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短波红外探测器的发展与应用(特邀)

马旭 李云雪 黄润宇 叶海峰 侯泽鹏 史衍丽

马旭, 李云雪, 黄润宇, 叶海峰, 侯泽鹏, 史衍丽. 短波红外探测器的发展与应用(特邀)[J]. 红外与激光工程, 2022, 51(1): 20210897. doi: 10.3788/IRLA20210897
引用本文: 马旭, 李云雪, 黄润宇, 叶海峰, 侯泽鹏, 史衍丽. 短波红外探测器的发展与应用(特邀)[J]. 红外与激光工程, 2022, 51(1): 20210897. doi: 10.3788/IRLA20210897
Ma Xu, Li Yunxue, Huang Runyu, Ye Haifeng, Hou Zepeng, Shi Yanli. Development and application of short wavelength infrared detectors (Invited)[J]. Infrared and Laser Engineering, 2022, 51(1): 20210897. doi: 10.3788/IRLA20210897
Citation: Ma Xu, Li Yunxue, Huang Runyu, Ye Haifeng, Hou Zepeng, Shi Yanli. Development and application of short wavelength infrared detectors (Invited)[J]. Infrared and Laser Engineering, 2022, 51(1): 20210897. doi: 10.3788/IRLA20210897

短波红外探测器的发展与应用(特邀)

doi: 10.3788/IRLA20210897
基金项目: 云南省重大科技专项(2018 ZI002)
详细信息
    作者简介:

    马旭,男,硕士生,主要从事半导体光电器件物理与器件方面的研究

    通讯作者: 史衍丽,女,研究员,博士生导师,主要从事半导体光电器件物理与器件方面的研究。
  • 中图分类号: TN215

Development and application of short wavelength infrared detectors (Invited)

Funds: Key Science and Technology Project of Yunnan Province(2018 ZI002)
  • 摘要: 短波红外波段作为“大气透过窗口”之一,探测器工作在该波段能获得目标更多的辐射能量。另外,短波红外对近室温目标的探测成像类似于可见光的反射式成像,一方面拥有中长波红外探测缺少的细节分辨能力,另一方面具有穿透烟雾进行成像等可见光探测不具备的能力。随着短波红外探测器在军事、民用领域的广泛应用,对短波红外探测器的性能、成本提出了更高的要求,InGaAs探测器由于高达约70%~90%的量子效率、室温下约8000 cm2/(V·s)的高迁移率,以及高灵敏度、高速响应、低成本的应用优势,是目前短波红外探测器的最佳选择。为了进一步扩展波长、提高分辨率、降低成本,发展了基于II类超晶格、胶体量子点、硅基材料等新材料和新工艺的短波红外探测器。文中对美国、法国、以色列、中国等国内外短波红外探测器的发展现状进行了归纳整理,对有关短波红外探测器的新材料和新工艺进行了报道,最后探讨分析了短波红外探测器的未来发展趋势。
  • 图  1  SUI产品量子效率图

    Figure  1.  Quantum efficiency of the SUI product

    图  2  传统的铟柱倒装互联技术(a)与索尼的铜铜互联技术(b)

    Figure  2.  Traditional flip chip bonding technology via indium (a) and SONY's copper-copper connection technology (b)

    图  3  索尼产品的量子效率图

    Figure  3.  Quantum efficiency of SONY products

    图  4  RTI二极管的结构图

    Figure  4.  Structure of RTI diode

    图  5  (a)海上降雨成像;(b)药瓶标签成像;(c)晶片对准标记;(d)半导体裂缝检测

    Figure  5.  (a) Sea rainfall imaging; (b) Drug bottle label imaging; (c) Chip alignment marking; (d) Semiconductor crack detection

    图  6  (a) CQD结构的TEM成像;(b) ROIC的集成

    Figure  6.  (a) TEM imaging of CQD structure; (b) ROIC integration

    图  7  在77 K温度下,短波、中波的热成像和响应度

    Figure  7.  Thermal imaging and responsivity of short and medium wavelength at 77 K

    表  1  SWIR的成像特点及应用领域

    Table  1.   Imaging characteristics and application fields of SWIR

    Imaging characteristicsApplication fields
    Based on room temperature target reflection imaging, clear detailsNight vision imaging application
    Fingerprint characteristics for substance identificationSpectral imaging
    Eye safety laser 155X nm detection and positioningOptical fiber detection, satellite internet
    Thermal radiation imaging of high temperature targetsMissile plume detection
    Strong ability to wear fog, haze, sand, smoke and glassImaging detection under harsh conditions
    Camouflage recognition, wig, fake beard recognitionAnti-terrorism application
    The water has strong absorption of short waves, and the water target has a large contrastMaritime border security, early warning
    Operation at or near room temperature, small size, light weight, low energy consumptionApply to the cell-phone's imaging
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    表  2  美国部分SWIR公司的最新发展情况

    Table  2.   The latest development of SWIR companies in the US

    Corporate nameFormatSpectral range/μmPitch/μmPerformance



    SUI
    640×512
    1280×1024
    0.7-1.7
    0.5-1.7
    12.5
    12.5
    The plane array frame frequency is 60 Hz
    Quantum efficiency (QE) ≥65%
    Pixel operability≥99%
    The detectivity in 60 Hz mode is 2.8×1013 cm·Hz1/2·W−1
    ROIC noise is 25 e
    Dynamic range is 1850:1
    1024×1
    2048×1
    0.8-1.7
    0.99-1.61
    25
    10
    Linear array (2048×1) maximum frame frequency is 12 kHz
    QE>70%
    Pixel operability is 99%
    Dynamic range (Low gain mode) >2100:1


