InSb焦平面探測器的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

趙建忠

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InSb焦平面探測器的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

趙建忠

（華北光電技術(shù)研究所，北京 100015）

本文通過對(duì)紅外技術(shù)發(fā)展歷程的回顧，簡要介紹了銻化銦材料的一些基本特性，通過對(duì)國外主要銻化銦材料、探測器研制生產(chǎn)單位的產(chǎn)品、性能指標(biāo)的分析，歸納出銻化銦材料、探測器的主要技術(shù)路線，并對(duì)未來銻化銦材料、探測器的發(fā)展趨勢進(jìn)行了分析。

銻化銦；焦平面探測器；擴(kuò)散；注入；數(shù)字化

0 引言

自19世紀(jì)初期，英國物理學(xué)家赫胥爾發(fā)現(xiàn)紅外線以來，紅外探測器經(jīng)歷了多年的緩慢發(fā)展；在二戰(zhàn)后期受戰(zhàn)爭需求和技術(shù)發(fā)展的推動(dòng)，紅外探測器的研究逐漸開始受到人們的重視；并首先在鉛鹽類探測器如硫化鉛（PbS）、硒化鉛（PbSe）、碲硒鉛（PbSeTe）獲得突破，研制出多款可實(shí)用化的相關(guān)產(chǎn)品，推動(dòng)了武器裝備的發(fā)展，如美國著名的響尾蛇空空導(dǎo)彈，采用PbS探測器首次實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)彈的自主跟蹤打擊。

隨著需求的推動(dòng)和研究的深入，在20世紀(jì)50年代中后期銻化銦（InSb）材料問世，很快就受到人們的重視，各國研究機(jī)構(gòu)相繼展開深入的研究，發(fā)展了多種規(guī)格的探測器產(chǎn)品，性能大幅提升，至60年代中后期逐漸替代了PbS探測器，如響尾蛇空空導(dǎo)彈開始采用InSb探測器制導(dǎo)，導(dǎo)彈性能獲得極大的改進(jìn)，并在多種武器系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用，成為3～5mm中波紅外波段應(yīng)用中一種主要探測器，西方發(fā)達(dá)國家如美國、英國、法國、以色列、俄羅斯都建立相應(yīng)的研究生產(chǎn)機(jī)構(gòu)。圖1為紅外材料及探測器的發(fā)展歷程。

InSb紅外探測器的發(fā)展也逐漸由20世紀(jì)六七十年代單元、少元、多元線列的一代器件向面陣凝視、超大面陣方向發(fā)展，90年代末至本世紀(jì)初，InSb焦平面探測器技術(shù)基本成熟，進(jìn)入大規(guī)模應(yīng)用階段。應(yīng)用領(lǐng)域也逐漸從導(dǎo)彈精確制導(dǎo)、紅外成像等向衛(wèi)星預(yù)警探測、機(jī)載搜索偵察、艦載車載、手持等紅外觀察裝備擴(kuò)展，大大提升了武器裝備的技術(shù)水平[1]。

InSb屬于Ⅲ-Ⅴ族二元化合物半導(dǎo)體，晶體結(jié)構(gòu)為穩(wěn)定的閃鋅礦結(jié)構(gòu)，具有極高的本征電子遷移率，最大的電子漂移速度和最小的電子有效質(zhì)量。材料熔點(diǎn)530℃，77K下禁帶寬度0.228eV，光譜響應(yīng)范圍1～5mm，表1為銻化銦材料的一些基本特性[2]。

圖1 紅外材料及探測器的發(fā)展歷程

表1 銻化銦材料的基本特性

尤其在1～5mm光譜范圍內(nèi)，銻化銦材料具有非常高的量子效率，該特性使得銻化銦探測器在中波波段表現(xiàn)出極高靈敏度，可以滿足許多嚴(yán)苛的使用要求，圖2為InSb探測器在1～5mm光譜范圍內(nèi)量子效率曲線。

