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建新厂扩生产红外成像系统的大手笔

2007-11-13 15:08
小伊琳
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作者:Philippe Tribolet Sofradir

红外成像系统相对同类光学系统来说,存在以下三个好处:1)能够在晚上工作,它的图像对比度仅通过温差反映;2)在比较恶劣的天气条件下,可通过探测特殊波段的辐射展开工作;3)成像质量受太阳的反射光以及明亮光源的发光(如汽车前灯)的影响,特别是当探测带宽选择在8-12μm范围内的时候。

这样看来,这些基于半导体的成像器件很适合各种不同的日常应用。但是,高昂的成本限定了应用范围,比如在军事和空间研究上,它们主要用来监督和瞄准热物体,比如火箭和飞行器发动机。

军事上使用这些探测器始于上个世纪七十年代的第一代制冷相机,光电探测器的线性阵列被耦合到一个复杂的二维扫描系统中。到了八十年代的第二代相机中,在相机的焦平面上包含了一个信号预处理和多路传输的可读集成电路模块。但是这个只是在实验室中完成的,真正的商业化始于九十年代早期。
 


图.红外成像系统能够用到各种各样很宽广的应用范围中,但高昂的成本让普通消费者望而却步,它们被限制在军事和空间应用上,比如在晚上跟踪坦克行动。

第二代探测器的进步为高分辨扫描阵列时间延迟、集成、以及带焦平面信号处理的高分辨二维阵列开辟了道路。工作在中红外和远红外波段的制冷“staring”二维阵列,也得到了发展,他们被称为“第2.5代”红外探测器。这些成像器件大都在九十年代末进入商业市场,典型的阵列为320×256元或者640×512元,很适合导弹探测应用。这些第二代探测器的分辨率和性能有了很大的提高,目标捕获的有效范围扩大了两倍,能够在晚上6公里或更远距离处通过烟尘识别敌人的车辆。

这些不同代的红外成像仪采用不同的技术制造,探测器阵列分别由HgCdTe、InSb、InGaAs和GaAs量子阱制作的(图1)。每一种相应的探测器各有优点,每种探测器也有其独特的应用。

这些探测器的性能可通过它们在相同的温度下,识别一个红外背景下的小目标的能力来评价。在军事上,安全和监视应用就是采用探测器的这个性能作为测试依据,而成像仪的性能是根据探测或者识别范围以及处理反常天气的能力来评价的。
 


图1. 通过MBE和LPE方法生长的HgCdTe探测器,拥有比热探测器更好的物体识别能力,比如微辐射热仪以及那些基于InGaAs和InSb的热探测器。
Sofradir的近期产品包括一个第二代“Scorpio”探测器,它包含的芯片是用LPE法在2"的CdZnTe衬底上生长而成,640×512像素,像素间距为15μm。新的MBE法将用来生产其他产品,比如第三代多元多色的探测器。

最高级的探测器能够在距离物体10公里或者更远处成像,这取决于大气状况和海拔高度。它们适合很多不同的应用,其中包括导弹导航和跟踪、导弹预警、坦克和飞行视野的提升,执行侦察以及天气观测、农业监测、污染分析以及天文学观测等。探测范围在6-10公里的探测器还可以使用在科学研究上,比如分析像气体光谱学那样信号比较微弱的。

应用在这些范围的探测器都需要冷却,而它们主要采用了HgCdTe和InSb芯片。HgCdTe有几个优点(参看“HgCdTe的优势”),比如对光谱范围从可见光延伸至18祄波段的光都很敏感;高量子效率决定了高信噪比,以及相对较高的工作温度来降低制冷器的成本。多年来人们用LPE生产这些芯片,然而现在,我们都能用低成本的MBE法大量生产这些单频和双频芯片,它们分别覆盖短红外波长(1-3祄)和中红外波长(3-5祄)范围。

比较而言,InSb仅对中红外波段(3-5祄)敏感。技术局限性也阻碍了工作温度和小像素尺寸等性能的提高,从而导致了这种材料不适合大多数的应用需求。此外,量子阱红外光电探测器(QWIP)是另一种可行的技术,它能进行长波段的检测(8-12祄),但其帧速较慢,并需要较低的工作温度和II型超晶格,而后者仍在发展当中。

另一类探测器可以在2-6公里范围内的进行探测。它们可以为民用提供服务,比如炉火监测、安全方面的应用如警察监视和跟踪、边界监视、航空着陆时的视野强化;也能够为军用小型装甲车和一些无人驾驶飞机机型提供成像服务系统。在所有的应用中探测器必须要冷却。在一些应用中,选择一个高性能的探测器实际上能够降低整个系统的成本,这样可以减小光学系统的尺寸、简化信号处理过程,并减轻对系统高可靠性的约束。

针对超过检测距离的另一种红外探测器,它与那些在长波段工作的探测器相似。但是,如果能限定量子效率并允许相对高的暗电流,工作在远红外波段的QWIP确实物有所值。工作在稍短波长的InGaAs相机性能也颇具竞争力,但是当输入信号很低的时候,它们要受到读取电路的噪声的影响,而且它们在超过1.9祄的波段检测无效。

最后一类探测器用于在距离几十米到两公里之间的物体成像。它也能服务大众(民用),比如建筑检查、工业过程控制、工业场所监督、汽车驾驶功能增强、以及其他伴随这类探测器的成本降低而出现的应用。像微辐射热仪这样的非制冷热探测器,它的成像仪采用了完全和CMOS硅技术兼容的非晶硅技术,可为上述诸多应用提供方便,真是物有所
值!

