HgCdTe红外焦平面用锥形节流致冷杜瓦组件

介绍了一种用于HgCdTe红外焦平面的致冷器杜瓦组件的设计和试验情况。该组件通过采用锥形结构,包括锥形杜瓦和锥形节流致冷器两部分,提高了降温速度,有效地缩短了组件的轴向尺寸,结构更加紧凑,尤其适用于轴向尺寸受到限制的红外导引头。

HgCdTe红外焦平面探测器从研发到生产

HgCdTe红外焦平探测器经过多年的研发,已达到批量生产的水平。昆明物理研究所批量生产的第二代红外探测器产品主要是长波288×4和中波320×256两类典型的红外焦平面探测器组件。在2013年这两类组件生产的数量分别可达几百套。介绍了在红外探测器生产中所需解决的关键问题,主要是HgCdTe材料的质量及光伏器件工艺的稳定性,并介绍两类主要生产的探测器组件产品及其性能结果。

俄罗斯HgCdTe红外焦平面探测器的现状

介绍了俄罗斯对HgCdTe红外焦平面探测器的分代标准,及俄罗斯"奥里昂"中心和俄罗斯科学院西伯利亚分院半导体物理研究所的单位状况,以及所开发的几款第二代和第三代HgCdTe红外焦平面探测器,分析了俄罗斯HgCdTe红外焦平面探测器的现状。

制备HgCdTe红外焦平面器件的离子注入技术

1 前言 碲镉汞光伏型红外焦平面列阵器件(IRFPAs)是以外延材料为基础发展起来的,其基本工作原理利用了p-n结的光电效应.

HgCdTe红外焦平面阵列像素内灵敏度函数仿真

对于Fλ/d<2的欠采样成像红外搜索和追踪系统,点目标能量集中在单像素内。由于焦平面阵列像素内灵敏度(IPS:Intra-PixelSensitivity)存在空间非均匀性,会降低目标的能量和质心测量精度。传统的光点扫描实验测试和数值仿真方法可有效表征和分析IPS,但系统和模型复杂度高、效率低,且实验测试无法分析IPS空间非均匀性与探测器参数的关系。针对上述问题,提出基于蒙特卡洛方法的HgCdTe红外焦平面阵列IPS仿真模型,分析了IPS空间非均匀性的影响因素。结果表明,减小像素中心距或增大吸收层厚度,IPS的空间非均匀性减小;随波长增大,IPS的空间非均匀性增大。该仿真和分析对高能量集中点目标测量精度的提升具有重要参考意义。

4×128元HgCdTe红外焦平面TDI CCD信号处理器件

采用三相埋沟结构，设计并研制成功用于高背景下红外探测器的高灵敏度4×128元TDICCD信号处理器件。器件转移效率99．99％，动态范围60dB，时钟频率10MHz。文章详细阐述该器件的工作原理、结构设计和制作工艺。

长波HgCdTe红外焦平面列阵

概述了以 Hg_(1-x)Cd_xTe 体材料和双异质结构外延材料为衬底,采用平面工艺研制成两种不同结构的光伏二极管列阵与用 MOS 工艺制作的信号处理器互联而成的8×8长波红外焦平面列阵。它的响应波长已达到10μm,D~*大于2×10~9cmHz^(1/2)W^(-1),非均匀性小于50%,R_0一般大于200kΩ,个别达到1MΩ以上。

10μm 1280×1024 HgCdTe中波红外焦平面阵列探测性能提升

对像元尺寸为10μm的1280×1024碲镉汞(HgCdTe)中波红外焦平面阵列的制备技术和性能进行了研究。通过B+注入制备小尺寸n-on-p平面结;采用高平整度HgCdTe外延材料和高精度的倒焊互连技术,实现高的电学连通率;采用多段温度填胶固化和边缘刻蚀工艺减轻HgCdTe器件和读出集成电路(ROICs)之间的热失配,从而降低焦平面器件失效率。在85 K焦平面工作温度下,研制探测器的光谱响应范围为3.67μm至4.88μm,有效像元率高达99.95%,并且探测器组件像元的平均噪声等效温差(NETD)和暗电流密度的平均值分别小于16 mK和2.1×10^(-8)A/cm^(2)。与像元尺寸为15μm的探测器相比,10μm的1280×1024中波红外探测器可获取更加精细的图像,具有更远的识别距离。目前,该技术已成功转移到浙江珏芯微电子有限公司(ZJM)的HgCdTe红外探测器产线。

