大面陣碲鎘汞紅外焦平面陣列發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)

史漫麗，凌 龍

(北京空間機(jī)電研究所, 北京 100094)

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【光學(xué)工程與電子技術(shù)】

大面陣碲鎘汞紅外焦平面陣列發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)

史漫麗，凌 龍

(北京空間機(jī)電研究所, 北京 100094)

紅外焦平面組件是空間紅外光學(xué)遙感器的核心器件， 隨著空間紅外遙感對(duì)探測(cè)目標(biāo)的空間分辨率、時(shí)間分辨率、波段特性的要求不斷提高，紅外焦平面探測(cè)器將向著擴(kuò)展波長(zhǎng)范圍、減小光敏元尺寸、增加器件規(guī)模等方向發(fā)展。介紹了國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家在大面陣紅外焦平面陣列技術(shù)研究的先進(jìn)技術(shù)，并分析了美國(guó)、法國(guó)、英國(guó)和德國(guó)的大面陣紅外焦平面技術(shù)特點(diǎn)，提出了紅外探測(cè)器未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

大面陣;紅外焦平面陣列技術(shù)

空間紅外光學(xué)遙感技術(shù)是當(dāng)今世界發(fā)展迅猛的技術(shù)之一[1]?？臻g遙感的進(jìn)步是增強(qiáng)國(guó)家經(jīng)濟(jì)實(shí)力、科技實(shí)力乃至綜合國(guó)力的重要因素[2,4]。空間紅外光學(xué)遙感器在遙感、氣象、通信、資源普查和高分辨率對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星上都有廣泛的應(yīng)用。另外又由于紅外探測(cè)的隱蔽性并且不受環(huán)境影響，空間紅外光學(xué)遙感技術(shù)至今一直是軍事領(lǐng)域的“寵兒”[5]。

紅外焦平面組件是空間紅外光學(xué)遙感器的核心器件，在遠(yuǎn)距離上可有效提高紅外光學(xué)遙感器的探測(cè)靈敏度，獲得極高的圖像分辨率，大幅度提高系統(tǒng)的探測(cè)能力。 紅外焦平面技術(shù)是推進(jìn)航天遙感器技術(shù)發(fā)展的瓶頸技術(shù)[6,7]。隨著空間遙感技術(shù)的發(fā)展，航天對(duì)探測(cè)目標(biāo)的空間分辨率、時(shí)間分辨率、輻射分辨率以及波段特性的要求越來(lái)越高[8]。例如，空間分辨率由原來(lái)的幾百米提高到10 m、5 m，甚至1 m。光譜分辨率由幾十個(gè)納米提高到一兩個(gè)納米，等等。這些指標(biāo)都要求紅外焦平面技術(shù)需要擴(kuò)大探測(cè)波長(zhǎng)范圍、減小光敏元尺寸、增加探測(cè)器規(guī)模發(fā)展。

大面陣紅外焦平面陣列在遙感、氣象、通信、資源普查和高分辨率對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星上具有廣泛的應(yīng)用[9-11]。西方主要發(fā)達(dá)國(guó)家一直投巨資進(jìn)行研發(fā)，加速發(fā)展，已經(jīng)形成多種產(chǎn)品，應(yīng)用于衛(wèi)星預(yù)警、衛(wèi)星遙感、太空天文探測(cè)等領(lǐng)域，遙遙領(lǐng)先于我國(guó)[12-13]。目前，我國(guó)星載紅外探測(cè)器設(shè)備技術(shù)落后，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足國(guó)民經(jīng)濟(jì)日益發(fā)展的需要。由于紅外領(lǐng)域的敏感性，國(guó)外對(duì)我國(guó)技術(shù)上進(jìn)行封鎖，國(guó)內(nèi)相關(guān)單位從國(guó)外進(jìn)口640×512、1 024×1 024等規(guī)格的高性能制冷型凝視紅外焦平面探測(cè)器組件幾乎不可能。因此，對(duì)紅外焦平面技術(shù)進(jìn)行自主研發(fā)，使大面陣紅外焦平面組件應(yīng)用于衛(wèi)星系統(tǒng)，是目前亟待解決的問(wèn)題。