    Teledyne Princeton Instruments
    640×512
    0.9-1.7
    20
    NIRvana HS:
    QE>80% (1-1.6 μm )
    Frame frequency is 250 Hz
    Dark current is 500 e·pixel−1·s−1 @ −55 °C
    ROIC noise<60 e
    1024×1
    0.8-1.7
    0-2.2
    25
    Linear array QE>85%
    ROIC noise is 400 e
    Minimum dark current is 5.7 ke·pixel−1·s−1

    Princeton
    Infrared
    Technologies
    1280×1024 0.4-1.7 12 QE>75% (1-1.6 μm)
    ROIC noise<45 e
    Maximum frame frequency is 100 Hz
    Dynamic range≥3000:1
    1024×1 0.4-1.7 12.5 Linear array ROIC noise<75 e
    Dynamic range>6000:1


    FILR
    640×512
    0.9-1.7
    0.6-1.7
    15
    QE>60%
    Maximum frame frequency is 180 Hz
    Pixel operability is 99.8%
    1920×1080
    0.9-1.7 10 ROIC noise<30 e(High gain mode)
    Frame frequency is 16 outputs≥120 Hz
    Teledyne Technologies 512×1
    1024×1
    0.95-1.7
    25
    12.5
    Frame frequency is 49 kHz
    QE (typical) is 66%
    Dark current<5 pA
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    表  3  NIT SWIR产品的研发情况

    Table  3.   The development of NIT SWIR products

    Product nameFormatPitch/μmPerformance
    WiDy SWIR 320 320×256 25 Frame frequency is 200 Hz
    QE is 70%
    Dynamic range is 120 dB
    WiDy SenS 640 640×512 15 Frame frequency is 230 Hz
    QE>70%
    Maximum dynamic range is 120 dB

    SenS 1280

    1280×1024

    10
    Frame frequency is 60 Hz
    QE>85%
    Maximum dynamic range is 61 dB
    Dark current is 50 ke·pixel−1·s−1
    ROIC noise<30 e
    HiPe SenS 640 640×512 15 Frame frequency is 230 Hz
    QE is 90%
    Dark current<1.5 ke·pixel−1·s−1 @20 °C
    ROIC noise<30 e
    LiSa SWIR 2048 2048×1 7.5 Frame frequency is 60 kHz
    QE>85%
    Minimum ROIC noise is 250 e
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    表  4  Cardinal系列的性能情况

    Table  4.   The performance of Cardinal series

    Product nameCardinal 640Cardinal 1280
    Format640×5121280×1024
    Pitch/μm1510
    QE>80%>80%
    Dark current/density @280 K<1.5 nA/cm2<1 fA
    Frame frequency/Hz350150
    Pixel operability≥99.5%>99.5%
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    表  5  Xenics SWIR产品

    Table  5.   Xenics SWIR products

    Product nameFormatSpectral range/μmPitch/μmPerformance
    Bobcat-320-Gated 320×256 0.9-1.7 20 Frame frequency is 400 Hz,QE is 80%
    Dynamic range is 61 dB,ROIC noise is 60 e
    Dark current is 190 ke·pixel−1·s−1@200 mV, 288 K
    Bobcat-640 640×512 0.5-1.7 20 Frame frequency is 100 Hz,QE is 80%
    Dynamic range is 60 dB,ROIC noise is 120 e
    Dark current<100 ke·pixel−1·s−1@150 mV, 288 K
    Xeva-320 320×256 0.5-1.7 30 Frame frequency is 344 Hz,QE is 80%
    Dynamic range is 70 dB,ROIC noise is 150 e
    Dark current<10 ke·pixel−1·s−1@223 K
    Cheetah-640 640×512 0.5-1.7 20 Frame frequency is 1730 Hz,QE is 80%
    Dynamic range is 60 dB,ROIC noise is 120 e
    Dark current<100 ke·pixel−1·s−1@150 mV, 288 K
    Manx R 2048×1 0.9-1.7 12.5 Frame frequency is 256 kHz,QE is 80%
    Dynamic range is 69 dB,ROIC noise is 350 e
    Dark current<1.6 Me·pixel−1·s−1@100 mV, 293 K
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    表  6  国内部分科研单位短波红外探测器的研发情况

    Table  6.   The research and development of short wavelength infrared detectors in some domestic research institutes

