1、    建新廠擴(kuò)生產(chǎn)紅外成像系統(tǒng)的大手筆作者：PhilippeTriboletSofradir紅外成像系統(tǒng)相對(duì)同類(lèi)光學(xué)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，存在以下三個(gè)好處：1）能夠在晚上工作，它的圖像對(duì)比度僅通過(guò)溫差反映；2）在比較惡劣的天氣條件下，可通過(guò)探測(cè)特殊波段的輻射展開(kāi)工作；3）成像質(zhì)量受太陽(yáng)的反射光以及明亮光源的發(fā)光（如汽車(chē)前燈）的影響，特別是當(dāng)探測(cè)帶寬選擇在8-12m范圍內(nèi)的時(shí)候。這樣看來(lái)，這些基于半導(dǎo)體的成像器件很適合各種不同的日常應(yīng)用。但是，高昂的成本限定了應(yīng)用范圍，比如在軍作者：Philippe Tribolet Sofradir紅外成像系統(tǒng)相對(duì)同類(lèi)光學(xué)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)

2、，存在以下三個(gè)好處：1）能夠在晚上工作，它的圖像對(duì)比度僅通過(guò)溫差反映；2）在比較惡劣的天氣條件下，可通過(guò)探測(cè)特殊波段的輻射展開(kāi)工作；3）成像質(zhì)量受太陽(yáng)的反射光以及明亮光源的發(fā)光（如汽車(chē)前燈）的影響，特別是當(dāng)探測(cè)帶寬選擇在8-12m范圍內(nèi)的時(shí)候。這樣看來(lái)，這些基于半導(dǎo)體的成像器件很適合各種不同的日常應(yīng)用。但是，高昂的成本限定了應(yīng)用范圍，比如在軍事和空間研究上，它們主要用來(lái)監(jiān)督和瞄準(zhǔn)熱物體，比如火箭和飛行器發(fā)動(dòng)機(jī)。軍事上使用這些探測(cè)器始于上個(gè)世紀(jì)七十年代的第一代制冷相機(jī)，光電探測(cè)器的線(xiàn)性陣列被耦合到一個(gè)復(fù)雜的二維掃描系統(tǒng)中。到了八十年代的第二代相機(jī)中，在相機(jī)的焦平面上包含了一個(gè)信號(hào)預(yù)處理和多路傳輸

3、的可讀集成電路模塊。但是這個(gè)只是在實(shí)驗(yàn)室中完成的，真正的商業(yè)化始于九十年代早期。 圖.紅外成像系統(tǒng)能夠用到各種各樣很寬廣的應(yīng)用范圍中，但高昂的成本讓普通消費(fèi)者望而卻步，它們被限制在軍事和空間應(yīng)用上，比如在晚上跟蹤坦克行動(dòng)。第二代探測(cè)器的進(jìn)步為高分辨掃描陣列時(shí)間延遲、集成、以及帶焦平面信號(hào)處理的高分辨二維陣列開(kāi)辟了道路。工作在中紅外和遠(yuǎn)紅外波段的制冷“staring”二維陣列，也得到了發(fā)展，他們被稱(chēng)為“第2.5代”紅外探測(cè)器。這些成像器件大都在九十年代末進(jìn)入商業(yè)市場(chǎng)，典型的陣列為320×256元或者640×512元，很適合導(dǎo)彈探測(cè)應(yīng)用。這些第二代探測(cè)器的分辨率和性能

4、有了很大的提高，目標(biāo)捕獲的有效范圍擴(kuò)大了兩倍，能夠在晚上6公里或更遠(yuǎn)距離處通過(guò)煙塵識(shí)別敵人的車(chē)輛。這些不同代的紅外成像儀采用不同的技術(shù)制造，探測(cè)器陣列分別由HgCdTe、InSb、InGaAs和GaAs量子阱制作的（圖1）。每一種相應(yīng)的探測(cè)器各有優(yōu)點(diǎn)，每種探測(cè)器也有其獨(dú)特的應(yīng)用。這些探測(cè)器的性能可通過(guò)它們?cè)谙嗤臏囟认拢R(shí)別一個(gè)紅外背景下的小目標(biāo)的能力來(lái)評(píng)價(jià)。在軍事上，安全和監(jiān)視應(yīng)用就是采用探測(cè)器的這個(gè)性能作為測(cè)試依據(jù)，而成像儀的性能是根據(jù)探測(cè)或者識(shí)別范圍以及處理反常天氣的能力來(lái)評(píng)價(jià)的。 圖1. 通過(guò)MBE和LPE方法生長(zhǎng)的HgCdTe探測(cè)器，擁有比熱探測(cè)器更好的物體識(shí)別能力，比如微

