Research of high-performance uncooled infrared focal plane array detector with common-leg structure

非制冷红外热成像是20世纪90年代发展起来的技术，在军事、工业、交通、安防监控、气象、医学等各行业具有广泛的应用^[1]。非制冷红外焦平面探测器是热成像系统的核心，是探测、识别和分析物体红外信息的关键。非制冷红外探测器主要以微机电技术为基础，能将物体辐射的红外能量转换为电信号，然后通过电路读取、算法修正、图像处理等过程后形成红外热像图。非制冷红外焦平面探测器能够在室温状态下工作，具有体积小、质量轻、功耗小、寿命长、成本低、启动快等优点^[2]。

目前国际上非制冷红外探测器的制造厂商主要有美国FLIR、DRS、L-3、法国ULIS、英国BAE和日本NEC^[3-6]。美国FLIR是高性能红外热像仪研发和生产的领先者，市场占有率为全球首位。国内非制冷红外探测器的制造厂商主要有高德红外、烟台艾睿、大立科技和北方广微等。目前非制冷红外探测器的阵列主要有160×120、384×288、640×512和1280×1024等，涵盖了低成本的小阵列探测器和高分辨率的超大面阵探测器^[7]。市面上像元尺寸以25 μm、17 μm和12 μm为主，目前已有厂商对更小像元尺寸，如10 μm，进行了报道。非制冷红外探测器性能指标NETD一般小于50 mK，响应率大于8 mV/K。

非制冷红外探测器主要分为读出电路、微桥结构和真空封装三大模块^[8]。读出电路将每个像元的微小电阻变化以电信号形式输出。微桥结构吸收红外辐射能量，引起桥面热敏材料电阻变化，通过桥腿与读出电路导通，从而将温度的变化转化成电路可读取的电学信号。真空封装将微桥结构置于真空环境中，避免与空气导热，确保吸收的微小红外能量能够引起热敏材料的电阻变化^[9]。微桥结构作为吸收红外能量部分，其结构的设计和制造水平，直接决定了非制冷探测器的性能指标^[10]。目前，各大厂商使用的微桥结构主要有单层微桥结构、双层微桥结构和伞状微桥结构。单层结构工艺简单，便于生产制备。双层结构和伞状结构工艺流程较长，制备难度大。双层结构和伞状结构可以提高像元填充系数以获得更高的吸收率，同时为像元小型化提供可行性方案。文中通过对双层微桥结构的桥腿进行创新型设计，采用列相邻像元共用式桥腿结构，极大的增加了桥腿长度，减小热导，大幅提升探测器性能。共用式桥腿结构中桥腿与桥面分置于上下两个平面，属于双层结构的一种。但共用式桥腿结构设计的单个像元桥腿占据了两个两像元空间，可做桥腿延长设计。共用式桥腿结构为本研究首创，未见其它文献进行同种结构报道。

以12 μm像元尺寸为例，共用式桥腿单根长度可达140 μm，是传统双层结构桥腿（70 μm左右）长度的2倍。文中采用共用式桥腿，制备的384×288 @12 μm双层结构探测器，其NETD不大于15 mK，相较于传统双层结构提升2倍以上。

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：

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。

Figure 1.  One-layer structure of microbolometer

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。

Figure 2.  Double-layer structure of microbolometer

伞状双层结构（如图3所示）伞在上层做吸收面，桥面和桥腿在下面一层，形成了大吸收面积设计^[12]。

Figure 3.  Double-layer (umbrella) structure of microbolometer

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。

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%。

Figure 5.  Layout of common-leg width with 0.35 μm and 0.5 μm

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。

Figure 6.  Outline of micro bridge fabrication process

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。

Figure 7.  Components of IRFPA metallic package

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。

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。

Figure 8.  Map of non_effective pixels

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。

Figure 9.  Noise histogram

Figure 10.  NETD histogram

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%。

Figure 11.  Responsivity histogram

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。

研制出阵列规模为384×288 像元尺寸为12 μm的非制冷红外焦平面探测器，通过新型的共用式桥腿设计，与传统双层结构探测器相比大幅提升了探测器性能。通过两种不同桥腿宽度设计，制备两种不同性能探测器，可满足不同的应用场景。产品性能优异，性能指标分布集中。两种探测器的NETD不大于15 mK，响应率大于44 mV/K，可满足高性能需求领域的应用。

共用式桥腿结构为本研究首创，对探测器性能提升较大，同时可能会存在一些问题：共用式桥腿结构中由于单个桥腿连接两个桥面，可能会导致微桥结构平整性变差；共用式桥腿结构中单根桥腿的断裂或坍塌会导致至少两个像元的失效，在探测器上形成至少两个连续盲点，该结构对桥腿的稳定性要求更高。但共用式桥腿设计给予了桥腿更广阔的设计空间，在小像元探测器进程中具有重要研究意义。