InSb焦平面探测器的发展现状与趋势

赵建忠



InSb焦平面探测器的发展现状与趋势

赵建忠

（华北光电技术研究所，北京 100015）

本文通过对红外技术发展历程的回顾，简要介绍了锑化铟材料的一些基本特性，通过对国外主要锑化铟材料、探测器研制生产单位的产品、性能指标的分析，归纳出锑化铟材料、探测器的主要技术路线，并对未来锑化铟材料、探测器的发展趋势进行了分析。

锑化铟；焦平面探测器；扩散；注入；数字化

0 引言

自19世纪初期，英国物理学家赫胥尔发现红外线以来，红外探测器经历了多年的缓慢发展；在二战后期受战争需求和技术发展的推动，红外探测器的研究逐渐开始受到人们的重视；并首先在铅盐类探测器如硫化铅（PbS）、硒化铅（PbSe）、碲硒铅（PbSeTe）获得突破，研制出多款可实用化的相关产品，推动了武器装备的发展，如美国著名的响尾蛇空空导弹，采用PbS探测器首次实现了导弹的自主跟踪打击。

随着需求的推动和研究的深入，在20世纪50年代中后期锑化铟（InSb）材料问世，很快就受到人们的重视，各国研究机构相继展开深入的研究，发展了多种规格的探测器产品，性能大幅提升，至60年代中后期逐渐替代了PbS探测器，如响尾蛇空空导弹开始采用InSb探测器制导，导弹性能获得极大的改进，并在多种武器系统中广泛应用，成为3～5mm中波红外波段应用中一种主要探测器，西方发达国家如美国、英国、法国、以色列、俄罗斯都建立相应的研究生产机构。图1为红外材料及探测器的发展历程。

InSb红外探测器的发展也逐渐由20世纪六七十年代单元、少元、多元线列的一代器件向面阵凝视、超大面阵方向发展，90年代末至本世纪初，InSb焦平面探测器技术基本成熟，进入大规模应用阶段。应用领域也逐渐从导弹精确制导、红外成像等向卫星预警探测、机载搜索侦察、舰载车载、手持等红外观察装备扩展，大大提升了武器装备的技术水平[1]。

InSb属于Ⅲ-Ⅴ族二元化合物半导体，晶体结构为稳定的闪锌矿结构，具有极高的本征电子迁移率，最大的电子漂移速度和最小的电子有效质量。材料熔点530℃，77K下禁带宽度0.228eV，光谱响应范围1～5mm，表1为锑化铟材料的一些基本特性[2]。

图1 红外材料及探测器的发展历程

表1 锑化铟材料的基本特性

尤其在1～5mm光谱范围内，锑化铟材料具有非常高的量子效率，该特性使得锑化铟探测器在中波波段表现出极高灵敏度，可以满足许多严苛的使用要求，图2为InSb探测器在1～5mm光谱范围内量子效率曲线。

综合以上分析可以发现，InSb材料物理特性非常稳定；易于获得纯度高、位错密度低的晶体材料；具有很好的工艺兼容性，器件特性非常稳定；在1～5mm红外波段，具有可达到90%以上的量子效率。

1 锑化铟材料发展状况

经过多年的发展，InSb红外材料器件技术主要集中到西方发达国家各大军工企业手中，美国Galaxy Compound Semiconductors公司，英国的Wafer Tech（WT）公司，加拿大的Firebird公司是InSb材料的主要供应商。

InSb材料主要有两种制备方法：切克劳斯基（Czochralski）直拉法和水平布里奇曼（Bridgman)法。经过初期的技术比较验证，目前主流技术途径是采用Czochralski法生长锑化铟晶体。并已生产出多种规格高质量锑化铟晶片[2]。图3为Czochralski直拉法长晶原理图。

随着应用需求的推动，锑化铟材料技术发展迅猛，产品规格不断扩大，质量不断提高，逐步实现了标准化生产，图4为锑化铟材料的发展路线图。

通过以上分析可以看到锑化铟材料良好的发展潜力，目前已实现5英寸、低位错密度晶片的产品化，并正在开展6英寸、8英寸以及Epi-ready级晶片材料商业化研究，这将进一步提高探测器产量，降低探测器价格，更好地推动高性能红外探测器的广泛应用。