5、輻射熱儀以及那些基于InGaAs和InSb的熱探測(cè)器。Sofradir的近期產(chǎn)品包括一個(gè)第二代“Scorpio”探測(cè)器，它包含的芯片是用LPE法在2"的CdZnTe襯底上生長(zhǎng)而成，640×512像素，像素間距為15m。新的MBE法將用來(lái)生產(chǎn)其他產(chǎn)品，比如第三代多元多色的探測(cè)器。最高級(jí)的探測(cè)器能夠在距離物體10公里或者更遠(yuǎn)處成像，這取決于大氣狀況和海拔高度。它們適合很多不同的應(yīng)用，其中包括導(dǎo)彈導(dǎo)航和跟蹤、導(dǎo)彈預(yù)警、坦克和飛行視野的提升，執(zhí)行偵察以及天氣觀測(cè)、農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)、污染分析以及天文學(xué)觀測(cè)等。探測(cè)范圍在6-10公里的探測(cè)器還可以使用在科學(xué)研究上，比如分析像氣體光譜學(xué)那樣信號(hào)比

6、較微弱的。應(yīng)用在這些范圍的探測(cè)器都需要冷卻，而它們主要采用了HgCdTe和InSb芯片。HgCdTe有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)（參看“HgCdTe的優(yōu)勢(shì)”），比如對(duì)光譜范圍從可見(jiàn)光延伸至18祄波段的光都很敏感；高量子效率決定了高信噪比，以及相對(duì)較高的工作溫度來(lái)降低制冷器的成本。多年來(lái)人們用LPE生產(chǎn)這些芯片，然而現(xiàn)在，我們都能用低成本的MBE法大量生產(chǎn)這些單頻和雙頻芯片，它們分別覆蓋短紅外波長(zhǎng)（1-3祄）和中紅外波長(zhǎng)（3-5祄）范圍。比較而言，InSb僅對(duì)中紅外波段（3-5祄）敏感。技術(shù)局限性也阻礙了工作溫度和小像素尺寸等性能的提高，從而導(dǎo)致了這種材料不適合大多數(shù)的應(yīng)用需求。此外，量子阱紅外光電探測(cè)器（QWI

7、P）是另一種可行的技術(shù)，它能進(jìn)行長(zhǎng)波段的檢測(cè)（8-12祄），但其幀速較慢，并需要較低的工作溫度和II型超晶格，而后者仍在發(fā)展當(dāng)中。另一類(lèi)探測(cè)器可以在2-6公里范圍內(nèi)的進(jìn)行探測(cè)。它們可以為民用提供服務(wù)，比如爐火監(jiān)測(cè)、安全方面的應(yīng)用如警察監(jiān)視和跟蹤、邊界監(jiān)視、航空著陸時(shí)的視野強(qiáng)化；也能夠?yàn)檐娪眯⌒脱b甲車(chē)和一些無(wú)人駕駛飛機(jī)機(jī)型提供成像服務(wù)系統(tǒng)。在所有的應(yīng)用中探測(cè)器必須要冷卻。在一些應(yīng)用中，選擇一個(gè)高性能的探測(cè)器實(shí)際上能夠降低整個(gè)系統(tǒng)的成本，這樣可以減小光學(xué)系統(tǒng)的尺寸、簡(jiǎn)化信號(hào)處理過(guò)程，并減輕對(duì)系統(tǒng)高可靠性的約束。針對(duì)超過(guò)檢測(cè)距離的另一種紅外探測(cè)器，它與那些在長(zhǎng)波段工作的探測(cè)器相似。但是，如果能限定量

