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短波红外探测器及其发展概况

发表时间:2024-06-11 09:11

短波红外探测器


SWIR(红外)是人眼看不见的,需要专门的探测器来检测。短波红外成像技术起步较晚,但发展迅速,普通硅基探测器仅覆盖短波段的一小部分,锗基探测器红外噪声高,常用汞镉碲和铟镓砷制成的探测器。碲化汞镉探测器通常需要冷藏,因此没有得到广泛应用。
夜视和探测领域。根据短波相机在不同应用场景下的不同应用需求,市场上主流的短波红外探测器主要有硅基(Si)、锗基(Ge)和铟镓砷(InGaAs)。常规InGaAs短波红外探测器的波长覆盖范围为0.9~1.7 μm,通过Inp衬底去除技术可将探测器的截止频率在短波方向上延伸至0.4 μm,通过调节In材料的组成,可将InGaAs材料的检测波长延长至2.5 μm, 如下图所示,截止频率分别为1.7 μm、2.2 μm和2.5 μm的探测器的光谱响应和量子效率。当波长延长时,铟镓砷探测器可以更广泛地应用于短波红外夜视和检测领域。

不同频率下的InGaAs探测器光谱响应(左)和量子效率(右)
InGaAs探测器具有灵敏度高、小型化、功耗低、可在室温下工作等特点,是近年来短波红外探测器的最佳选择。InGaAs短波红外探测器与探测器的结构不同,主要分为单元探测器、线探测器和面阵探测器。由于其像素数大、面积阵列覆盖范围大,面阵短波红外探测器适用于凝视短波红外场景成像。与单元探测器和线探测器相比,面阵SWIR探测器具有帧率高、无需扫描机械设备、在SWIR场景成像时携带性强等优点。
经过几十年的发展,国外已经实现了大面积阵列、高像素的铟镓砷探测器的产业化。目前,国内市场上的铟镓砷探测器主要以15μm中心距和640×512像素数为主,更高规格的探测器正在陆续推出。上海工业物理研究所研制的面阵InGaAs短波探测器的开发过程如下图所示。
上海技术物理研究所InGaAs探测器组件的历史
未来,铟镓砷探测器将朝着更小型化、更高分辨率、更大的阵列规格发展,进一步降低成本,提高民用领域的应用比例。为了向宽带响应方向发展,国内外相关研究机构正在研究铟镓砷探测器的新结构,如集成微纳人工结构的铟镓砷焦平面探测器。为了减小像素中心距离,提高阵列规格,提出了胶体量子点短波红外探测技术和单像素成像技术。
如果为短波红外焦平面探测器设计配套偏振光学系统,则可以实现分时偏振成像、分振幅偏振成像和分孔径偏振成像。传统的偏振成像系统工艺简单,对探测器加工技术要求不高,但光路的光学部分比较复杂,光通量损耗高,整个偏振检测成像系统的整体体积会很大。
近年来,焦平面阵列(FPA)技术的发展和微纳加工技术的改进直接推动了新型偏振探测器的发展。具有特殊形貌的微/纳米半导体结构,如纳米片和椭圆纳米线,可以通过高效的光电转换和偏振检测直接实现高效的偏振检测。微纳米阵列集成在短波红外探测器上,处理时可直接融合动态目标的偏振图像信息进行偏振成像。
微纳米金属光栅偏光片与探测器焦平面的受光面之间的距离应尽可能近,即铟镓砷探测器的衬底应尽可能薄或去除InP衬底。集成偏振元件和焦平面探测器的短波红外探测器可以同时获取接收到的红外辐射强度和偏振的多维信息,具有体积小、重量轻、能耗低、可靠性强等优点,是未来新型红外探测器的热门发展方向。

国外发展概况


随着短波红外探测技术的发展,铟镓砷探测器的使用潜力得到了世界各行业的认可,全球大多数国家和研发机构都在进行深入研究,以美国、法国为代表的许多发达国家在基础研究方面处于世界领先水平。据报道,美国Sensors Unlimited Incorporation(SUI)公司推出的表面阵列铟镓砷探测器已达到1920×1280,相应的成像仪已经发射。
2018 年,为响应美国海军的战术发展光谱和侦察图像 (SPRITE) 计划,UTC 航空航天系统公司开发了世界上分辨率最高的铟镓砷 (InGaAs) 近红外/短波红外 (NIR/SWIR) 成像传感器,该传感器的像素间距为 5 μm,阵列尺寸为 4 k×4 k,适用于高分辨率铟镓砷探测器。
比利时Xenics公司的产品覆盖0.9~1.7μm红外光谱,部分产品可延伸至0.4~2.35μm光谱,比利时公司最新推出的T2SL短波红外热像仪具有超低暗电流和ROIC噪声。以色列半导体公司(SCD)开发的两种不同规格的短波红外探测器采用铟镓砷焦平面阵列,像素中心距从15μm减小到10μm,有640×512和1280×1024两种规格。
日本索尼公司开发的探测器产品的响应波长为0.4~1.7μm,该响应带内探测器的量子效率为>60%,但未报道器件的灵敏度和噪声。此外,法国、德国、英国等多国也在大力支持国内短波红外光学成像技术的基础研发,正在以640×512分辨率实现铟镓砷焦平面检测的产业化,如下表所示。国外代表InGaAs探测器厂家及器件性能。

国内发展概况


在国内领域,中国电子科技集团公司第44研究所、上海技术物理研究所、昆明物理研究所等都开展了铟镓砷探测器的相关研究。

2015年,中国电子科技集团公司第44研究所完成了单像素尺寸为25μm、像素尺寸为640×512的可见短波红外铟镓砷探测器的技术开发。

近年来,它开发了多波长的线性阵列探测器,还开发了平面线性阵列铟镓砷焦平面探测器,还开发了两款大面积阵列探测器,像素尺寸分别为512×256和1024×1280,其截止波长扩展到2.5μm,在国内也处于同期前列。
国内其他公司也正在研制并生产规格为640×512的InGaAs焦平面探测器。表 3列出了一些国内主要InGaAs科研生产单位的生产情况。
目前国内市场上常见的铟镓砷短波红外探测器规格有15μm、640×512、1280×1024、2560×2048阵列规格的探测器仍在陆续推出,像素间距减小到10μm及以下,器件响应频段正在向可见光波段扩展, 各种探测器产品的性能指标正在赶上国际水平。但是,国内对短波红外成像系统的研究在民用和商用中还不够普遍,我国使用的短波红外探测系统与国外发达国家已经配备的系统还存在较大差距,因此为了满足国内科技市场的需求, 有必要在短波红外铟镓砷检测领域开展研究。
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