綜合以上分析可以發(fā)現(xiàn)，InSb材料物理特性非常穩(wěn)定；易于獲得純度高、位錯(cuò)密度低的晶體材料；具有很好的工藝兼容性，器件特性非常穩(wěn)定；在1～5mm紅外波段，具有可達(dá)到90%以上的量子效率。

1 銻化銦材料發(fā)展?fàn)顩r

經(jīng)過多年的發(fā)展，InSb紅外材料器件技術(shù)主要集中到西方發(fā)達(dá)國家各大軍工企業(yè)手中，美國Galaxy Compound Semiconductors公司，英國的Wafer Tech（WT）公司，加拿大的Firebird公司是InSb材料的主要供應(yīng)商。

InSb材料主要有兩種制備方法：切克勞斯基（Czochralski）直拉法和水平布里奇曼（Bridgman)法。經(jīng)過初期的技術(shù)比較驗(yàn)證，目前主流技術(shù)途徑是采用Czochralski法生長銻化銦晶體。并已生產(chǎn)出多種規(guī)格高質(zhì)量銻化銦晶片[2]。圖3為Czochralski直拉法長晶原理圖。

隨著應(yīng)用需求的推動(dòng)，銻化銦材料技術(shù)發(fā)展迅猛，產(chǎn)品規(guī)格不斷擴(kuò)大，質(zhì)量不斷提高，逐步實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，圖4為銻化銦材料的發(fā)展路線圖。

通過以上分析可以看到銻化銦材料良好的發(fā)展?jié)摿Γ壳耙褜?shí)現(xiàn)5英寸、低位錯(cuò)密度晶片的產(chǎn)品化，并正在開展6英寸、8英寸以及Epi-ready級(jí)晶片材料商業(yè)化研究，這將進(jìn)一步提高探測器產(chǎn)量，降低探測器價(jià)格，更好地推動(dòng)高性能紅外探測器的廣泛應(yīng)用。

2 銻化銦探測器的發(fā)展?fàn)顩r

自20世紀(jì)50年代末銻化銦材料出現(xiàn)以來，各國投入了大量科研力量開展相關(guān)研究，初期主要以一些研究機(jī)構(gòu)、院校為主，隨著研究的深入以及技術(shù)前景的明朗，在90年代初多個(gè)軍工企業(yè)對(duì)相關(guān)公司進(jìn)行了兼并，在銻化銦探測器研究方面，主要以西方發(fā)達(dá)國家為主，如美國的雷聲公司、洛克希德馬丁公司、L3通信公司、FLIR公司；英國Selex公司、QinetiQ公司；法國Sofradir公司；以色列SCD公司等。以下為一些典型公司的發(fā)展?fàn)顩r。

2.1 美國雷聲的RVS公司

于1993年收購Amber Engineering公司，1998年收購了休斯飛機(jī)公司的Santa Barbara研究中心（SBRC）等，逐漸建立起完整InSb探測器的產(chǎn)品研發(fā)生產(chǎn)線，形成多個(gè)產(chǎn)品系列，用于精確制導(dǎo)、機(jī)載、艦載、航天等多個(gè)領(lǐng)域，并很快形成了規(guī)模生產(chǎn)。1998年～2002年平均年產(chǎn)即超過3000套InSb焦平面探測器產(chǎn)品，如圖5[3]所示，目前仍在大量生產(chǎn)，研制的相關(guān)產(chǎn)品獲得很好的應(yīng)用，如圖6、圖7、圖8是其一些產(chǎn)品的應(yīng)用情況。表2為相關(guān)產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)，圖9為美國雷聲公司利用90mm InSb晶片制備2k×2k芯片，體現(xiàn)很高的技術(shù)水平和技術(shù)特點(diǎn)。