8、子效率并允許相對(duì)高的暗電流，工作在遠(yuǎn)紅外波段的QWIP確實(shí)物有所值。工作在稍短波長(zhǎng)的InGaAs相機(jī)性能也頗具競(jìng)爭(zhēng)力，但是當(dāng)輸入信號(hào)很低的時(shí)候，它們要受到讀取電路的噪聲的影響，而且它們?cè)诔^(guò)1.9祄的波段檢測(cè)無(wú)效。最后一類(lèi)探測(cè)器用于在距離幾十米到兩公里之間的物體成像。它也能服務(wù)大眾（民用），比如建筑檢查、工業(yè)過(guò)程控制、工業(yè)場(chǎng)所監(jiān)督、汽車(chē)駕駛功能增強(qiáng)、以及其他伴隨這類(lèi)探測(cè)器的成本降低而出現(xiàn)的應(yīng)用。像微輻射熱儀這樣的非制冷熱探測(cè)器，它的成像儀采用了完全和CMOS硅技術(shù)兼容的非晶硅技術(shù)，可為上述諸多應(yīng)用提供方便，真是物有所值！法國(guó)地位在法國(guó)，許多不同類(lèi)型的單芯片探測(cè)器都已經(jīng)商業(yè)化了，這個(gè)國(guó)家在紅外探

9、測(cè)器的發(fā)展中歷史悠久，地位不可動(dòng)搖。目前在格勒諾布爾地區(qū)有超過(guò)500個(gè)人從事紅外探測(cè)器件的研究、發(fā)展和制造，這個(gè)地區(qū)因而成為這項(xiàng)技術(shù)在全球的集大成者。這項(xiàng)研究受?chē)?guó)家研究和發(fā)展中心CEA-Leti的領(lǐng)導(dǎo)，從上世紀(jì)七十年代開(kāi)始發(fā)展紅外探測(cè)器。幾十年的積累被轉(zhuǎn)移給Sofradir公司，該公司總部位于Chatenay-Malabry，而生產(chǎn)廠則位于Veurey-Voroize。我們?cè)诘?代和第2.5代探測(cè)器上用到了CEA-Leti的研究成果，并已經(jīng)生產(chǎn)了13年以上。從2003年起，我們?cè)赨LIS廠建立了非晶硅微輻射熱儀生產(chǎn)線(xiàn)。QWIP技術(shù)一直在法國(guó)的Thales研究和技術(shù)中心（TRT）開(kāi)發(fā)，后來(lái)也跟我

10、們合作進(jìn)行了批量生產(chǎn)，InSb和InGaAs技術(shù)也是在法國(guó)發(fā)展起來(lái)的。現(xiàn)在，我們通過(guò)ULIS制造出數(shù)千個(gè)制冷型紅外探測(cè)器，上萬(wàn)個(gè)非制冷探測(cè)器。除此之外，我們最近為HgCdTe芯片生產(chǎn)新建了一個(gè)MBE 工廠，耗資900萬(wàn)歐元（1,210萬(wàn)美元），我們的材料生產(chǎn)力有望從2英寸躍至4英寸。如果我們?cè)诿髂晗奶炷芡瓿砂惭b的話(huà)，我們的生產(chǎn)成本將會(huì)因?yàn)樯a(chǎn)量和效率的提高而減少，也能夠使我們制作出更大尺寸的芯片。而且，較低的成本一定會(huì)影響到長(zhǎng)距離范圍的探測(cè)器的價(jià)格，而該探測(cè)器也使用了我們的芯片；并且推動(dòng)這種類(lèi)型成像儀的銷(xiāo)售量。紅外探測(cè)器1/3的成本來(lái)源于焦平面陣列，因此降低芯片的制造成本對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的價(jià)格有很大

11、的影響。第三代探測(cè)器我們的新工廠將大量生產(chǎn)自己開(kāi)發(fā)的第三代探測(cè)器。這些器件提供多色探測(cè)功能，并擁有大面積的帶同質(zhì)激活層的焦平面陣列，能夠分辨更多的成像細(xì)節(jié)并在惡劣的天氣下更有效地工作。這些芯片將用MBE技術(shù)生產(chǎn)，能夠在大尺寸襯底上生長(zhǎng)出多色探測(cè)器所需的多層結(jié)構(gòu)。MBE法替代了我們目前常用的方法，用LPE技術(shù)在晶格匹配的CdZnTe襯底上生長(zhǎng)此芯片。由于市面上僅供應(yīng)小尺寸襯底，現(xiàn)在許多工廠在開(kāi)發(fā)硅或者GaAs平臺(tái)，目的是降低成本并提供與讀出電路兼容的熱機(jī)械特性。但在法國(guó)，鍺成為了首選材料，這是因?yàn)樵贛BE生長(zhǎng)前，無(wú)論是非原位還是原位，它的氧化物的穩(wěn)定性低，因此表面的制備不是什么問(wèn)題了。幾年前在C