天文应用红外焦平面读出电路研究

成功设计了一款天文应用的640×512短波红外焦平面读出电路。由于红外天文观测具有极低背景辐射、光子通量低的特点,为了实现探测器的高信噪比,需要降低器件的暗电流和电路噪声。电路采用有效的功耗管理策略,在保证电路正常工作的前提下尽可能地降低电路功耗以减小电路辉光对器件暗电流的影响。同时,研究非破坏性读出的数字功能,实现了超长的积分时间和信号的多帧累积,并作为一种斜坡采样的策略有效地降低读出噪声。短波HgCdTe焦平面的测试结果符合理论设计预期,开启电路非破坏性读出功能,设置6 000 s的积分时间,当电路功耗调低至14.04 mW时暗电流为0.9 e-·pixel^(-1)·s^(-1)。读出噪声在两档增益下分别为50 e-(10 fF)和27 e-(5 fF),非线性度低于0.1%。

光伏型红外焦平面探测器NETD的理论计算和测试分析

噪声等效温差(NETD)是表征红外焦平面探测器灵敏度的重要参数,除了器件本身的因素以外,与实际应用条件及测试条件密切相关。从红外焦平面探测器NETD的测试方法和流程出发,对光伏型红外焦平面探测器NETD的理论计算公式进行了推导,分析了影响器件NETD的主要因素,对典型红外焦平面探测器在不同积分时间、不同电荷存储量、不同F数及半阱输出条件下的背景限NETD进行了理论计算及分析。在固定背景温度下,通过理论公式可从某一温差的NETD推算出不同温差的NETD,选择典型器件进行验证,从常规NETD测试结果推算出的一组NETD与相应温差下的实测结果符合较好,其中1 K温差的NETD推算结果已非常接近实际情况,可为热像仪系统应用提供参考。

硅微透镜阵列与红外焦平面阵列的集成器件的制备与性能(特邀)

为了提高红外焦平面阵列性能,分别制备了硅衍射微透镜阵列和InSb红外焦平面阵列并将两者集成在一起。采用光学系统和焦平面测试系统进行了测试。结果显示双面镀制有增透膜的硅衍射微透镜阵列的衍射效率为83.6%;电压响应图显示器件没有裂纹;集成器件的工作波段为3.7~4.8μm,此时平均黑体响应率和探测率分别为4.85×10^(7)V/W和7.12×10^(9)cm·Hz^(1/2)·W^(1)。结果表明硅微透镜阵列不仅可以提高焦平面阵列占空因子,而且可以通过优化焦平面应力匹配来解决芯片裂纹问题,集成器件性能优于现有焦平面性能。

基于微结构的红外焦平面芯片MTF测试

调制传递函数是用于评价红外焦平面芯片对不同空间频率目标成像能力的重要参数,焦平面芯片的调制传递函数受像元光敏面尺寸、中心距和载流子扩散长度的影响,随着像元中心距的减小,载流子扩散长度对调制传递函数的影响将更加明显。本文针对倒装互联结构焦平面芯片调制传递函数的测试需求,设计了一种方便、准确的调制传递函数测试方法,通过金属沉积、光刻等工艺在焦平面芯片表面制备特殊的微结构代替倾斜刀口,采用通用的红外焦平面测试系统获得了芯片的调制传递函数。测试结果显示采用该方法能准确方便地完成焦平面芯片的调制传递函数提取,便于焦平面芯片生产和研制单位快速地实现芯片的调制传递函数测试评价及工艺设计验证。

消除CDS折叠效应的增益自适应红外焦平面读出电路

高动态范围是红外焦平面探测技术的先进发展方向之一。高集成度像元读出电路的动态范围受到小电荷存储容量和噪声的限制。所设计的增益自适应像元读出电路,小信号下为电容反馈跨阻放大器(CTIA),大信号下自动转换为变阻抗电阻反馈跨阻放大器(RTIA),实现小信号大增益、大信号小增益的自动切换,将集成3.86 fF积分电容的CTIA电荷容量拓展到1.63 Me^(–)。在15μm像元中心距的像元内集成相关双采样(CDS)结构,大幅减小噪声。对CDS大信号注入产生的折叠效应进行理论分析,并设计抗折叠结构。采用180 nm 3.3V CMOS工艺,完成640×512规模的读出电路的设计、仿真、流片、测试。测试结果显示,该电路可消除CDS折叠效应,噪声电子数17 e^(–),动态范围拓展到99.66 dB。