    Research unitFormatSpectral range/μmPerformance
    Shanghai Institute of Technical Physics,
    Chinese Academy of Sciences
    1280×1024 0.9-1.7 Blind pixel rate<1%
    Response non-uniformity is 6.4%
    Dark current density>5 nA/cm2@300 K
    Peak detectivity>5×1012 cm·Hz1/2·W−1@300 K
    1024×32 0.9-2.2 Blind pixel rate is 0.44%,
    Response non-uniformity is 5.7%, QE is 81.7% (1.6 μm)
    Peak detectivity is 2.5×1012 cm·Hz1/2·W−1@200 K
    1024×512 0.95-2.5 Peak detectivity is 8×1011 cm·Hz1/2·W−1@200 K
    Response non-uniformity is 6%
    Frame frequency>250 Hz
    2560×2048 0.9-1.7 Blind pixel rate is 0.26%
    Response non-uniformity is 3.81%
    Peak detectivity is 1.11×1013 cm·Hz1/2·W−1
    Guohui Optoelectronics 640×512
    0.9-1.7 Pixel pitch is 15 μm, QE≥65%
    Detectivity≥5×1012 cm·Hz1/2·W−1
    ROIC noise is 50 e(High gain mode)
    Dynamic range is 120 dB (Logarithmic mode)
    Response non-uniformity<3%
    Pixel operability>99.5%
    Minimum frame frequency is 340 Hz
    1280×1024 0.9-1.7 Pixel pitch is 15 μm
    Dark current density is 2.25 nA/cm2@25 ℃
    Detectivity is 1.1×1013cm·Hz1/2·W−1
    ROIC noise is 48 e
    QE is 88%@1.55 μm
    Pixel operability>99%[29]
    The 44 th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation 320×240 1.0-1.7 Peak detectivity is 6.7×1012 cm·Hz1/2·W−1
    QE>65%
    256×1 0.9-1.7 Peak detectivity is 1.2×1012 cm·Hz1/2·W−1
    Response non-uniformity is 3.87%
    0.9-2.4 Peak detectivity is 3.25×1010 cm·Hz1/2·W−1
    Response non-uniformity is 11%
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-11-25
  • 修回日期:  2022-01-11
  • 网络出版日期:  2022-02-10
  • 刊出日期:  2022-01-25

短波红外探测器的发展与应用(特邀)

doi: 10.3788/IRLA20210897
    作者简介:

    马旭,男,硕士生,主要从事半导体光电器件物理与器件方面的研究

    通讯作者: 史衍丽,女,研究员,博士生导师,主要从事半导体光电器件物理与器件方面的研究。
基金项目:  云南省重大科技专项(2018 ZI002)
  • 中图分类号: TN215

摘要: 短波红外波段作为“大气透过窗口”之一,探测器工作在该波段能获得目标更多的辐射能量。另外,短波红外对近室温目标的探测成像类似于可见光的反射式成像,一方面拥有中长波红外探测缺少的细节分辨能力,另一方面具有穿透烟雾进行成像等可见光探测不具备的能力。随着短波红外探测器在军事、民用领域的广泛应用,对短波红外探测器的性能、成本提出了更高的要求,InGaAs探测器由于高达约70%~90%的量子效率、室温下约8000 cm2/(V·s)的高迁移率,以及高灵敏度、高速响应、低成本的应用优势,是目前短波红外探测器的最佳选择。为了进一步扩展波长、提高分辨率、降低成本,发展了基于II类超晶格、胶体量子点、硅基材料等新材料和新工艺的短波红外探测器。文中对美国、法国、以色列、中国等国内外短波红外探测器的发展现状进行了归纳整理,对有关短波红外探测器的新材料和新工艺进行了报道,最后探讨分析了短波红外探测器的未来发展趋势。

English Abstract

    • 红外线指波长在0.78~1000 μm的电磁波,大气中对红外辐射吸收较少的三个波段称为“大气窗口”,军事应用上称为短波红外、中波红外和长波红外[1]。短波红外(SWIR)波长在1~3 μm,主要利用日光、月光、星光等反射成像,与可见光成像原理类似,在分辨率和细节上与黑白可见光图像相当,这使得目标易于识别,并在微光夜视、精确制导、空间遥感、近红外光谱分析、工业控制、生物医疗和航天航空等领域[2-5]获得广泛的应用。表1所示为短波红外的成像特点及应用领域[6]

      表 1  SWIR的成像特点及应用领域

      Table 1.  Imaging characteristics and application fields of SWIR

      Imaging characteristicsApplication fields
      Based on room temperature target reflection imaging, clear detailsNight vision imaging application
      Fingerprint characteristics for substance identificationSpectral imaging
      Eye safety laser 155X nm detection and positioningOptical fiber detection, satellite internet
      Thermal radiation imaging of high temperature targetsMissile plume detection
      Strong ability to wear fog, haze, sand, smoke and glassImaging detection under harsh conditions
      Camouflage recognition, wig, fake beard recognitionAnti-terrorism application
      The water has strong absorption of short waves, and the water target has a large contrastMaritime border security, early warning
      Operation at or near room temperature, small size, light weight, low energy consumptionApply to the cell-phone's imaging

      目前用于制造短波红外探测器的材料主要有HgCdTe、InGaAs、PbS、PtSi等,随着InGaAs材料生长和芯片制作工艺的不断成熟,相较于其他材料,采用InGaAs材料制备的探测器芯片具有灵敏度高、可室温操作、体积小等优点,在短波红外探测器的选择中脱颖而出。经过近40多年的发展,百万像素高性能、高密度InGaAs大面阵焦平面阵列技术在欧美先进国家以及日本已实现产业化,最小像元中心距达到5 μm;国内目前的InGaAs产品规格主要是15 μm中心距640×512,10 μm、15 μm中心距1 280×1024正在陆续推出。为了进一步减小像元中心距,提高分辨率和阵列规格,美国、中国和加拿大的相关研究机构正在研究中心距5 μm以下、百万像素或以上的胶体量子点(Colloidal Quantum Dot, CQD)短波红外探测器技术;为了充分利用现有的大面积硅(Si)基集成电路技术,提高集成度,发展了直接集成在12 in(1 in=2.54 cm)Si读出电路上的GeSi SWIR探测器技术;为了进一步扩展波长,利用二类超晶格材料响应波长的可调谐性,推出了截止波长2.0 μm以上的二类超晶格(T2SLs)短波红外探测器。文中对以上短波红外探测器的发展技术进行了归纳总结,探讨分析了今后短波红外探测器的发展方向。