12、EA-Leti已經(jīng)演示了用MBE法在鍺（211）上進(jìn)行材料生長(zhǎng)，所得材料適合制作更大的陣列。如今市面上供應(yīng)4"或更大尺寸的襯底，可以用來(lái)制作高質(zhì)量的二維短紅外和中紅外波長(zhǎng)陣列的HgCdTe薄膜。我們計(jì)劃在明年夏天利用兩個(gè)不同規(guī)模的MBE反應(yīng)室（1×4"和 3×4"）大量生產(chǎn)此類(lèi)陣列。相對(duì)于InSb 和 QWIP制造商來(lái)說(shuō)，他們還在使用3"的襯底來(lái)量產(chǎn)（圖2），而我們將轉(zhuǎn)向在大尺寸襯底晶片上進(jìn)行批量生產(chǎn)，由此看來(lái)我們更具優(yōu)勢(shì)；此外，這有助于我們提供像素間距為15祄 、1280×1024元的紅外焦平面陣列，這個(gè)陣列相比那些具備較

13、少像素的探測(cè)器來(lái)說(shuō)，其成像分辨能力將會(huì)大幅度提高。我們也會(huì)繼續(xù)提高第三代探測(cè)器的性能，這樣才能降低制作成本，乃至產(chǎn)品的銷(xiāo)售價(jià)格。我們尤其要關(guān)注小像素間距和大陣列的發(fā)展，以及提高我們的雪崩光電二極管（APD）和多色探測(cè)器的性能。我們的HgCdTe APD是采用電子離子碰撞的獨(dú)有設(shè)計(jì)，用來(lái)提供特殊的探測(cè)需要。這些電子激發(fā)的APD在僅有10V的反轉(zhuǎn)偏置電壓下會(huì)釋放出千倍的增益。低偏置下的高增益結(jié)合低噪聲因子使得這些APD特別適合集成在最新的FPA中。這些特性對(duì)于主動(dòng)激光成像系統(tǒng)也非常理想，同時(shí)它們也能夠服務(wù)于許多被動(dòng)成像應(yīng)用系統(tǒng)。我們將繼續(xù)開(kāi)發(fā)面向多種焦平面陣列應(yīng)用的HgCdTe芯片，并帶動(dòng)一系列高

14、性能探測(cè)器的生產(chǎn)。我們的技術(shù)受益于電子激發(fā)APD，該先進(jìn)技術(shù)有助于我們生產(chǎn)出性能遠(yuǎn)勝于其他同類(lèi)競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品的探測(cè)器；從而滿(mǎn)足我們的客戶(hù)對(duì)更高性能產(chǎn)品的需求，降低系統(tǒng)的成本或者減少約束。圖2. 從CdZnTe襯底轉(zhuǎn)換到鍺襯底，能充分地增加每塊晶片上的芯片數(shù)量。Sofradir將會(huì)在新工廠完工后就開(kāi)始行動(dòng)。隨著6"鍺襯底生產(chǎn)的商業(yè)化，是否有可能提供更大尺寸的試驗(yàn)晶片，襯底制造商們正在做實(shí)驗(yàn)。HgCdTe的優(yōu)勢(shì)HgCdTe固有的特性使之非常適合制造紅外探測(cè)器。它的主要優(yōu)點(diǎn)是通過(guò)改變組分可以獲得寬的可調(diào)諧的帶寬（參看右圖）。因?yàn)镃dTe和HgTe具有相同的晶格常數(shù)，這種可調(diào)諧是可行的，而且不會(huì)將較大的應(yīng)力引入合金中。再者，相匹配的晶格常數(shù)有助于生長(zhǎng)出具有少量缺陷和位錯(cuò)的多層結(jié)構(gòu)。HgCdTe的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它的載流子壽命長(zhǎng)，這會(huì)導(dǎo)致暗電流很低，而且會(huì)使光電二極管的量子效率接近100%。結(jié)合良好的材料特性，再加上采用了像CdTe 和 Hg