双色红外焦平面数字读出电路研究

设计了一款中、长波双色应用的数字化红外焦平面读出电路。由于双色红外焦平面器件在注入电流及动态输出阻抗上存在着数量级的差异,同时双波段均要求高灵敏度,因此读出电路需要在有限像元面积内实现双输入级的结构设计和大动态范围。电路采用基于直接注入型输入级的脉冲频率调制结构,设计电荷复位单元代替传统电压复位结构,可降低可探测的电荷分辨率,并改善由复位遗失电荷带来的非线性影响,同时电路设计了20bit混合结构的计数器,满足电路大电荷容量和低功耗的要求。仿真结果表明,实现的最小电荷分辨率为692e^(-),对应电荷容量为7.2×10^(8)e^(-),双波段探测线性度均高于99.8%,在中、长波典型应用情况下功耗分别为3.03,6.66μW。

红外焦平面探测器复合条件工作点闪元标定方法

针对闪元传统标定方法的不足,提出一种结合灰度域图像和能量域图像进行复合条件工作点闪元标定的方法。该方法解决了单一工作点对闪元激发条件不够充分和探测器非均匀性所造成的闪元漏检等问题。实验验证表明,单一工作点上闪元检测率平均提高了12.49%,与传统方法相比,整体闪元检测率提高了9.41%。本文所提方法有效提高了闪元的检出率。

一种红外焦平面串音测试方法

作为红外成像设备的核心部件,红外焦平面阵列(Infrared Focal Plane Array, IRFPA)探测器的性能直接影响设备的成像质量。无法避免的衍射效应会导致像元间存在串音现象,严重影响探测器的性能。提出了一种基于狭缝光学系统的串音测试方法。利用高精度狭缝光学测试设备获取狭缝范围内探测像元与其横向相邻像元的电平数据,同时实现对串音现象的定量评价。使用中波320×256碲镉汞(30μm)探测器、中波320×256碲镉汞(50μm)探测器和中波320×256锑化铟(30μm)探测器的测试数据验证所提出的串音测试方法。结果表明,所提出的方法可准确描述串音现象并定量分析串音现象对探测器性能的影响。与现有小光点测试方法相比,该方法更易聚焦,得到的串音量化结果更准确,提高了测试效率。

智能化红外焦平面应用前景与发展现状

智能化红外焦平面探测器的出现,依赖于先进的红外材料、器件技术和工艺水平以及集成电路技术和工艺的飞速发展;其能够针对不同的场景对探测器的工作状态进行自适应调整,而且在探测器上能够实现部分信号处理功能。智能化红外探测器的出现,大大提高了红外系统的灵活性,同时为日益复杂的探测场景提供了更加精准的探测能力。本文从智能化红外探测器应用的背景需求作为切入点,阐明发展智能化探测器的必要性;最后介绍了智能化红外探测器发展状况及未来发展趋势。

冷屏对红外焦平面探测器组件性能的影响

分析了国内早期中波320×256红外焦平面探测器组件与国外同类产品在装机性能上的差异,采用三种实验方法检测了国内外探测器组件的光电性能,通过对探测器组件光电转换和结构的分析,确定出杂散光在冷屏内部的反射是导致测试结果差异的原因,冷屏内表面黑化层和结构形式是影响组件实际应用的关键。冷屏结构改进后,有效改善了国内探测器组件的实际应用性能。

低温背景应用长波红外焦平面探测器性能参数的计算

对于在低温背景条件下应用的红外焦平面探测器,在其设计阶段首先需要确认的是探测器在低温背景下的主要性能参数是否满足应用需求。通过单元探测器的基本理论公式,从性能测试的角度,推导出了焦平面探测器主要性能指标的理论计算公式,包括峰值响应率、噪声、峰值探测率、动态范围等。提出了红外焦平面探测器主要性能参数计算的设计流程,并通过实例对长波红外焦平面探测器在低温背景下的性能参数进行了计算、设计及验证,实测结果与理论计算符合较好。表明了理论公式及设计流程具有较好的实用性,可为红外焦平面探测器的应用设计提供参考。

大规模红外焦平面阵列探测器的有效像元率研究

随着大规模红外焦平面阵列探测器应用的日益广泛,用户对其有效像元率指标提出了越来越高的要求。分析了有效像元率提升的难点。通过优化基于垂直布里奇曼法的衬底生长以及表面加工等工艺,提高了液相外延材料质量,获得了低缺陷中波碲镉汞薄膜外延材料;通过开发碲镉汞探测器背面平坦化工艺和优化探测器与读出电路倒装互连工艺,提高了成品率。最终提升了有效像元率指标(大于99.8%),获得了良好的效果。