紅外焦平面技術(shù)的發(fā)展將打破國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家在核心元器件上的技術(shù)封鎖[14]，夯實(shí)衛(wèi)星應(yīng)用產(chǎn)業(yè)發(fā)展基礎(chǔ)，提升自主衛(wèi)星研發(fā)創(chuàng)新能力，實(shí)現(xiàn)我國(guó)衛(wèi)星應(yīng)用產(chǎn)業(yè)自主化、規(guī)模化和商業(yè)化。

本文簡(jiǎn)要介紹了碲鎘汞紅外焦平面陣列的優(yōu)勢(shì)，介紹國(guó)外西方國(guó)家先進(jìn)的碲鎘汞紅外焦平面陣列技術(shù)，分析了紅外焦平面陣列的發(fā)展方向。

1 碲鎘汞紅外焦平面陣列優(yōu)勢(shì)

HgCdTe焦平面陣列是目前所有焦平面陣列中集成度最高，最引人注目的焦平面陣列[15,16]。碲鎘汞制冷型紅外焦平面陣列在空間光學(xué)遙感中應(yīng)用較多，與其他非制冷型紅外焦平面陣列相比，具有很多優(yōu)勢(shì)。碲鎘汞化合物屬于窄禁帶半導(dǎo)體材料，在本征激發(fā)下具有高吸收系數(shù)和高量子效率，還有高的探測(cè)率。通過(guò)改變Hg、Cd配比調(diào)節(jié)響應(yīng)波段，使得探測(cè)器工作在1～20μm紅外光譜區(qū)段并獲得最佳性能[17]。同樣的響應(yīng)波段，工作溫度越高，可工作溫度范圍也越寬[18]。

2 國(guó)外大面陣紅外焦平面陣列研制狀況

在美國(guó)、法國(guó)和英國(guó)、德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家，單色碲鎘汞紅外焦平面技術(shù)已經(jīng)基本成熟，長(zhǎng)波碲鎘汞焦平面器件研制水平已達(dá)到640×512元的規(guī)模，中、短波器件達(dá)到2 048×2 048 元的規(guī)模。國(guó)外進(jìn)行衛(wèi)星探測(cè)用的最先進(jìn)的紅外焦平面探測(cè)器已經(jīng)達(dá)到1 024×1 024元、2 048×2 048元、4 096×4 096元規(guī)模。下面就各國(guó)大面陣紅外焦平面陣列研制情況進(jìn)行介紹。

2.1 美國(guó)

美國(guó)在紅外焦平面的研究中一直處于領(lǐng)先地位，其憑借雄厚的經(jīng)濟(jì)實(shí)力，投入巨資于不同的研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行高端二代(長(zhǎng)線列掃描型、大規(guī)模凝視型等)或三代(超大規(guī)模凝視[19]、雙色/多色、智能型等)探測(cè)器方面的研發(fā)，令其他國(guó)家望塵莫及。

洛克威爾(Rockwell)研究中心研制的短波H2RG的2 048×2 048元碲鎘汞焦平面陣列，像元尺寸為18 μm×18 μm，其CMOS多路傳輸器讀出集成電路(ROIC),其刻度的每一、四象限曝光精度達(dá)0.05 μm，晶體管數(shù)達(dá)1 300萬(wàn)[20]，預(yù)計(jì)未來(lái)像元尺寸還會(huì)進(jìn)一步縮小。該焦平面陣列可以根據(jù)使用需要進(jìn)行拼接。該中心研制出的截止波長(zhǎng)為1.75 μm、2.5 μm、5.3 μm、中心間距為18 μm的4 096×4 096 型短波紅外焦平面探測(cè)器，由4個(gè)2 048×2 048元探測(cè)器拼接而成，成功應(yīng)用于天文觀測(cè)等領(lǐng)域。圖1是美國(guó)洛克威爾研究中心的2 048×2 048元碲鎘汞紅外焦平面探測(cè)器。

目前，美國(guó)洛克威爾研究中心已經(jīng)研制出H4RG的4 096×4 096元碲鎘汞焦平面陣列探測(cè)器，如圖2，像元有兩種尺寸：10 μm×10 μm、15 μm×15 μm，將用于紅外、可見(jiàn)的對(duì)地觀測(cè)及天文觀測(cè)。在快速運(yùn)行模式下速度可以達(dá)到5 MHz。