    • 美国Sensors Unlimited Incorporation(SUI)在全球SWIR市场具有领先地位,陆续推出了功能强大的面阵、线阵扫描SWIR产品。该公司的技术路线为InGaAs线阵一般采用正照明,读出电路(ROIC)与每个像素间采用引线键合方式实现电学连接;二维面阵采用背照明,InGaAs 阵列与ROIC之间则采用In柱倒装焊方式连接[7]。技术优势为高量子效率和高灵敏度,响应波长包括标准的0.9~1.7 μm,并向可见光方向拓展至0.5 μm,其中在0.95 μm处的量子效率可达90%,图1为SUI产品量子效率图[8]。美国FLIR公司报道了A6260系列短波红外热像仪[9],配备640×512规格的InGaAs探测器,最大帧频为180 Hz,适合抓拍高速场景,可测量400 ℃以上的温度,适合于烤箱、熔炉等需要高温测量的应用;后续推出的Tau SWIR热像仪[10],利用相关双采样技术(CDS)有效降低噪声,结构紧凑,易于集成。Teledyne Princeton Instruments公司的NIRvana:LN相机,拥有同类相机中最低的暗电流噪声,为10 e/pixel/s @−190 ℃,积分时间可达一个小时,非常适合天文观测[11];同时,NIRvana系列还可以用于量子点荧光实验、纳米管成像。麻省理工学院的Bawendi实验室[12],在2017年利用NIRvana 640,实现了清晰的小鼠体内成像;2021年,Jana Zaumseil教授的团队[13],使用NIRvana 640成功对单壁碳纳米管进行成像。表2给出了SUI公司面阵和线阵器件的典型性能指标,同时汇总了美国部分SWIR公司的最新发展情况。

      图  1  SUI产品量子效率图

      Figure 1.  Quantum efficiency of the SUI product

      表 2  美国部分SWIR公司的最新发展情况

      Table 2.  The latest development of SWIR companies in the US

      Corporate nameFormatSpectral range/μmPitch/μmPerformance



      SUI
      640×512
      1280×1024
      0.7-1.7
      0.5-1.7
      12.5
      12.5
      The plane array frame frequency is 60 Hz
      Quantum efficiency (QE) ≥65%
      Pixel operability≥99%
      The detectivity in 60 Hz mode is 2.8×1013 cm·Hz1/2·W−1
      ROIC noise is 25 e
      Dynamic range is 1850:1
      1024×1
      2048×1
      0.8-1.7
      0.99-1.61
      25
      10
      Linear array (2048×1) maximum frame frequency is 12 kHz
      QE>70%
      Pixel operability is 99%
      Dynamic range (Low gain mode) >2100:1


      Teledyne Princeton Instruments
      640×512
      0.9-1.7
      20
      NIRvana HS:
      QE>80% (1-1.6 μm )
      Frame frequency is 250 Hz
      Dark current is 500 e·pixel−1·s−1 @ −55 °C
      ROIC noise<60 e
      1024×1
      0.8-1.7
      0-2.2
      25
      Linear array QE>85%
      ROIC noise is 400 e
      Minimum dark current is 5.7 ke·pixel−1·s−1

      Princeton
      Infrared
      Technologies
      1280×1024 0.4-1.7 12 QE>75% (1-1.6 μm)
      ROIC noise<45 e
      Maximum frame frequency is 100 Hz
      Dynamic range≥3000:1
      1024×1 0.4-1.7 12.5 Linear array ROIC noise<75 e
      Dynamic range>6000:1


      FILR
      640×512
      0.9-1.7
      0.6-1.7
      15
      QE>60%
      Maximum frame frequency is 180 Hz
      Pixel operability is 99.8%
      1920×1080
      0.9-1.7 10 ROIC noise<30 e(High gain mode)
      Frame frequency is 16 outputs≥120 Hz
      Teledyne Technologies 512×1
      1024×1
      0.95-1.7
      25
      12.5
      Frame frequency is 49 kHz
      QE (typical) is 66%
      Dark current<5 pA
    • 作为红外探测器全球领先的制造商—Sofradir,自2006年开始研究高品质的InGaAs材料,于2007年推出CACTUS 320 InGaAs阵列,像素规格为320×256,像元中心距为30 μm,采用电容反馈跨阻放大器(CTIA)结构的商业ROIC,以及半导体制冷器 (Thermo Electric Cooler,TEC)进行温度冷却。于2012年开始生产CACTUS 640组件,该组件具有25 μm中心距的640×512 InGaAs阵列[14]。CACTUS 320和CACTUS 640组件专为0.9~1.7 μm(可拓展到可见光波段)的夜天光低通量辐射探测设计。

