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国内外短波红外成像探测器发展现状(二)

发表时间:2023-05-12 09:00作者:海丰汇小丰

红外线指波长在0.78~1 000 μm 的电磁波,大气中对红外辐射吸收比较少的三个波长称之为“大气窗口”,国防应用中称之为短波红外、中短波红外和长波红外。

短波红外(SWIR)波长在1~3 μm,主要采用日光、月光、星光等反射成像,与可见光成像原理类似,在分辩率和细节方面与黑白可见光图象相当,这也使得总体目标便于识别,并且在微光夜视、精确制导、空间遥感、近红外光谱分析、工业控制、生物医疗和航空航天等领域获得广泛应用。

下面以两个篇章详细介绍世界各国短波红外探测器的发展状况。


▍比利时

▍Xenics公司

2000 年Xenics 在比利时成立,是欧洲SWIR 市场的领军者。该公司利用InGaAs 探测技术制造出XS-1.7-640/XS-1.7-320 系列红外探测器,其响应波段为0.9~1.7 μm,探测器阵列为640×512,像元中心距为20 μm/30 μm,有效像元>99%,帧频为20~90 Hz。2013 年欧洲空间局发射的Proda-V 卫星上使用的是由Xenics公司提供的Xlin-1.7-3000 型InGaAs 行扫描型探测器,由三个独立的具有1 024 个像元的InGaAs 子阵列构成,像元中心距为25 μm,光谱响应范围0.9~1.7 μm,可以提供宽度为2 200 km、中心分辨率为100 m 的地球环境信息,便于人们掌握关于地球上农作物与植被的变化情况,以及其他保护生物圈的重要参数信息。

Xenics 公司持续进行SWIR 技术创新。2016 年以来推出了一系列高性价比、高灵敏度、低暗电流、可用于长积分时间的SWIR 产品,适合于控制成本的批量市场应用,如激光光斑分析、色选、回收市场及半导体检测市场,对短波红外夜视安防等应用也是较好的选择。其中,Bobcat 带门控系列相机针对积分时间短的短波红外研发、激光门控成像、热物体或快速移动物体的成像(如灯泡或涡轮叶片检查)、测量系统需要同步脉冲激光的场景应用等;Manx R 系列帧频高达256 kHz,超过全球任何其他SWIR 线扫描家族的相机。Xenics 公司也报道了基于T2SLs 的拓展短波红外(Extended SWIR) 产品,阵列规模为32×256,响应波长为1~2.35 μm,像元尺寸为30 μm,帧频为344 Hz,动态范围为70 dB,读出噪声为150 e,可操作性>99%。

表1 Xenics推出的InGaAs短波红外产品


▍以色列

Semi Conductor Devices (SCD)公司

SCD 凭借40 多年的研发和生产经验,掌握了半导体芯片制造工艺技术,液相外延(Liquid Phase Epitaxy,LPE) 和分子束外延(Molecular Beam Epitaxy,MBE) 薄膜生长技术,超大规模集成电路设计技术,杜瓦瓶真空设计及装配技术,辐照建模及测试技术,可提供基于InSb、MCT(Mercury Cadmium Telluride)、InGaAs、T2SLs等材料的探测器,其产品覆盖整个红外波段。SCD 在SWIR 领域内也取得了瞩目的成绩,Cardinal 产品系列响应波长为0.6~1.7 μm,InGaAs 焦平面阵列含像元中心距15 μm (640×512)、像元中心距10 μm (1 280×1 024) 两种规格,帧频高达350 Hz(640×512 规格) 和150 Hz (1 280×1 024),采用高信噪比的全数字化ROIC(基于0.18 μmCMOS 工艺)。

表2 Cardinal 产品系列的性能参数


▍日本

Sony公司

传统的SWIR 探测器使用铟柱倒装互联技术连接InGaAs 光电二极管和Si 读出电路, 如图1(a) 所示,探测器像素之间必需保证一定的间距,以避免铟柱之间的连接和短路,存在缩小像素间距的制造难度。

日本索尼公司研发的SWIR 技术,InGaAs 层和Si层通过铜-铜互联,如图1(b) 所示,这种方式让探测器尺寸更紧凑、也更牢固,像素之间的中心距达到5 μm;目前推出的两个产品型号有效像素为656×520、1 296×1 032,最大帧频分别为250 Hz 和130 Hz,在0.4~1.7 μm 波段的量子效率>60%,峰值量子效率接近99%,如图2所示。索尼公司的SWIR 产品分辨率高、响应速度快,但器件灵敏度和噪声未见报道。

图1 传统的铟柱倒装互联技术 (a) 与索尼的铜铜互联技术 (b)

图2 Sony SWIR产品的量子效率图


滨松集团

其生产的SWIR 产品,线阵为1 024×1512×1 等规格,覆盖0.95~1.7 μm 波段,像元中心距为12.5 μm帧频可达40 kHz。面阵规格为640×512,覆盖0.9~1.5 μm 波段,像元中心距为20 μm,帧频为7.2 f/s,量子效率为60% −70 下暗电流为130 e·pixel−1·s−1,读出噪声为500 e


▍中国国内

以中国科学院上海技术物理研究所为代表的短波红外探测器研制单位围绕航天遥感工程、激光光斑监测、工业应用等需求,以扩大面阵规模、提高像元密度、优化探测器性能为方向,实现了从单元、线列到多种规格大面阵的跨代发展,器件响应光谱从常规波段分别向可见光波段0.5 μm、长波2.5 μm 拓展,像元间距从30 μm 发展到10 μm,器件暗电流水平不断降低,探测器性能指标不断提高。在新型多功能 InGaAs 探测器方面,发展了一种宽谱段响应的InGaAs 探测器,通过片上集成微纳陷光结构,实现了可见波段拓展和较高的量子效率;发展了片上集成亚波长金属光栅的InGaAs 偏振探测器,消光比大于20∶1。

表3 国内部分科研单位短波红外探测器的研发情况


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