圖1 美國(guó)Rockwell研究中心的2 048×2 048元碲鎘汞紅外焦平面探測(cè)器

圖2 美國(guó)Rockwell研究中心的4 096×4 096元碲鎘汞紅外焦平面探測(cè)器

2.2 法國(guó)

法國(guó)受?chē)?guó)力限制無(wú)法效仿美國(guó)的發(fā)展模式，而是集中全國(guó)一切可用人才和資源組建法國(guó)紅外探測(cè)器(SOFRADIR)公司，專(zhuān)門(mén)研發(fā)碲鎘汞紅外焦平面，累計(jì)投資3億美元[21]，與西方其他國(guó)家相比，法國(guó)用于紅外焦平面研制的投入最少，但效果最佳。

法國(guó)面陣型碲鎘汞紅外焦平面探測(cè)器的研發(fā)工作始于20世紀(jì)90年代初，1/4電視制式的中波320×256元始于20世紀(jì)90年代中期，具有全電視制式,20 μm中心間距的中波640×512元大面陣器件于2002年開(kāi)始交付使用，中心間距為30 μm的短波1 000×256元紅外焦平面探測(cè)器已成功應(yīng)用于空間探測(cè)領(lǐng)域。目前，中心間距15 μm的中波1 280×10 24元凝視型紅外焦平面探測(cè)器已經(jīng)提供貨架產(chǎn)品，這是當(dāng)今最小中心間距的中波碲鎘汞紅外焦平面探測(cè)器，支持SXGA制式高分辨率高性能應(yīng)用。

DAPHNIS-HD MW是法國(guó)Sofradir公司一款預(yù)研1 280×720元面陣碲鎘汞紅外探測(cè)器，還未形成貨架產(chǎn)品。它支持16∶9的高清制式， 可以應(yīng)用于航空航天、海軍及陸地的各種探測(cè)領(lǐng)域[22]。該產(chǎn)品對(duì)于法國(guó)Sofradir公司來(lái)講是一次技術(shù)上的創(chuàng)新，它的像元尺寸比以往產(chǎn)品都小，僅有10 μm×10 μm，工作譜段3.4～4.9 μm，工作溫度110 K。該探測(cè)器組件將非均勻校正與盲源替換功能增加到電路中，方便用戶對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

圖3是法國(guó)SOFRADIR公司研制的碲鎘汞紅外探測(cè)器產(chǎn)品，其相應(yīng)的探測(cè)器芯片參數(shù)如表1所示。

圖3 法國(guó)SOFRADIR公司研制的探測(cè)器組件

指標(biāo)名稱(chēng)探測(cè)器芯片名稱(chēng)DAPHNIS?HDMWJUPITER?MW探測(cè)器光敏元1280×7201280×1024像元尺寸10μm×10μm15μm×15μm響應(yīng)譜段3．4～4．9μm3．7～4．8μm信號(hào)輸出抽頭44或8盲源率<0．3%<0．5%像元讀出速率8MHz20MHz幀頻100Hz120Hz(1280×1024，8抽頭，20MHz)NETD20mK(293K，50%wellfill，100Hz)<18mK

2.3 英國(guó)

英國(guó)Selex公司已研制出了中波1 024×768元碲鎘汞焦平面陣列組件，現(xiàn)已形成貨架產(chǎn)品，其主要性能為：光敏元中心間距16 μm×16 μm，噪聲等效溫差17 mK，工作波段3～5 μm，盲元率<0.02%。

英國(guó)SELEX公司現(xiàn)已研制出了EAGLE型長(zhǎng)波640×512元碲鎘汞焦平面陣列組件，現(xiàn)已形成貨架產(chǎn)品，其主要性能為：光敏元中心間距24 μm×24 μm，噪聲等效溫差 24 mK，工作波段8～10 μm，盲元率<1%，響應(yīng)率非均勻性<10%，組件工作溫度-45℃+70℃，適配斯特林制冷機(jī)。如圖4所示。