      由于CACTUS系列组件的成功应用,Sofradir获得了法国国防部的支持,开发像元中心距15 μm的640×512 InGaAs组件,并于2013年底开始生产SNAKE-SW系列[15]产品,响应波段覆盖0.9~1.7 μm波段,阵列规格为640×512,像元尺寸为15 μm,最大帧频为300 Hz,量子效率为70%,ROIC噪声为30 e,在0.2 V偏压下暗电流为30 fA,阵列可操作性为99.9%,未校正的不均匀性为4%,使用TEC制冷器。2014年10月,Sofradir公司推出了像元中心距15 μm的1024×1024可见光-短波红外NGP探测器[16-17],响应波长为0.35~2.5 μm,材料为HgCdTe,采用抗反射涂层后,峰值量子效率高达98%,NGP探测器被选择用于Sentinel-5任务,计划于2021年搭载MetOp-SG卫星升空,用于从极地轨道上对地球大气层进行监测。Sofradir于2017年6月15日宣布,正在开发第一款2048×2048、15 μm中心距的短波红外探测器[18],并在量子效率、暗电流、积分时间和噪声方面进一步提高和优化,更好地应用于天文观测。

      法国New Imaging Technologies (NIT) 对SWIR技术进行了大量的研发投资,采用对数读出的方式,推出了动态范围高达120 dB的InGaAs探测器,覆盖0.9~1.7 μm波段,表3为NIT SWIR产品的主要性能指标[19]

      表 3  NIT SWIR产品的研发情况

      Table 3.  The development of NIT SWIR products

      Product nameFormatPitch/μmPerformance
      WiDy SWIR 320 320×256 25 Frame frequency is 200 Hz
      QE is 70%
      Dynamic range is 120 dB
      WiDy SenS 640 640×512 15 Frame frequency is 230 Hz
      QE>70%
      Maximum dynamic range is 120 dB

      SenS 1280

      1280×1024

      10
      Frame frequency is 60 Hz
      QE>85%
      Maximum dynamic range is 61 dB
      Dark current is 50 ke·pixel−1·s−1
      ROIC noise<30 e
      HiPe SenS 640 640×512 15 Frame frequency is 230 Hz
      QE is 90%
      Dark current<1.5 ke·pixel−1·s−1 @20 °C
      ROIC noise<30 e
      LiSa SWIR 2048 2048×1 7.5 Frame frequency is 60 kHz
      QE>85%
      Minimum ROIC noise is 250 e
    • 以色列Semi Conductor Devices (SCD)公司是一家处于国际领先地位的红外探测器供应商。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[20],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 (1280×1024)两种规格,帧频高达350 Hz(640×512规格)和150 Hz (1280×1024),采用高信噪比的全数字化ROIC(基于0.18 μm CMOS工艺),表4为Cardinal系列的性能情况[21-22]

      表 4  Cardinal系列的性能情况

      Table 4.  The performance of Cardinal series

      Product nameCardinal 640Cardinal 1280
      Format640×5121280×1024
      Pitch/μm1510
      QE>80%>80%
      Dark current/density @280 K<1.5 nA/cm2<1 fA
      Frame frequency/Hz350150
      Pixel operability≥99.5%>99.5%
    • 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1024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2200 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[23]

      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5为Xenics推出的InGaAs短波红外产品的性能参数[24]

      表 5  Xenics SWIR产品

      Table 5.  Xenics SWIR products

      Product nameFormatSpectral range/μmPitch/μmPerformance
      Bobcat-320-Gated 320×256 0.9-1.7 20 Frame frequency is 400 Hz,QE is 80%
      Dynamic range is 61 dB,ROIC noise is 60 e
      Dark current is 190 ke·pixel−1·s−1@200 mV, 288 K
      Bobcat-640 640×512 0.5-1.7 20 Frame frequency is 100 Hz,QE is 80%
      Dynamic range is 60 dB,ROIC noise is 120 e
      Dark current<100 ke·pixel−1·s−1@150 mV, 288 K
      Xeva-320 320×256 0.5-1.7 30 Frame frequency is 344 Hz,QE is 80%
      Dynamic range is 70 dB,ROIC noise is 150 e
      Dark current<10 ke·pixel−1·s−1@223 K
      Cheetah-640 640×512 0.5-1.7 20 Frame frequency is 1730 Hz,QE is 80%
      Dynamic range is 60 dB,ROIC noise is 120 e
      Dark current<100 ke·pixel−1·s−1@150 mV, 288 K
      Manx R 2048×1 0.9-1.7 12.5 Frame frequency is 256 kHz,QE is 80%
      Dynamic range is 69 dB,ROIC noise is 350 e
      Dark current<1.6 Me·pixel−1·s−1@100 mV, 293 K
    • 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2(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[25],如图2(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、1296×1032,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3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  2  传统的铟柱倒装互联技术(a)与索尼的铜铜互联技术(b)

      Figure 2.  Traditional flip chip bonding technology via indium (a) and SONY's copper-copper connection technology (b)

      图  3  索尼产品的量子效率图

      Figure 3.  Quantum efficiency of SONY products

      日本滨松集团[26]也在生产SWIR产品,其线阵为1024×1、512×1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

    • 在国内,许多科研单位和企业一直着眼于短波红外探测器的研究,并获得了长足的发展和应用。目前,国内640×512规格InGaAs短波红外探测器制造技术已趋于成熟稳定,其产品性能指标逼近国际领先水平,同时全国产化的1280×1024、2560×2048规格探测器也在陆续推出。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[27]。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[28]表6为目前已见报道的国内部分科研单位、企业进行InGaAs短波红外探测器研发生产的情况。