2 锑化铟探测器的发展状况

自20世纪50年代末锑化铟材料出现以来，各国投入了大量科研力量开展相关研究，初期主要以一些研究机构、院校为主，随着研究的深入以及技术前景的明朗，在90年代初多个军工企业对相关公司进行了兼并，在锑化铟探测器研究方面，主要以西方发达国家为主，如美国的雷声公司、洛克希德马丁公司、L3通信公司、FLIR公司；英国Selex公司、QinetiQ公司；法国Sofradir公司；以色列SCD公司等。以下为一些典型公司的发展状况。

2.1 美国雷声的RVS公司

于1993年收购Amber Engineering公司，1998年收购了休斯飞机公司的Santa Barbara研究中心（SBRC）等，逐渐建立起完整InSb探测器的产品研发生产线，形成多个产品系列，用于精确制导、机载、舰载、航天等多个领域，并很快形成了规模生产。1998年～2002年平均年产即超过3000套InSb焦平面探测器产品，如图5[3]所示，目前仍在大量生产，研制的相关产品获得很好的应用，如图6、图7、图8是其一些产品的应用情况。表2为相关产品的技术指标，图9为美国雷声公司利用90mm InSb晶片制备2k×2k芯片，体现很高的技术水平和技术特点。

图2 InSb探测器在1～5mm光谱范围内量子效率曲线

图3 Czochralski直拉法长晶原理图

图4 锑化铟晶体材料发展路线图

图5 美国雷声RVS公司1998年-2002年的InSb探测器的生产规模

图6 256×256/384×288InSb焦平面探测器组件

图7 640×512 InSb焦平面探测器组件

图8 1k×1k、2k×2k、4k×4k InSb焦平面探测器组件

图9 美国雷声公司利用90mm InSb晶片制备的2k×2k芯片

2.2 美国洛克希德马丁公司

于1993年收购了圣塔巴巴拉焦平面公司（SBF），开始大力发展InSb焦平面技术，到90年代末基本成熟，并很快形成产品系列（相关产品指标见表3）。

洛马公司前期推出的SBF191 640×512 InSb红外焦平面探测器，设计非常灵活，采用数字化工作模式，可满足不同客户的需求，提供640×512、512×512、640×480和400×400格式。可以读出任意感兴趣的某一个矩形像元区，因此得到较高的帧速和缩短了获取信息的时间，例如在运行中可从帧频为120Hz、窗口为640×512大场景观察模式直接切换到帧频为1kHz、窗口为128×128小视场跟踪模式来跟踪目标。表4列出SBF191的性能，图10为相关产品。

2.3 美国CMC公司

美国L3通信公司所属的CMC Electronics Cincinnati公司研制的InSb焦平面技术，到90年代末基本成熟，形成256×256、640×512、1k×1k、2k×2k规格InSb焦平面探测器，获得广泛应用，产品系列见图11，基本技术指标见表5[4-5]。

表2 美国雷声公司相关锑化铟产品的技术指标

表3 美国洛克希德马丁公司的锑化铟相关产品指标

表4 SBF191产品相关指标

图10 SBF191产品

图11 美国CMC Electronics Cincinnati公司研制的InSb焦平面探测器

同时该公司采用一条较为独特的技术路线[4-5]，首先将成结的锑化铟晶片与硅片键合后进行减薄，然后完成阵列的加工以及倒装互连，构成一硅衬底的锑化铟焦平面探测器，如图12。

图12 CMC公司InSb焦平面探测器结构剖面示意图

该结构探测器采用硅-硅结构，具有完美匹配的热膨胀系数，理论上可以制出更大尺寸FPA，目前已研制出2k×2k FPA。由于硅衬底支撑了所有像元，不需要用环氧树脂作填充材料，并且像元间相互独立，从而克服了由于ROIC或InSb器件内热应变使性能不断退化问题。同时与平面结构相比，网状像元消除了邻近像元间的串扰，提高了分辨力。最后这种前光照结构设计使P-N结和入射光子最接近，允许在整个1～5mm红外波段有较高的收集效率。

