天文应用的红外列阵器件发展概况

本文叙述天文用红外列阵器件发展的背景和研制过程中遇到的主要困难以及可能的解决途径。在此基础上介绍了使用各种读出电路的列阵器件的基本原理和发展现状,最后介绍几种有代表性的高水平红外列阵器件及其天文应用情况。

用于SPITZER空间望远镜的红外列阵摄像机

红外列阵摄像机(IRAC)是Spitzer空间望远镜中的三台焦平面仪器之一。这是一台四通道摄像机,能够同时在3．6μm、4．5μm、5．8μm和8．0μm波长处获取宽带图像。四个通道成对地(3．6μm和5．8μm为一对,另一对为4．5μm和8μm)观测焦平面中两个靠得很近的5．2′×5．2′的视场。摄像机中的四个探测器列阵的尺寸均为256×256元,两个较短波长的通道使用InSb探测器,而两个较长波长的通道则使用Si：As IBC探测器。由于红外列阵摄像机具有高灵敏度、宽视场和四色成像功能,因此是一台得力的观察仪器。本文简单介绍该仪器在飞行中的科学、技术和工作性能．

可探测许多个红外波段的热红外列阵传感器

美国专利US6495829 (2002年12月17日公布) 非致冷型热红外列阵传感器难以通过单个器件来 探测许多个红外波段;碲镉汞双波段红外列阵传感器则难以探测三个以上的红外波段,而且需要冷却才能工作。

赖特实验室研制双色红外列阵

美国俄亥俄州的赖特实验室正在制订一个旨在开发低成本、非致冷导弹告警列阵的先进研究计划,该计划将于1997年或者1998年开始实施。美国陆军和高级研究计划局在发展低成本、非致冷焦平面列阵技术方面已经投入相当多的资金,赖特实验室的研究工作将以这些早期的努力为基础。其目的是开发红外列阵,在新的世纪到来之际。

64×64元InSb光伏红外探测器列阵性能表征

用改进的恒压微探针方法 ,对 6 4× 6 4元 In Sb凝视红外焦平面器件光伏探测器列阵芯片的性能进行了抽样检测和均匀性评价 .测得典型 6 4× 6 4元 In Sb芯片的探测器平均零偏阻抗为 42 MΩ (90 K) ,非均匀性为 2 0 % ;平均 10 0 0 K黑体响应率为 2 .8A/W,非均匀性为 6 .3% ;电学串音率 <2 % .

PbSc_(0.5)Ta_(0.5)O_3热释电材料及其红外探测器列阵

热释电红外探测器具有探测波长范围广、室温工作、无需致冷等优点。近年来,工作于介电方式下的PbSc0.5Ta0.5O3(PST)热释电材料由于具有热释电系数大,热释电探测优值高等特点,成为热释电应用研究的热点之一。本文综述了目前PST热释电陶瓷材料的介电,热释电性能及其探测器列阵的发展。由于小型化的要求,PST薄膜亦倍受关注,因此本文还对目前PST热释电薄膜的制备方法,薄膜的热释电、介电性能及薄膜型探测器结构和发展进行了概述。

测辐射热计红外焦平面列阵

非制冷测辐射热计红外焦平面列阵设计为桥式结构，器件制作采用微机械加工技术。工作波段为８～１２μｍ，热阻达１０７Ｋ／Ｗ量级，噪声等效温差为０．１Ｋ。

低维结构铁电材料光电性能和铁电薄膜红外焦平面列阵器件物理研究(英文)

系统研究了晶粒尺寸对铁电性、相结构、晶格动力学和光致发光等性质的影响。研究了择优取向钛锆酸铅铁电薄膜异质结构的取向机理、光学常数以及电学性质。

凝视PtSi红外焦平面列阵的结构和性能

ＰｔＳｉ红外焦平面列阵（ＦＰＡ）的结构设计，必须有利于提高器件的性能参数。ＩＴＣＣＤ（内线转移电荷耦合器件）是迄今ＰｔＳｉＦＰＡ用得最多的读出结构，采用隔行扫描ＩＴＣＣＤ和逐行扫描ＩＴＣＣＤ结构，均做出了高性能的ＰｔＳｉＦＰＡ。但因ＩＴＣＣＤ结构的固有特点，对小象元尺寸，填充系数很难提高。而缩小象元尺寸、增大填充系数是大型凝视ＰｔＳｉＦＰＡ的发展方向和必由之路。为此，近年来国外采用了一些新的器件结构，如ＣＳＰ、ＬＡＣＡ、ＭＯＳ、ＤＳＩ、硅圆柱透镜列阵、混合式结构等。

用于高分辨率成像的1500元中波红外和长波红外HgCdTe线列阵(上)

高分辨率红外成像系统需要具有数千个探测器和高性能的甚长扫描列阵。本文介绍这方面的最新技术发展以及LETI/LIR(红外实验室)的1500元HgCdTe线列阵(工作波段为3μm-5μm和8μm-10μm)所达到的光电性能。这些甚长列阵(长度≈50mm)具有一种间接的混成结构,由对接的HgCdTe光伏探测电路和硅CMOS读出电路构成,后者与一块机械上紧密匹配的输出衬底混成在一起。关系到探测器间距的无缺陷切割和对接是利用精密的无损技术实现的。

测辐射热计列阵实现非制冷红外摄像

介绍了非制冷测辐射热计红外焦平面列阵器件的原理、设计、工艺、性能和应用。

基于石英微共振器的非致冷红外成像列阵(下)

