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非制冷红外探测器系统的工作原理是光学系统接受被测物体的红外辐射,经过光谱滤波后将红外辐射能量信息反映在焦平面阵列上。焦平面阵列敏感元接收红外辐射后桥面升温,引起桥面内热敏材料的电阻变化,从而引起电路中电压(或电流)的变化。读出电路对电信号的变化进行积分放大,经A/D转换后送入微机做视频图像处理,再经D/A转换形成代表温度信号的视频图像[11]。
微桥结构的设计和制备直接决定了像元阵列的热容、热导和吸收率等,从而决定探测器性能的优劣,故需要对微桥结构进行精心设计。非制冷焦平面探测器的电压响应率计算公式为:
$${R_{\rm{v}}} = {{{I_{\rm{b}}}\alpha R\eta } / G}{(1 + {\omega ^2}{\tau ^2})^{1/2}}$$ (1) 式中:
${I_{\rm{b}}}$ 为偏置电流;$\alpha $ 为热敏电阻薄膜温度系数;$R$ 为电阻;$\eta $ 为吸收率;$G$ 为热导。如公式(1)所示:1)响应率与热导$G$ 成反比,即要求微桥桥面与衬底之间尽量小的热导,故应采用细长型桥腿;2)响应率与吸收率$\eta $ 成正比,为获得更大的吸收率,要求微桥结构对红外辐射有尽量大的有效吸收面积;3)结构稳定可靠。单层微桥结构桥腿和有效红外吸收面占据同一平面,如图1所示,无法同时满足低热导和高吸收面积的需求,即无法满足小型化器件的性能要求,将逐步被双层微桥结构所取代。
双层结构(如图2所示)桥面在上吸收红外辐射,桥腿在下形成长桥腿低热导设计。有空间进行长桥腿和大吸收面积的设计。
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在器件小型化进程中,像元尺寸逐步缩小,为保证低热导的需求,需做进一步延长桥腿设计。共用式桥腿设计使得单个像元桥腿可以占据两个像元空间,如图4所示,列相邻两个像元共用一根长桥腿,极大的延长了桥腿长度。图4(a)中,桥面1、2、3相互独立,分别对应阵列中其中一列像元中的三个像元位置,独立的桥面吸收红外辐射不会形成热信号的串扰。桥面1、2共用桥腿1,桥腿1同时占据桥面1、2的半个像元位置,即桥腿1占据了一个像元位置;同理桥面2、3共用的桥腿2也占据了一个像元位置。故连接桥面2的桥腿1和2总共占据了两个像元位置。像元工作时,以桥面2位置像元为例,桥面2的热信号通过支撑薄膜连接的上端连接锚柱1、2传到至桥腿1、2,桥腿1、2通过下端连接锚柱1、2与电路导通,从而形成电学回路。
图 4 共用式桥腿微桥结构平面示意图(a)和三维图(b)
Figure 4. Plane schematic (a) and 3-D diagram (b) of common-leg structure
如图4(b)所示,共用式桥腿结构中的像元桥面占据一个像元的上层位置空间;中间层为桥腿层,每根桥腿占据本像元的半个像元位置,延伸出一半的桥腿占据列相邻像元的半个像元空间。由于每个桥面均通过两根桥腿向电路基底导通,故可以认为单个像元所拥有的桥腿占据了两个像元空间。
单个像元桥腿可以占据两个像元空间,给桥腿设计留出了足够的空间,可以根据探测器性能需求,选用不同宽度和长度的桥腿。在小像元设计中,由于像元尺寸限制,为延长桥腿降低热导一般会采用小尺寸桥腿设计。小尺寸桥腿对光刻机台的曝光和对准要求极高,工艺难度大。共用桥腿设计由于桥腿设计空间增大,桥腿长度增加,相同热导需求下,可采用尺寸相对较宽的桥腿,减小了工艺难度。另外,读出电路采用逐行积分模式,当选通某行像元后,将此行的像素点采集逐个输出为有用信号,而与此列相邻的像元是不导通不工作的,即选通行像元输出信号时与其共用桥腿的像元处于不通电状态,故列相邻共用式桥腿结构不会形成电学短路与信号串扰。
文中为384×288阵列像素12 μm的探测器,设计宽度为0.35 μm和0.5 μm两种不同尺寸桥腿,如图5所示,均采用共用式桥腿设计。0.35 μm桥腿长度设计长度达到140 μm,0.5 μm桥腿设计长度达到120 μm。采用双层结构,桥面在桥腿上面一层,填充率可达到85%。
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读出电路采用逐行积分、逐列输出模式工作,制备工艺为标准的半导体工艺。读出电路经测试后开始制备微桥结构的反射层。反射层为金属铝,反射层上面旋涂第一层牺牲层,然后开始桥腿制作,桥腿完成后旋涂第二层牺牲层。第二层牺牲层上面为桥面结构,经氮化硅沉积、氧化钒沉积、金属沉积、干法刻蚀、清洗、牺牲层释放等工艺后形成微桥结构。氧化钒为探测器的热敏材料。氮化硅薄膜具有低应力、绝缘的特点,在微桥结构中起机械支撑和绝缘层的作用。微桥结构制备工艺流程如图6所示。
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为确保探测器的正常工作,需对器件进行真空封装。金属封装具有高真空性,高可靠性的特点。金属封装主要由窗口、待封装芯片、半导体制冷器、金属管壳和吸气剂等组成。文中采用金属管壳封装,封装使用主要部件如图7所示。
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384×288 12 μm共用桥腿式非制冷红外探测器封装完成后,依据国标GB/T 13584—2011 和GB/T 17444—1998进行性能参数测试,同时与传统双层结构的相同面阵探测器进行性能比较。为研究共用桥腿结构对探测器性能的影响,共用桥腿式结构与传统双层结构相比,仅改变桥腿连接方式,不改变其他参数,即面阵大小、像元中心距、封装方式和测试参数等均相同。如表1所示为共用桥腿结构与传统双层结构的基本参数对比。
表 1 共用桥腿结构与传统双层结构的IRFPA探测器基本参数
Table 1. Parameter of common-leg and regular double-layer structure IRFPA detector
Array Pitch/μm Face area/μm2 Leg width/μm Leg length/μm Non-uniformity of Res. Package Common-leg width=0.5 μm 384×288 12 121 0.5 120 1.2% metallic Common-leg width=0.35 μm 384×288 12 121 0.35 140 0.6% metallic Regular double_layer 384×288 12 121 0.35 70 0.8% metallic 图8所示为两种不同宽度共用桥腿结构与传统双层结构探测器相比较的坏元分布图,探测器的盲元率均控制在0.1%以内。