以上探測(cè)器相應(yīng)指標(biāo)見(jiàn)表2所示。

圖4 英國(guó)SELEX公司的1 024×768中波碲鎘汞焦平面組件

探測(cè)器相關(guān)參數(shù)指標(biāo)相應(yīng)參數(shù)相應(yīng)型號(hào)MERLINMWIREAGLELWIR探測(cè)器光敏元1024×768640×512像元尺寸16μm×16μm24μm×24μm響應(yīng)譜段3～5μm8～10μm信號(hào)輸出抽84像元讀出速率10MHz10MHzNETD17mK24mK工作溫度80～110K<110K

2.4 德國(guó)

德國(guó)AIM公司在部分引進(jìn)法國(guó)技術(shù)的基礎(chǔ)上，也大力發(fā)展大規(guī)模凝視型碲鎘汞紅外探測(cè)器，目前所研發(fā)的中波1 296×736規(guī)模的大面陣中波紅外焦平面探測(cè)器組件已達(dá)到較高水平，并開(kāi)始進(jìn)行軍事裝備應(yīng)用；AIM公司生產(chǎn)的中長(zhǎng)波HiPIR-640-MCT 640×512元碲鎘汞焦平面陣列組件(如圖5(上))主要性能為：光敏元中心間距15 μm×15 μm，工作波段3.4～5.2 μm，7.6～9.0 μm，中波噪聲等效溫差17 mK，長(zhǎng)波噪聲等效溫差30 mK，動(dòng)態(tài)范圍不小于800 dB,有效像元率>99.8%。

另外，短波ActlR-1024-MCT 1 024×256元碲鎘汞焦平面陣列組件(如圖5(下))主要性能為：光敏元中心間距24 μm×32 μm，工作波段0.9～2.5 μm，工作溫度：150 K,滿阱電子數(shù)：低增益檔1.2 Me-,高增益檔0.3Me-。

圖5 德國(guó)AIM公司的640×512中長(zhǎng)波探測(cè)器組件(上)及1 024×256元短波焦平面陣列組件(下)

3 國(guó)內(nèi)大面陣紅外焦平面陣列研制狀況

我國(guó)在碲鎘汞紅外焦平面的研制中起步較晚，還處于相當(dāng)落后的狀態(tài)[23]。目前，我國(guó)裝備的紅外探測(cè)器主要是第一代的光導(dǎo)型器件居多[24-25]。近年來(lái)在國(guó)家的大力支持下，在碲鎘汞紅外焦平面技術(shù)也取得了相當(dāng)大的進(jìn)展，相繼在長(zhǎng)波4×288、中波320×256碲鎘汞紅外焦平面器件技術(shù)上取得了突破，現(xiàn)已進(jìn)入組件工程化和裝備應(yīng)用階段，開(kāi)始應(yīng)用于紅外成像系統(tǒng)，替代進(jìn)口產(chǎn)品。

目前，國(guó)家在紅外焦平面探測(cè)器組件的研制中特別安排了相應(yīng)的研制條件保障建設(shè)項(xiàng)目，保障二代紅外焦平面組件研制所需要的工藝和條件，進(jìn)而保障探測(cè)器器件工藝的大面積、高均勻性、高可靠性的需求。國(guó)內(nèi)從事大面陣碲鎘汞紅外焦平面探測(cè)器研制的單位為：上海技術(shù)物理研究所、昆明物理研究所、華北光電研究所。目前，國(guó)內(nèi)中波320×256碲鎘汞紅外焦平面器件技術(shù)水平已經(jīng)相當(dāng)成熟，響應(yīng)譜段為3.4～4.9 μm，焦平面工作溫度80K。已經(jīng)在某試驗(yàn)衛(wèi)星上搭載，采集圖像數(shù)據(jù)良好。國(guó)內(nèi)一些科研機(jī)構(gòu)已經(jīng)研制出1 024×1 024碲鎘汞紅外焦平面探測(cè)器組件，并通過(guò)了相應(yīng)的環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)，已經(jīng)完成工程樣機(jī)的研制，有望應(yīng)用于軍事偵察等項(xiàng)目中。但在2 048×2 048及更大面陣碲鎘汞紅外探測(cè)器組件研制方面，尚屬空白。