      表 6  国内部分科研单位短波红外探测器的研发情况

      Table 6.  The research and development of short wavelength infrared detectors in some domestic research institutes

      Research unitFormatSpectral range/μmPerformance
      Shanghai Institute of Technical Physics,
      Chinese Academy of Sciences
      1280×1024 0.9-1.7 Blind pixel rate<1%
      Response non-uniformity is 6.4%
      Dark current density>5 nA/cm2@300 K
      Peak detectivity>5×1012 cm·Hz1/2·W−1@300 K
      1024×32 0.9-2.2 Blind pixel rate is 0.44%,
      Response non-uniformity is 5.7%, QE is 81.7% (1.6 μm)
      Peak detectivity is 2.5×1012 cm·Hz1/2·W−1@200 K
      1024×512 0.95-2.5 Peak detectivity is 8×1011 cm·Hz1/2·W−1@200 K
      Response non-uniformity is 6%
      Frame frequency>250 Hz
      2560×2048 0.9-1.7 Blind pixel rate is 0.26%
      Response non-uniformity is 3.81%
      Peak detectivity is 1.11×1013 cm·Hz1/2·W−1
      Guohui Optoelectronics 640×512
      0.9-1.7 Pixel pitch is 15 μm, QE≥65%
      Detectivity≥5×1012 cm·Hz1/2·W−1
      ROIC noise is 50 e(High gain mode)
      Dynamic range is 120 dB (Logarithmic mode)
      Response non-uniformity<3%
      Pixel operability>99.5%
      Minimum frame frequency is 340 Hz
      1280×1024 0.9-1.7 Pixel pitch is 15 μm
      Dark current density is 2.25 nA/cm2@25 ℃
      Detectivity is 1.1×1013cm·Hz1/2·W−1
      ROIC noise is 48 e
      QE is 88%@1.55 μm
      Pixel operability>99%[29]
      The 44 th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation 320×240 1.0-1.7 Peak detectivity is 6.7×1012 cm·Hz1/2·W−1
      QE>65%
      256×1 0.9-1.7 Peak detectivity is 1.2×1012 cm·Hz1/2·W−1
      Response non-uniformity is 3.87%
      0.9-2.4 Peak detectivity is 3.25×1010 cm·Hz1/2·W−1
      Response non-uniformity is 11%
    • InGaAs短波红外焦平面探测器的发展已进入瓶颈期,采用铟柱互连的技术,短时间内进一步降低成本、提高分辨率存在困难。随着性能优良的新材料不断涌现,寻找成本更低的替代材料,提升制作工艺,成为SWIR探测器发展的关键。

    • 胶体量子点(CQD)是一种零维纳米材料,由于量子限制效应,其光学吸收光谱可以通过控制物理尺寸来调节;CQD SWIR探测器不需要复杂的外延技术,通过旋涂法等溶液加工技术,室温下便可在CMOS读出电路上生长CQD,生产效率远高于其他SWIR探测器。

      目前在SWIR波段,主要是采用PbX (X=S,Se) CQD进行探测。2015年,RTI International (RTI)[30]公司开发了基于PbS CQD的SWIR探测器,二极管结构如图4所示,该器件的核心是利用PbS-C60异质结,提供有效的电荷分离和载流子提取。测试器件的线列大小为320×1,在−10 mV偏压下,室温暗电流密度为6.8 nA/cm2,在0.8 μm处量子效率为23%。2017年L.Barrow等[31]利用PbS CQD 设计出阵列大小为1280×960,像元中心距为1.5 μm的SWIR探测器,暗电流4.27 nA/cm2,读出噪声为19 e,在0.94 μm处的外量子效率(External Quantum Efficiency,EQE)为31%。

      图  4  RTI二极管的结构图

      Figure 4.  Structure of RTI diode

      2018年,RTI成立SWIR Vision Systems公司,推出了首个商业化CQD SWIR产品—Acuros CQD SWIR相机[32],像素规格有640×512、1280×1024、1920×1080,响应波长为0.4~1.7 μm/0.35~2 μm,像元间距为15 μm,最大帧频可达270 Hz,像素可操作性为99.5%,动态范围为70 dB (0.4~1.7 μm),量子效率<30% (0.9~1.7 μm),成像效果如图5所示。

      图  5  (a)海上降雨成像;(b)药瓶标签成像;(c)晶片对准标记;(d)半导体裂缝检测

      Figure 5.  (a) Sea rainfall imaging; (b) Drug bottle label imaging; (c) Chip alignment marking; (d) Semiconductor crack detection

      比利时微电子研究中心(Interuniversity Microelectronics Centre,IMEC),2020年推出了1.82 μm小像元中心距的高分辨率SWIR探测器[33]。IMEC通过将CQD薄膜光电探测器与 Si-CMOS 读出电路单片集成,采用130 nm CMOS技术,探测器采用薄吸收层,通过调整PbS CQD的尺寸大小,峰值波长可达2 μm以上,在峰值 SWIR 波长处,EQE为18%,并可进一步提升到50%。