图9所示为探测器的噪声分布图,噪声统计图呈很好的高斯分布,说明像元均匀性好。与传统双层结构相比,噪声图无明显变化,共用桥腿结构不会引入额外的噪声。图10所示为NETD直方图,NETD分布呈高斯分布。桥腿宽度为0.5 μm的探测器NETD在10~20 mK之间,平均为15.4 mK;桥腿宽度为0.35 μm的探测器由于桥腿长度大幅增加,其NETD在9~15 mK之间,平均为11.2 mK。传统双层结构的探测器NETD在21~41 mK之间,平均为31.5 mK。与传统双层结构探测器相比,共用桥腿结构的NETD性能指标提升了50%~64%,共用式桥腿探测器NETD性能指标优异。
图11所示为响应率直方图,探测器的响应率集中度高,响应率非均匀性为均在1.2%以内,阵列具有良好的均匀性和一致性。桥腿宽度为0.5 μm的探测器响应率均值为44.8 mV/K,响应率非均匀性为1.1%。桥腿宽度为0.35 μm的探测器响应率均值为53.9 mV/K,响应率非均匀性为0.6%。传统双层结构的探测器响应率均值为23.4 mV/K,响应率非均匀性为0.8%。与传统双层结构探测器相比,共用式桥腿结构探测器响应率提升了90%~130%。
对比图10和图11,桥腿宽度为0.35 μm的探测器性能参数优于桥腿宽度为0.5 μm的探测器。但共用桥腿宽度为0.35 μm的桥腿长度较长,其热响应时间约为16 ms,而共用桥腿宽度为0.5 μm的探测器的热响应时间约为13 ms,共用桥腿宽度为0.5 μm的探测器在快速运动场景中具有更实用优势。桥腿宽度为0.35 μm的探测器适用于成像场景不会迅速变化,但对成像画面要求较高的情况。桥腿宽度为0.5 μm的探测器可适用于快速变化场景,对成像画面要求不是特别高的情况。
Research of high-performance uncooled infrared focal plane array detector with common-leg structure
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摘要: 研制出一种新型微桥结构的氧化钒非制冷红外焦平面探测器。该微桥结构采用列相邻像素共用桥腿的方式,极大地增加了桥腿长度,减小热导,能有效提高像元响应率并降低噪声等效温差(NETD)。同时该微桥结构采用双层工艺,增加桥面及氧化钒面积,提升填充率,进一步提升探测器性能。探测器器件阵列采用384×288,像素为12 μm,读出电路采用逐行积分、逐列输出模式,封装方式采用高可靠性的金属真空封装。测试结果表明,探测器的NETD不大于15 mK,响应率大于44 mV/K。其性能指标可以满足民用、军用等领域的应用需求。Abstract: A novel micro bridge structure for uncooled vanadium oxide infrared focal plane array (IRFPA) detector was developed. This micro bridge used common-leg structure, which was shared by column adjacent pixels. Common-leg structure greatly increased the leg length, reducing the thermal conductivity, which could effectively improve the response rate and reduced the negative electron-transfer dissociation (NETD). Furthermore, the micro bridge adopted double-layer process to increase the area of the deck and the vanadium oxide, which could improve the filling rate and the detector performance. The detector array was 384×288 with 12 μm pixels. The readout integrated circuit (ROIC) adopted rolling-shutter mode for integration and a pixel-by-pixel mode for readout. The high reliability metal vacuum package was used for the device. The results showed that the NETD of the detector was less than 15 mK, and the response rate was greater than 44 mV/K. Its performance index could meet the requirements of civil and military applications.
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Key words:
- common-leg structure /
- micro bridge structure /
- uncooled infrared /
- IRFPA
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表 1 共用桥腿结构与传统双层结构的IRFPA探测器基本参数
Table 1. Parameter of common-leg and regular double-layer structure IRFPA detector
Array Pitch/μm Face area/μm2 Leg width/μm Leg length/μm Non-uniformity of Res. Package Common-leg width=0.5 μm 384×288 12 121 0.5 120 1.2% metallic Common-leg width=0.35 μm 384×288 12 121 0.35 140 0.6% metallic Regular double_layer 384×288 12 121 0.35 70 0.8% metallic -
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