國(guó)內(nèi)探測(cè)器研制水平同國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家相比還有很大的差距。目前，我國(guó)航天領(lǐng)域急需大規(guī)模紅外探測(cè)器組件，提高星載紅外探測(cè)水平，因此，必須加緊研制，使超大面陣凝視碲鎘汞紅外焦平面組件應(yīng)用于衛(wèi)星系統(tǒng)，讓我國(guó)的空間技術(shù)早日達(dá)到世界先進(jìn)技術(shù)水平。

4 紅外焦平面陣列技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

4.1 超大陣列集成規(guī)模

超大規(guī)模微電子集成電路制造技術(shù)是實(shí)現(xiàn)紅外焦平面陣列技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一?？臻g光學(xué)遙感對(duì)系統(tǒng)成像的分辨率和目標(biāo)識(shí)別能力的要求越來(lái)越高，使得提高系統(tǒng)焦平面紅外探測(cè)像元的集成度成為研究的必然趨勢(shì)。西方各國(guó)也正向著大面陣集成規(guī)模努力。

4.2 超長(zhǎng)波探測(cè)譜段

近年來(lái)，隨著通信衛(wèi)星、遙感衛(wèi)星商業(yè)化發(fā)展，截止波長(zhǎng)大于12.5 μm的紅外探測(cè)器也成為研發(fā)的對(duì)象。長(zhǎng)波紅外在對(duì)地表和云端溫度觀測(cè)方面得到了較好的應(yīng)用，成為高端對(duì)地觀測(cè)的重要探測(cè)譜段。未來(lái)，截止波長(zhǎng)大于12.5 μm的碲鎘汞凝視焦平面探測(cè)器將在國(guó)防和空間科學(xué)領(lǐng)域中發(fā)揮重大作用[4]。隨著遙感衛(wèi)星商業(yè)化的發(fā)展，長(zhǎng)波、甚長(zhǎng)波探測(cè)器將是未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)。

4.3 超小像元尺寸

碲鎘汞紅外焦平面陣列向超大面陣高密度陣列集成，縮小像元尺寸是必須的。大型或特大型高密度集成，尤其是100萬(wàn)像元以上的探測(cè)器像元集成焦平面陣列要求高精度的超大規(guī)模集成電路加工技術(shù)。焦平面陣列技術(shù)的發(fā)展在很大程度上取決于超大規(guī)模集成電路的進(jìn)展[5]。美國(guó)、法國(guó)的紅外探測(cè)器陣列的最小像元已經(jīng)達(dá)到了10 μm×10 μm的水平。未來(lái)的探測(cè)器像元將會(huì)向著更小的水平發(fā)展。

5 結(jié)束語(yǔ)

21世紀(jì)，紅外焦平面陣列技術(shù)已經(jīng)取得了很大的成就。根據(jù)紅外焦平面陣列在軍事、民事等方面的要求，未來(lái)紅外焦平面陣列將向著高密度、小像元、大芯片尺寸、多色工作、結(jié)構(gòu)上為單片或混合集成(甚至為三維)、高工作溫度、低功耗、小型輕量化且成本低的方向發(fā)展。

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(責(zé)任編輯 楊繼森)

Status and Development Trends of the HgCdTe Large Infrared Focal Array Technology

SHI Man-li， LING Long

(Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China)

Large Infrared Focal Array is the important module on space infrared remote sensor. As the space remote sensing highly require to detecting targets’ spatial resolution, temporal resolution, the band characteristic, infrared detectors need to extend the wavelength range, reduce the element size, increase the divice scale. This paper introduced the oversea advanced large infrared focal array technology in developed country, analyzs the product’s characteristic and system parameter. This paper analyzs the parameters of large infrared focal array, such as the USA, France, England and Germany. This paper indicated infrared focal array develop current.

large focal array; infrared focal array

2017-02-10；

2017-03-15

史漫麗(1985—)，女，碩士，工程師， 主要從事紅外遙感器電子學(xué)總體設(shè)計(jì)研究。

10.11809/scbgxb2017.06.033

format:SHI Man-li，LING Long.Status and Development Trends of the HgCdTe Large Infrared Focal Array Technology[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(6):151-155.

TN215

A

2096-2304(2017)06-0151-05

本文引用格式：史漫麗，凌龍.大面陣碲鎘汞紅外焦平面陣列發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2017(6):151-155.