      2021年3月,加拿大多伦多大学Edward H. Sargent等[34]设计了一种新的合成路径制备SWIR CQD,使用PbS量子点材料,通过多次钝化,获得了稳定的高质量薄膜,在1.55 μm处的EQE高达80%,响应率为1 A·W−1,探测率为8×1011 cm·Hz1/2·W−1。目前,PbS CQD的EQE最高可达80%,但是报道的暗电流非常高或者没有报道,需要在不增加暗电流的同时提高EQE。2021年6月,IMEC的V. Pejović等[35]利用PbS CQD与CMOS ROIC集成,并采用3 T像素读出结构代替InGaAs探测器常用的CTIA结构,如图6所示。设计出了阵列大小为768×512,像元间距为5 μm的SWIR探测器,在1.45 μm处的EQE为40%,暗电流密度为3.3×10−6 A/cm2,读出噪声为25 e。HgY (Y=S、Te、Se) CQD常用于中波红外(MWIR)波段,利用CQD的禁带宽度可调性,通过改变HgY CQD的尺寸大小,也可实现SWIR波段的响应。2021年,北京理工大学唐鑫等[36]采用背靠背的方式,垂直堆叠两个不同尺寸的HgTe CQDs光电二极管,以100 kHz的频率在SWIR (<2.5 μm)和MWIR (3~5 μm)之间快速切换,低温下探测率>1010 cm·Hz1/2·W−1

      图  6  (a) CQD结构的TEM成像;(b) ROIC的集成

      Figure 6.  (a) TEM imaging of CQD structure; (b) ROIC integration

    • 由于InGaAs晶格常数需要与InP衬底匹配,导致大多数SWIR探测器截止波长<1.7 μm。随着各类需求的与日俱增,将截止波长拓展至2.5 μm成为目前的关注热点之一。利用InAs/GaSb II类超晶格(T2SLs)带隙可调的特性,通过改变InAs和GaSb层的厚度,InAs/GaSb T2SLs材料具有非常宽的光吸收响应范围(3~30 μm)。目前,T2SLs SWIR探测器在材料和器件结构设计、材料外延生长技术、焦平面器件制备和读出电路设计技术等方面取得了令人瞩目的进展,被认为是一种用于制造高性能红外光电探测器的优选材料。

      自1977年Sai-halasz等[37]首先提出可以采用InGaAs/GaAsSb超晶格材料进行SWIR探测,II类超晶格(T2SLs)探测器开始了快速发展。2013年西北工业大学M.Razeghi等[38]采用背靠背的PNP结构,制备出基于InAs/GaSb/AlSbII类超晶格的320×256 SWIR/MWIR双波段探测器。2015年,西北工业大学[39]采用分子束外延技术在GaSb (100)衬底上生长出了高表面质量的InAs/GaSb超晶格SWIR材料,在300 K时截止波长为3.05 μm,通过阳极氟化和硫化锌复合钝化方法,在−0.5 V偏压下,暗电流密度低至 3.14× 10−7 A/cm2,器件性能优良。

      2017年,中国科学院半导体研究所牛智川研究团队[40]等报道了基于InAs/GaSb 320×256 T2SLs双波段探测器,器件采用NPN结构,以GaSb为衬底,图7为SWIR和MWIR波段的热成像和响应度图。77 K温度下器件的截止波长分别为2.9 μm和5.1 μm,在无偏压、无抗反射涂层的条件下,在1.7 μm处的峰值量子效率为37%;在130 mV偏压下,在3.2 μm处的峰值量子效率为28%。在2.5 μm、3.2 μm处的探测率分别1.51×1012 cm·Hz1/2·W−1、6.11×1011 cm·Hz1/2·W−1。短波波段和中波波段的噪声等效温差(Noise Equivalent Temperature Difference,NETD)平均值分别为107 mK、487 mK。以色列耶路撒冷希伯来大学的Y.Uliel等[41]报道了基于InGaAs/ GaAsSb T2SLs的SWIR探测器,截止波长为2.4 μm,采用台面型PIN光电二极管结构,在300 K和230 K温度下的暗电流密度分别为1.5 mA/cm2和32 μA/cm2,通过选择性扩散工艺,暗电流分别降低到1.2 mA/cm2和12 μA/cm2;在300 K温度下,2.18 μm处的量子效率可达40%,在2 μm处的探测率为1.7×1010 cm·Hz1/2·W−1

      图  7  在77 K温度下,短波、中波的热成像和响应度

      Figure 7.  Thermal imaging and responsivity of short and medium wavelength at 77 K

      2019年,朱旭波等[42]采用MBE生长出性能优良的PNP结构T2SLs材料,采用硫化与SiO2复合钝化,制备出了基于InAs/GaSb 320×256双色焦平面探测器。该探测器的短波响应波段为1.7~3 μm,中波为3~5 μm。双波段峰值探测率达到中波≥3.7×1011 cm·Hz1/2·W−1,短波2.2×1011 cm·Hz1/2·W−1。响应非均匀性中波为9.9%,短波为9.7%。中波有效像元率为98.46%,短波为98.06%。

      2020年,Stephenson等[43]以InP为衬底,设计了基于InGaAs/GaAsSb T2SLs的拓展短波红外探测器,截止波长为2.6~2.9 μm。在−1 V偏压下,在295 K和235 K温度下的暗电流密度分别为1.4 mA/cm2、13 μA/cm2,但是EQE较低,仅为几个百分点,需要进一步优化。