圖2 InSb探測器在1～5mm光譜范圍內(nèi)量子效率曲線

圖3 Czochralski直拉法長晶原理圖

圖4 銻化銦晶體材料發(fā)展路線圖

圖5 美國雷聲RVS公司1998年-2002年的InSb探測器的生產(chǎn)規(guī)模

圖6 256×256/384×288InSb焦平面探測器組件

圖7 640×512 InSb焦平面探測器組件

圖8 1k×1k、2k×2k、4k×4k InSb焦平面探測器組件

圖9 美國雷聲公司利用90mm InSb晶片制備的2k×2k芯片

2.2 美國洛克希德馬丁公司

于1993年收購了圣塔巴巴拉焦平面公司（SBF），開始大力發(fā)展InSb焦平面技術(shù)，到90年代末基本成熟，并很快形成產(chǎn)品系列（相關(guān)產(chǎn)品指標(biāo)見表3）。

洛馬公司前期推出的SBF191 640×512 InSb紅外焦平面探測器，設(shè)計(jì)非常靈活，采用數(shù)字化工作模式，可滿足不同客戶的需求，提供640×512、512×512、640×480和400×400格式?？梢宰x出任意感興趣的某一個(gè)矩形像元區(qū)，因此得到較高的幀速和縮短了獲取信息的時(shí)間，例如在運(yùn)行中可從幀頻為120Hz、窗口為640×512大場景觀察模式直接切換到幀頻為1kHz、窗口為128×128小視場跟蹤模式來跟蹤目標(biāo)。表4列出SBF191的性能，圖10為相關(guān)產(chǎn)品。

2.3 美國CMC公司

美國L3通信公司所屬的CMC Electronics Cincinnati公司研制的InSb焦平面技術(shù)，到90年代末基本成熟，形成256×256、640×512、1k×1k、2k×2k規(guī)格InSb焦平面探測器，獲得廣泛應(yīng)用，產(chǎn)品系列見圖11，基本技術(shù)指標(biāo)見表5[4-5]。

表2 美國雷聲公司相關(guān)銻化銦產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)

表3 美國洛克希德馬丁公司的銻化銦相關(guān)產(chǎn)品指標(biāo)

表4 SBF191產(chǎn)品相關(guān)指標(biāo)

圖10 SBF191產(chǎn)品

圖11 美國CMC Electronics Cincinnati公司研制的InSb焦平面探測器

同時(shí)該公司采用一條較為獨(dú)特的技術(shù)路線[4-5]，首先將成結(jié)的銻化銦晶片與硅片鍵合后進(jìn)行減薄，然后完成陣列的加工以及倒裝互連，構(gòu)成一硅襯底的銻化銦焦平面探測器，如圖12。

圖12 CMC公司InSb焦平面探測器結(jié)構(gòu)剖面示意圖

該結(jié)構(gòu)探測器采用硅-硅結(jié)構(gòu)，具有完美匹配的熱膨脹系數(shù)，理論上可以制出更大尺寸FPA，目前已研制出2k×2k FPA。由于硅襯底支撐了所有像元，不需要用環(huán)氧樹脂作填充材料，并且像元間相互獨(dú)立，從而克服了由于ROIC或InSb器件內(nèi)熱應(yīng)變使性能不斷退化問題。同時(shí)與平面結(jié)構(gòu)相比，網(wǎng)狀像元消除了鄰近像元間的串?dāng)_，提高了分辨力。最后這種前光照結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使P-N結(jié)和入射光子最接近，允許在整個(gè)1～5mm紅外波段有較高的收集效率。

2.4 以色列SCD公司

SCD公司全稱“SEMI CONDUCTOR DEVICES”，1986年由以色列當(dāng)時(shí)的Elbit系統(tǒng)和Rafael公司合伙成立的。以InSb紅外探測器為主要發(fā)展方向。SCD公司的員工超過450名，每年向全球市場至少提供7500套各種規(guī)格的探測器產(chǎn)品。并于2007年在美國成立了SCD USA infrared公司，主要供應(yīng)美國加拿大市場。圖13為SCD公司銻化銦探測器的發(fā)展路線圖。