法国地位
在法国,许多不同类型的单芯片探测器都已经商业化了,这个国家在红外探测器的发展中历史悠久,地位不可动摇。目前在格勒诺布尔地区有超过500个人从事红外探测器件的研究、发展和制造,这个地区因而成为这项技术在全球的集大成者。

这项研究受国家研究和发展中心CEA-Leti的领导,从上世纪七十年代开始发展红外探测器。几十年的积累被转移给Sofradir公司,该公司总部位于Chatenay-Malabry,而生产厂则位于Veurey-Voroize。我们在第2代和第2.5代探测器上用到了CEA-Leti的研究成果,并已经生产了13年以上。从2003年起,我们在ULIS厂建立了非晶硅微辐射热仪生产线。QWIP技术一直在法国的Thales研究和技术中心(TRT)开发,后来也跟我们合作进行了批量生产,InSb和InGaAs技术也是在法国发展起来的。

现在,我们通过ULIS制造出数千个制冷型红外探测器,上万个非制冷探测器。除此之外,我们最近为HgCdTe芯片生产新建了一个MBE 工厂,耗资900万欧元(1,210万美元),我们的材料生产力有望从2英寸跃至4英寸。如果我们在明年夏天能完成安装的话,我们的生产成本将会因为生产量和效率的提高而减少,也能够使我们制作出更大尺寸的芯片。而且,较低的成本一定会影响到长距离范围的探测器的价格,而该探测器也使用了我们的芯片;并且推动这种类型成像仪的销售量。红外探测器1/3的成本来源于焦平面阵列,因此降低芯片的制造成本对整个系统的价格有很大的影响。

第三代探测器
我们的新工厂将大量生产自己开发的第三代探测器。这些器件提供多色探测功能,并拥有大面积的带同质激活层的焦平面阵列,能够分辨更多的成像细节并在恶劣的天气下更有效地工作。

这些芯片将用MBE技术生产,能够在大尺寸衬底上生长出多色探测器所需的多层结构。MBE法替代了我们目前常用的方法,用LPE技术在晶格匹配的CdZnTe衬底上生长此芯片。由于市面上仅供应小尺寸衬底,现在许多工厂在开发硅或者GaAs平台,目的是降低成本并提供与读出电路兼容的热机械特性。但在法国,锗成为了首选材料,这是因为在MBE生长前,无论是非原位还是原位,它的氧化物的稳定性低,因此表面的制备不是什么问题了。
几年前在CEA-Leti已经演示了用MBE法在锗(211)上进行材料生长,所得材料适合制作更大的阵列。如今市面上供应4"或更大尺寸的衬底,可以用来制作高质量的二维短红外和中红外波长阵列的HgCdTe薄膜。我们计划在明年夏天利用两个不同规模的MBE反应室(1×4"和 3×4")大量生产此类阵列。相对于InSb 和 QWIP制造商来说,他们还在使用3"的衬底来量产(图2),而我们将转向在大尺寸衬底晶片上进行批量生产,由此看来我们更具优势;此外,这有助于我们提供像素间距为15祄 、1280×1024元的红外焦平面阵列,这个阵列相比那些具备较少像素的探测器来说,其成像分辨能力将会大幅度提高。

我们也会继续提高第三代探测器的性能,这样才能降低制作成本,乃至产品的销售价格。我们尤其要关注小像素间距和大阵列的发展,以及提高我们的雪崩光电二极管(APD)和多色探测器的性能。我们的HgCdTe APD是采用电子离子碰撞的独有设计,用来提供特殊的探测需要。这些电子激发的APD在仅有10V的反转偏置电压下会释放出千倍的增益。低偏置下的高增益结合低噪声因子使得这些APD特别适合集成在最新的FPA中。这些特性对于主动激光成像系统也非常理想,同时它们也能够服务于许多被动成像应用系统。

我们将继续开发面向多种焦平面阵列应用的HgCdTe芯片,并带动一系列高性能探测器的生产。我们的技术受益于电子激发APD,该先进技术有助于我们生产出性能远胜于其他同类竞争产品的探测器;从而满足我们的客户对更高性能产品的需求,降低系统的成本或者减少约束。

图2. 从CdZnTe衬底转换到锗衬底,能充分地增加每块晶片上的芯片数量。Sofradir将会在新工厂完工后就开始行动。随着6"锗衬底生产的商业化,是否有可能提供更大尺寸的试验晶片,衬底制造商们正在做实验。

HgCdTe的优势
HgCdTe固有的特性使之非常适合制造红外探测器。它的主要优点是通过改变组分可以获得宽的可调谐的带宽(参看右图)。因为CdTe和HgTe具有相同的晶格常数,这种可调谐是可行的,而且不会将较大的应力引入合金中。再者,相匹配的晶格常数有助于生长出具有少量缺陷和位错的多层结构。HgCdTe的另一个优点是它的载流子寿命长,这会导致暗电流很低,而且会使光电二极管的量子效率接近100%。
结合良好的材料特性,再加上采用了像CdTe 和 HgCdTe这样商业实用性好的合适衬底,两者为批量生产多样化的红外探测器提供可能。通过使用一个能够屏蔽近紫外和可见光的薄衬底,成像仪也能用背光源来组成,而且不会降低探测器的量子效率。

作者简介
Philippe Tribolet(电邮:Philippe.Tribolet@sofradir.com)是Sofradir的研发、技术和产品部门的副总裁。他负责法国和国际军事、航空宇宙和安全用品的产品规划。他的团队有80个工程师和技术人员组成,他们将从事HgCdTe生长以及硅基IC的设计工作。

声明: 本文由入驻维科号的作者撰写,观点仅代表作者本人,不代表OFweek立场。如有侵权或其他问题,请联系举报。

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