石英是9μm、12μm、20μm及26μm附近红外辐射的一种良好的吸收体^([25])。Palik曾经用折射指数对8μm-14μm波长范围作过理论计算^([26])。结果表明,2.5μm厚的石英在9.5μm和12.5μm附近具有约50％的吸收峰。一块2.5μm厚的石英平板在8μm-14μm红外波段吸收的平均能量约为17％。在共振器上淀积红外吸收涂层,可以增加总的红外吸收。

基于石英微共振器的非致冷红外成像列阵

石英晶体共振器的共振频率对温度是敏感的。过去,用单个微型石英共振器制作的温度计,由于利用这种灵敏度,已能准确探测μK级的温度变化。现在,利用半导体微制备技术,已经有可能用单片石英晶片制备出大量微共振器。业已证明,将这种微共振器的小热质量和高隔热能力、用一定数量的石英切片制作的共振器的陡频和温度特性以及石英晶体振荡器的低噪声特性相结合,可以生产出高性能的红外敏感器和敏感器列阵。在微共振器敏感器中,因红外能量的吸收而产生的温度变化会导致频率变化。这种频率变化可以相当于该共振器的小于1个μK的温度变化的分辨率测得。计算结果表明,200MHz-1GHz范围的微共振器列阵,可以为制作噪声等效温差NETD<0.01K的非致冷型红外成像系统提供基础。本文讨论了制作这种微共振器列阵所需克服的设计和制备问题。

美国高性能红外焦平面列阵的重要进步

据美国空军网站（http：//www.afrl．af．mil／）报道，高性能红外焦平面列阵无论对于像天基红外系统之类的先进空军武器系统还是对于采用光谱分析技术的实验室测试工作都是不可缺少的．在过去的20年中，美国空军一直在寻求用高质量的HgCdTe半导体材料制备红外焦平面列阵．然而，经过种种努力，HgCdTe红外焦平面列阵成品率低，成本高和交付时间长的问题依然没有解决．

双波段红外HgCdTe焦平面列阵

本文综述法国原子能委员会LETI红外实验室在双波段红外焦平面列阵方面所做的研究工作。在工艺上,该实验室采用的是通过分子束外延法在品格匹配的高质量CdZnTe衬底上生长的HgCdTe多层掺杂异质结构。器件的结构是n+ppn,而且在空间上是相干的。长波层是一个平面状的n+/p二极管,它是通过离子注入制成的,而波长较短的p-n二极管则是在分子束外延过程中通过掺铟在原位制成的。最后一个结是通过台面蚀刻而被隔离的,探测器通过铟丘与一个读出效率接近100％的读出电路互连。每个像元有一个或两个铟丘,用来按序或者同时访问两个波长,探测器的间距分别为50μm和60μm。每个波段中的单元探测器所呈现的性能接近用标准工艺制作的单色探测器的性能。为了优化双波段红外焦平面列阵的性能,LETI红外实验室专门为这种列阵设计了一种硅CMOS读出电路。本文介绍了128×128元(间距为50μm)中波红外(2μm～5μm)双色焦平面列阵在77K温度处操作时的光电性能。

InSb红外焦平面列阵探测器局部分层失效机理研究

批量生产中,锑化铟红外焦平面列阵探测器(InSb IRFPAs)局部分层失效现象已成为制约其成品率提升的瓶颈。为探究InSb IRFPAs局部分层诱因,借助内聚力模型,在InSb芯片与底充胶的界面处铺满内聚力单元,优选内聚力模型参数,建立InSb IRFPAs局部失效分析二维模型。模拟结果得到了实测局部分层分布特征的证实,即:(1)局部分层大多出现在芯片周边区域,涵盖一定宽度;(2)InSb芯片与底充胶之间的界面局部脱开后,逐渐向两侧扩展。为剖析局部分层诱因,系统分析了张开型与滑开型裂纹扩展共同作用下混合模态比取不同值时局部分层分布特征的演化规律,认为当张开型和滑开型裂纹扩展的混合比取4:6时,模拟结果与实测结果高度吻合。至此笔者认为InSb IRFPAs局部分层源于界面法向应力与面内剪切应力的共同作用,属于典型的混合型局部分层模式,其中滑开型局部分层模式占主导。

外场便携式碲镉汞中波红外凝视列阵成象系统

洛克威尔国际公司导弹系统分部已研制成一个外场便携式红外成象器,能够以60Hz速率获得128×128和256×256图象。系统已成功地对各种地面目标和机载战术目标进行了演示。所用的凝视列阵是工作在4.4～4.85μm范围的中波红外碲镉汞混合器件。多路开关是采用硅,并且是一个CMOS FET转换FET器件,列阵封装在实验室用的杜瓦瓶内,在80K下工作,而相应噪声等效温差(NETD)为0.03K。列阵在室温和80K之间已进行了热循环40次以上。系统的光学部分是由一个f/数=2和通光孔径为20.32cm的透镜组成,对128×128瞬时视场为0.29mrad,而256×256瞬时视场为0.2mrad,成象器积分时间从最小1.626ms变到3.352ms。

用于高分辨率成像的1500元中波红外和长波红外HgCdTe线列阵(下)

2.34 A/W的响应率值对应的探测器量子效率为65％。测量的探测率非常接近背景限性能值,所观察到的退化小于10％,而且基本上是由读出电路的剩余噪声引起的。下表给出了在线列阵上测得的所有性能值。