SCD公司經(jīng)過多年的發(fā)展建立了完善的產(chǎn)品系列，產(chǎn)品規(guī)格由320×256發(fā)展到640×512、1280×1024、1920×1536，探測器中心間距15～30mm，讀出電路由模擬方式發(fā)展為數(shù)字化方式，并在體晶InSb探測器基礎(chǔ)上擴(kuò)展了外延InSb和InAs/GaSb二類超晶格器件，產(chǎn)品很好地滿足了系統(tǒng)小型化、輕型化、低功耗和可靠性的發(fā)展要求[6]。2014年推出了國際上最高水平的10mm像元間距的1920×1536數(shù)字化輸出的InSb焦平面探測器產(chǎn)品。表6為SCD公司的相關(guān)產(chǎn)品及技術(shù)指標(biāo)，圖14為高溫工作的640×512產(chǎn)品，圖15為1280×1024產(chǎn)品及應(yīng)用成像圖[6]。

圖13 SCD公司InSb產(chǎn)品發(fā)展路線圖

表6 SCD公司的相關(guān)產(chǎn)品及技術(shù)指標(biāo)

圖14 高溫工作的640×512產(chǎn)品

2.5 英國QinetiQ公司

英國是最早從事紅外探測器研究的國家，有多家研究機(jī)構(gòu)，在InSb探測器方面開展了廣泛的研究，技術(shù)水平居于國際先進(jìn)。如英國QinetiQ公司采用分子束外延（MBE）工藝，在高摻雜的InSb襯底上外延InSb薄膜，研制了像元間距為26mm的1024×768大格式的InSb FPAs。NETD約12～15mK@300～310K，圖16為產(chǎn)品的成像圖，體現(xiàn)極高的性能水平。

圖15 SCD公司Hercules（1280×1024，15mm）產(chǎn)品及8km高空成像圖

圖16 英國QinetiQ InSb 1024×768 FPA的成像圖

3 結(jié)論

通過以上分析可以看到，在中波波段InSb探測器具有非常突出的技術(shù)優(yōu)勢，技術(shù)水平不斷提高，新產(chǎn)品不斷推出，探測器制造技術(shù)日益成熟，探測器價(jià)格逐漸降低。應(yīng)用領(lǐng)域覆蓋精確制導(dǎo)、便攜成像、車載、艦載、機(jī)載、航天等。探測器規(guī)格從128×128、640×512等中小規(guī)模擴(kuò)展到1k×1k、2k×2k、4k×4k，大規(guī)格探測器廣泛應(yīng)用。1k×1k規(guī)格的探測器，已經(jīng)逐漸成為主流產(chǎn)品。

另外數(shù)字化技術(shù)全面應(yīng)用，探測器性能進(jìn)一步提高。如洛馬公司最近推出的探測器SBF200型探測器，采用數(shù)字式讀出電路，改善了探測器的加工工藝，探測器F數(shù)為5.2時(shí)，NETD小于10mK，如果F數(shù)選擇2，NETD小于5mK。

高溫工作銻化銦探測器全面發(fā)展，工作溫度不斷提高，110K高工作溫度的探測器已研制成功，探測器組件體積進(jìn)一步降低，進(jìn)一步提高紅外焦平面探測器工作溫度將是未來一個(gè)主要研究方向。

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Development Situation and Trend of InSb Infrared Focal Plane Array

ZHAO Jianzhong

(,100015,)

This paper briefly introduces some basic characteristics of InSb material by reviewing development history of infrared technology. This paper concludes main technology path of InSb material and IRFPA by analyzing product and performance indexes of main InSb material and IRFPA abroad research and manufacturer. This paper analyzes development trend about InSb material and IRFPA technology in the future.

InSb，IRFPA，diffusion，ion implantation，digitization

TN215

A

1001-8891(2016)11-0905-09

2016-09-25；

2016-10-18.

趙建忠（1966-）男，研究員，碩士研究生，主要研究方向?yàn)楣怆娞綔y器技術(shù)。