2.4 以色列SCD公司

SCD公司全称“SEMI CONDUCTOR DEVICES”，1986年由以色列当时的Elbit系统和Rafael公司合伙成立的。以InSb红外探测器为主要发展方向。SCD公司的员工超过450名，每年向全球市场至少提供7500套各种规格的探测器产品。并于2007年在美国成立了SCD USA infrared公司，主要供应美国加拿大市场。图13为SCD公司锑化铟探测器的发展路线图。

SCD公司经过多年的发展建立了完善的产品系列，产品规格由320×256发展到640×512、1280×1024、1920×1536，探测器中心间距15～30mm，读出电路由模拟方式发展为数字化方式，并在体晶InSb探测器基础上扩展了外延InSb和InAs/GaSb二类超晶格器件，产品很好地满足了系统小型化、轻型化、低功耗和可靠性的发展要求[6]。2014年推出了国际上最高水平的10mm像元间距的1920×1536数字化输出的InSb焦平面探测器产品。表6为SCD公司的相关产品及技术指标，图14为高温工作的640×512产品，图15为1280×1024产品及应用成像图[6]。

图13 SCD公司InSb产品发展路线图

表6 SCD公司的相关产品及技术指标

图14 高温工作的640×512产品

2.5 英国QinetiQ公司

英国是最早从事红外探测器研究的国家，有多家研究机构，在InSb探测器方面开展了广泛的研究，技术水平居于国际先进。如英国QinetiQ公司采用分子束外延（MBE）工艺，在高掺杂的InSb衬底上外延InSb薄膜，研制了像元间距为26mm的1024×768大格式的InSb FPAs。NETD约12～15mK@300～310K，图16为产品的成像图，体现极高的性能水平。

图15 SCD公司Hercules（1280×1024，15mm）产品及8km高空成像图

图16 英国QinetiQ InSb 1024×768 FPA的成像图

3 结论

通过以上分析可以看到，在中波波段InSb探测器具有非常突出的技术优势，技术水平不断提高，新产品不断推出，探测器制造技术日益成熟，探测器价格逐渐降低。应用领域覆盖精确制导、便携成像、车载、舰载、机载、航天等。探测器规格从128×128、640×512等中小规模扩展到1k×1k、2k×2k、4k×4k，大规格探测器广泛应用。1k×1k规格的探测器，已经逐渐成为主流产品。

另外数字化技术全面应用，探测器性能进一步提高。如洛马公司最近推出的探测器SBF200型探测器，采用数字式读出电路，改善了探测器的加工工艺，探测器F数为5.2时，NETD小于10mK，如果F数选择2，NETD小于5mK。

高温工作锑化铟探测器全面发展，工作温度不断提高，110K高工作温度的探测器已研制成功，探测器组件体积进一步降低，进一步提高红外焦平面探测器工作温度将是未来一个主要研究方向。

[1] Gert Finger, James WBeletic. Review of the state of infrared detectors for astronomy in retrospect of June 2002 workshop on scientific detectors for astronomy[C]/, 2003, 4841: doi:10.1117/ 12.462593.

[2] Tim Ashley, Theresa M Burke, Martin T Emeny. Epitaxial InSb for elevated temperature operation of large IR focal plane arrays[C]/, 2003, 5074: doi:10.1117/12.503527.

[3] Raytheon Vision Systems. [2005] [2016-09-20] http://sei.ckcest. cn/ product_img/360001/8385/531735/Document/ rtn_ ncs_productsae194 _pdf.pdf.

[4] Davis M, Devitt J, Greiner M, et al. Advanced FPA technology development at CMC Electronics[C]/, 2004, 5563: doi:10.1117/12.565665.

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Development Situation and Trend of InSb Infrared Focal Plane Array

ZHAO Jianzhong

(,100015,)

This paper briefly introduces some basic characteristics of InSb material by reviewing development history of infrared technology. This paper concludes main technology path of InSb material and IRFPA by analyzing product and performance indexes of main InSb material and IRFPA abroad research and manufacturer. This paper analyzes development trend about InSb material and IRFPA technology in the future.

InSb，IRFPA，diffusion，ion implantation，digitization

TN215

A

1001-8891(2016)11-0905-09

2016-09-25；

2016-10-18.

赵建忠（1966-）男，研究员，硕士研究生，主要研究方向为光电探测器技术。