效应。F.W.赫歇耳在发现红外辐射时已经使用了最原始的热敏型红外探测器,即水银温度计。1829年,诺比利(L.Nobili)利用当时新发现的温差电效应,又称Seebeck效应,制成了一种以半金属Bi和Sb为温差电偶的热敏型探测器,称作温差电型红外探测器,也称真空温差电偶,并将众多热电偶串连在一起,发明了第一个热电堆。

1880年,朗利(Samuel Pierpont Langley)利用金属的电阻随温度变化的特性制成另一种热敏型红外探测器,称为测辐射热计,这是最早的Bolometer测辐射热计,在此基础上发展得到的微辐射热计MicroBolometer是最早进入商用领域的红外探测器。

上世纪40年代,高莱发明了一种利用气体热膨胀制成的气动型红外探测器,又称高莱管,同期,采用半导体材料制作的测辐射热计和温差电型红外探测器使探测器的性能得到进一步改进。60年代中期,出现了热释电探测器,如氧化钒(VOx),它具有高的电阻温度系数,被广泛应用于非制冷型的红外探测及成像领域。

光子型红外探测器是利用半导体的光电效应制成的红外探测器,20世纪中期,红外探测材料得以大量开发,如硫化铅(PbS)、硒化铅(PbSe)、碲化铅(PbTe)和锑化铟(InSb)红外探测器。50年代末,多元化合物红外探测材料使得频带间隙调节成为可能,其中II-VI族碲镉汞(Mercury Cadmium Telluride,HgCdTe,MCT)红外探测器因带隙可调,以禁带直接跃迁方式响应红外辐射使其对红外光高度敏感,红外吸收效率很高,在其被发明至今,一直是红外探测器制造的首选。近三十年,半导体材料科学的发展以及半导体微细加工技术的进步,推动了红外探测技术的快速发展,全新的量子调控概念被应用到新型的探测器材料中,如量子阱红外探测器(Quantum Well Infrared Photodetector,QWIP)和InAs/GaSb II类超晶格红外探测器。

光子型红外探测器分为光导型红外探测器和光伏型红外探测器两种,光导效应被史密斯(Willoughby Smith)发现。光伏效应由贝克勒尔(Edmund Becquerel)发现。光导型探测器的机理和光敏电阻的工作原理类似,都利用了材料的光电导效应,探测器吸收能量足够大的入射光子,载流子从束缚态被激发,使得自由载流子浓度增加,材料的电导率改变。

光伏型探测器利用了P型和N型半导体组成PN结的光生伏特效应。能量大于禁带宽度的红外光子在PN结吸收区内被吸收产生电子空穴对,内建电场使电子漂移至N区,空穴漂移至P区,形成光电压。光伏探测器易与互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor,CMOS)集成读出电路相匹配,所以目前红外焦平面(Infrared Focal Plane Arrays,IRFPA)探测器一般为光伏探测器。

红外焦平面阵列(Infrared Focal Plane Array,IRFPA)是红外探测系统的核心部件。它主要由红外探测器阵列与读出电路(Readout Integrated Circuit,ROIC)阵列通过铟柱倒焊互连组成。它将探测到的光信号转换为电信号并输出,因此IRFPA的性能直接决定了探测系统的优劣,IRFPA结构示意图如图。

红外探测器的发展经历了三代更迭,第一代主要是以单元、多元器件进行光机串/并扫描成像；第二代是线列或中小规模面阵焦平面；第三代红外焦平面,以大面阵、高分辨、高灵敏、多波段为特征,正处于蓬勃发展期。

四、红外探测器不同波段应用在实际应用中,红外探测器按探测波长一般可分为短波红外探测器、中波红外探测器和长波红外探测器（Long Wavelength Infrared, LWIR）。三种波长的红外探测正好覆盖了短中长三个大气窗口。短波红外探测器工作波长在1.0-3.0μm范围,在满月和晴朗星空条件下,月光的大部分光谱辐射亮度集中在短波红外波段,其中包括高温物体主动辐射和自然环境反射。短波红外探测器可在较高温度工作,制冷成本较低。中波红外探测器的探测波段在3.0-5.0μm范围。如果温度高于300K,一般用到中波红外探测系统,如尾焰目标,舰载探测。长波红外探测器探测波长在8.0-14μm,对于目标温度较低,大气传输路径长,大气环境特殊的情况,长波探测更具优势。当目标温度在300K其黑体辐射峰值波长在10μm,并且随着温度降低,其峰值辐射波长更长。