      2021年,上海理工大学量子器件实验室[44]报道了基于InP的拓展SWIR探测器,采用半导体异质结构,以In0.53Ga0.47As/GaAs0.5Sb0.5 T2SLs作为集电极和基极层,覆盖1~2.7 μm的短波红外波段,在−0.8 V偏压、2 μm处,室温下的响应度为86 A/W,探测率为6.59×1010 cm·Hz1/2·W−1,暗电流密度为4.57 A/cm2

    • 2016年,中国科学院半导体物理研究所[45]制造了基于Si的GeSn PIN短波红外探测器,利用MBE将高品质的Ge0.92Sn0.08薄膜生长在n型Si (100)衬底上,截止波长为2.3μm。施加1 V反向偏压,室温下响应度为93 mA/W,暗电流为171 μA。

      2020年,美国Stratio公司[46]发布了全球首款基于锗并兼容智能手机的BeyonSense SWIR相机。其核心技术为,以低成本的Ge材料代替传统InGaAs,采用选择性外延Ge生长技术与成熟的Si基CMOS读出电路技术相结合;同时采用双用双芯片封装(传感器与ROIC)技术,相比于目前成熟的单片集成技术方案具有更大的制造灵活性。BeyonSense Pre拥有11×8 pixel,覆盖0.4~1.6 μm波段,最大帧频为20 Hz。

      2021年,德国于利希研究中心[47]通过两个p-i-n光电二极管的垂直集成获得了一种新型双波段GeSn/Ge/Si探测器,可以通过改变偏置电压极性在近红外(0.75~1.4 μm)和短波红外(1.4~2.5 μm)两个波段之间切换光谱响应,极大地拓宽了操作的光谱范围。在1.1~1.55 μm范围内施加−0.15 V偏压,探测率超过1×1010 cm·Hz1/2·W−1,在1.2 μm处探测率最大,为2×1010 cm·Hz1/2·W−1;在1.6~2.25 μm范围内施加+0.25 V偏压,探测率超过3×109 cm·Hz1/2·W−1,在1.9 μm处探测率最大,为4×109 cm·Hz1/2·W−1。此外,以GeSi光子技术为核心的光程研创[48](Artilux)发布,基于12 in Si的CMOS工艺结合高分辨率GeSi像素制造技术,推出了GeSi SWIR两维/三维双模(2 D/3 D)感知芯片,在单个芯片上同时具备两维和三维(含深度信息)探测成像的功能,实现了SWIR波段从2 D成像技术到3 D成像技术的巨大突破。另外,该技术利用与Si CMOS技术完全兼容的GeSi探测芯片单片集成技术,解决了目前SWIR成像像素只能在6 in以下晶圆产线制造的问题,直接在12 in晶圆产线进行量产制造,必将带来显著的成本优势,并进一步促进SWIR技术在机器视觉、半导体工艺检测、工业质量管控、激光雷达等应用场景的应用。

    • InGaAs探测器凭借其优异性能成为SWIR探测器的首选,但是其各项性能已经接近极限,在进一步缩小像素间距、提高分辨率、扩大阵列规格方面遇到瓶颈,且面临可见光波段灵敏度低,成本高昂导致民用领域应用受限等问题。未来短波红外探测器的发展将会集中在以下几个方面:(1)拓展波长SWIR探测器。随着响应波长的延长,能获得目标更丰富的信息,获得更宽阔的应用市场,对响应波长扩展到2 μm以上的探测需求与日俱增,同时也面临着降低暗电流、提高信噪比的技术问题。(2)使用低维材料制备SWIR探测器。胶体量子点(CQD)因其易于溶液加工、制造成本低、尺寸可调的特性,可以制造出更小像元间距、更高分辨率、成本更低的SWIR探测器,部分性能已经优于InGaAs SWIR探测器,成为下一代SWIR探测器的材料选择。进一步的研究工作包括在提升外量子效率与降低暗电流方面进行突破。(3)与Si基CMOS技术兼容的GeX、SiX SWIR技术,将成为一大研究热点。借助成熟的、高集成度的Si工艺,实现SWIR探测器,是提高集成度、实现功能多样化、提高成品率、降低成本的最佳选择,将开启SWIR技术的新挑战和发展应用。(4)借助于单像素成像等技术实现低成本SWIR相机,单像素成像技术不需要复杂的芯片工艺,探测器只有一个点像素,但结合计算成像、深度学习等技术,可实现低成本高分辨率的短波红外成像。

    • 文中归纳整理了美国、法国、以色列、比利时和日本等国外主要机构的InGaAs短波红外探测器的最新研究成果及国内的发展现状,报道了有关短波红外探测器的新材料和新工艺技术,提出了现阶段短波红外探测器的发展趋势。国外的产品器件性能好,市场竞争力强,具备读出噪声、暗电流小,量子效率高等优势;国产短波红外探测器目前正向更大面阵(百万像素以上),更小像元尺寸(像元间距10 μm以下)发展,器件性能还有优化空间。短波红外探测器在军事和民用领域都有着广阔的应用需求,前者重在需要更高灵敏度、更高像元密度、更大面阵的产品;而民用领域的应用则需要成本低廉、集成简单的产品。应根据军民两用市场需求,加强创新,优化制备工艺,加快新材料的研发,研制出性能优越、竞争力强,同时又兼具国产特色,凝聚中国智慧的短波红外探测器。

参考文献 (48)

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