基于红外成像探测的海上舰船盯瞄是海上防御的重要手段和亮点,在海上,无论是夏季高温高湿的气相条件还是冬季干冷的气候条件,长波段红外的透过率均明显要高于中波段红外的透过率,因此从提高探测距离和信噪比的角度出发,选择长波红外要比中波有利。但长波红外焦平面探测器价格一直较为昂贵,最主要的原因是长波材料带隙狭窄,制备长波红外探测器工艺难度较大。

此外长波红外探测器抗海上亮带和鱼鳞波等自然干扰能力比较强,在抗人为干扰方面,如烟幕、诱饵等,长波红外探测器也要强于中波红外探测器。

五、红外探测器芯片材料介绍在长波芯片的材料选择上,MCT、QWIP和InAs/GaSb II类超晶格这三种材料技术都可实现长波红外探测。碲镉汞材料属于直接带隙半导体材料,可通过调节三种原子组份调节探测波长,覆盖1-30µm几乎整个红外波段,其吸收系数和量子效率通常高于80%。对于碲镉汞红外焦平面器件的生产与设计,截止波长超过12μm是一项巨大的挑战。由于禁带宽度较小,约为0.1eV,并且在这个波长范围内,探测器要求低盲元率,低暗电流和低噪声,对于这个波长,碲镉汞材料的禁带宽度很窄,要求使得生产的各个环节都有很高的要求,采用碲镉汞材料生产长波红外探测器难度大。

量子阱红外探测器材料是一种周期性异质结构材料,得益于分子束外延技术的发展,GaAs/AlGaAs量子阱材料得到广泛和深入的研究。量子阱是通过结构设计和周期厚度变化来实现对探测波长的调节,材料生长缺陷密度低,探测器制备工艺稳定,目前某些长波量子阱焦平面探测器已经商用化。但量子阱的光谱呈窄谱吸收,光跃迁属带内子带跃迁,只对平行于生长面的光响应,吸收系数和量子效率均较低。

InAs/GaSb II类超晶格是一种周期性的低维量子结构材料,具有能带灵活可调的特点,可以覆盖3-30µm中波至远红外波段。该红外探测器芯片工艺建立在较为成熟的III-V族化合物半导体技术之上,可以实现高性能的红外焦平面制备,特别是在长波和甚长波波段,具有优越的材料和器件均匀性,成为很有希望的红外探测技术,是当前红外焦平面技术研究的热点。

室温下,InAs的禁带宽度约为0.35eV,GaSb的禁带宽度约0.73eV,价带不连续性大于0.5eV,因此InAs和GaSb组合具有十分特别的能带排列,InAs的导带底位于GaSb的价带顶之下,构成“破带隙”II类超晶格。

当周期生长纳米厚度的InAs和GaSb时,即形成InAs/GaSb II类超晶格材料,其电子和空穴在空间上分离,电子限制在InAs层中,空穴在GaSb层中,芯片结构如下图所示。

六、二类超晶格红外探测器芯片技术InAs/GaSb II类超晶格长波红外焦平面制备使用3 inch圆晶材料,红外焦平面制备采用ICP刻蚀形成台面,并生长介质薄膜钝化保护,TiPtAu和In柱用于金属接触等,圆晶经减薄抛光和切割后制成红外焦平面器件。随后红外焦平面器件与读出电路倒焊互连,互连好的器件与基板粘贴牢固,贴平衡层平衡应力,最后去除衬底制备成焦平面模块。焦平面模块与杜瓦组件封装,芯片在制冷机中冷却后测试性能。探测器生产流程如下图：

在二类超晶格红外探测器的生产中，刻蚀台面的形成尤为重要，其中单元光电二极管的制备可以分为三个主要步骤：

(1)台面成形；

(2)钝化；

(3)金属化。

工艺流程如图所示：

刻蚀工艺介绍：蚀刻是半导体制造及微纳加工工艺中相当重要的步骤,蚀刻可分为湿法腐蚀和干法刻蚀两种,六十年代之前,在集成电路的制造中主要以湿法腐蚀为主,但随着器件制作进入微米、纳米时代,器件高度集成,湿法腐蚀的加工精度不能满足生产需求,同时干法刻蚀经历了一系列技术迭代,取得了很大进展。相对湿法腐蚀而言,干法刻蚀的优势较明显,其中ICP刻蚀技术具有刻蚀速度快、选择比高、各向异性好、刻蚀损伤小、片内和片间均匀性好、刻蚀断面轮廓可控和刻蚀表面平整等优点。ICP刻蚀是ICP产生的等离子体运动到器件表面发生物理化学反应,下图是ICP刻蚀反应过程示意图,辉光放电产生活性离子,然后活性离子与样品发生化学反应物理活性离子辅助打断化学键、加速反应物脱附、促进表面化学反应并去除表面的非挥发性残留。