大面阵碲镉汞红外焦平面阵列发展现状及趋势

史漫丽，凌 龙

(北京空间机电研究所, 北京 100094)



【光学工程与电子技术】

大面阵碲镉汞红外焦平面阵列发展现状及趋势

史漫丽，凌 龙

(北京空间机电研究所, 北京 100094)

红外焦平面组件是空间红外光学遥感器的核心器件， 随着空间红外遥感对探测目标的空间分辨率、时间分辨率、波段特性的要求不断提高，红外焦平面探测器将向着扩展波长范围、减小光敏元尺寸、增加器件规模等方向发展。介绍了国外发达国家在大面阵红外焦平面阵列技术研究的先进技术，并分析了美国、法国、英国和德国的大面阵红外焦平面技术特点，提出了红外探测器未来的发展趋势。

大面阵;红外焦平面阵列技术

空间红外光学遥感技术是当今世界发展迅猛的技术之一[1]。空间遥感的进步是增强国家经济实力、科技实力乃至综合国力的重要因素[2,4]。空间红外光学遥感器在遥感、气象、通信、资源普查和高分辨率对地观测卫星上都有广泛的应用。另外又由于红外探测的隐蔽性并且不受环境影响，空间红外光学遥感技术至今一直是军事领域的“宠儿”[5]。

红外焦平面组件是空间红外光学遥感器的核心器件，在远距离上可有效提高红外光学遥感器的探测灵敏度，获得极高的图像分辨率，大幅度提高系统的探测能力。 红外焦平面技术是推进航天遥感器技术发展的瓶颈技术[6,7]。随着空间遥感技术的发展，航天对探测目标的空间分辨率、时间分辨率、辐射分辨率以及波段特性的要求越来越高[8]。例如，空间分辨率由原来的几百米提高到10 m、5 m，甚至1 m。光谱分辨率由几十个纳米提高到一两个纳米，等等。这些指标都要求红外焦平面技术需要扩大探测波长范围、减小光敏元尺寸、增加探测器规模发展。

大面阵红外焦平面阵列在遥感、气象、通信、资源普查和高分辨率对地观测卫星上具有广泛的应用[9-11]。西方主要发达国家一直投巨资进行研发，加速发展，已经形成多种产品，应用于卫星预警、卫星遥感、太空天文探测等领域，遥遥领先于我国[12-13]。目前，我国星载红外探测器设备技术落后，远远不能满足国民经济日益发展的需要。由于红外领域的敏感性，国外对我国技术上进行封锁，国内相关单位从国外进口640×512、1 024×1 024等规格的高性能制冷型凝视红外焦平面探测器组件几乎不可能。因此，对红外焦平面技术进行自主研发，使大面阵红外焦平面组件应用于卫星系统，是目前亟待解决的问题。

红外焦平面技术的发展将打破国外发达国家在核心元器件上的技术封锁[14]，夯实卫星应用产业发展基础，提升自主卫星研发创新能力，实现我国卫星应用产业自主化、规模化和商业化。

本文简要介绍了碲镉汞红外焦平面阵列的优势，介绍国外西方国家先进的碲镉汞红外焦平面阵列技术，分析了红外焦平面阵列的发展方向。

1 碲镉汞红外焦平面阵列优势

HgCdTe焦平面阵列是目前所有焦平面阵列中集成度最高，最引人注目的焦平面阵列[15,16]。碲镉汞制冷型红外焦平面阵列在空间光学遥感中应用较多，与其他非制冷型红外焦平面阵列相比，具有很多优势。碲镉汞化合物属于窄禁带半导体材料，在本征激发下具有高吸收系数和高量子效率，还有高的探测率。通过改变Hg、Cd配比调节响应波段，使得探测器工作在1～20μm红外光谱区段并获得最佳性能[17]。同样的响应波段，工作温度越高，可工作温度范围也越宽[18]。

2 国外大面阵红外焦平面阵列研制状况

在美国、法国和英国、德国等发达国家，单色碲镉汞红外焦平面技术已经基本成熟，长波碲镉汞焦平面器件研制水平已达到640×512元的规模，中、短波器件达到2 048×2 048 元的规模。国外进行卫星探测用的最先进的红外焦平面探测器已经达到1 024×1 024元、2 048×2 048元、4 096×4 096元规模。下面就各国大面阵红外焦平面阵列研制情况进行介绍。

2.1 美国

美国在红外焦平面的研究中一直处于领先地位，其凭借雄厚的经济实力，投入巨资于不同的研究机构进行高端二代(长线列扫描型、大规模凝视型等)或三代(超大规模凝视[19]、双色/多色、智能型等)探测器方面的研发，令其他国家望尘莫及。

洛克威尔(Rockwell)研究中心研制的短波H2RG的2 048×2 048元碲镉汞焦平面阵列，像元尺寸为18 μm×18 μm，其CMOS多路传输器读出集成电路(ROIC),其刻度的每一、四象限曝光精度达0.05 μm，晶体管数达1 300万[20]，预计未来像元尺寸还会进一步缩小。该焦平面阵列可以根据使用需要进行拼接。该中心研制出的截止波长为1.75 μm、2.5 μm、5.3 μm、中心间距为18 μm的4 096×4 096 型短波红外焦平面探测器，由4个2 048×2 048元探测器拼接而成，成功应用于天文观测等领域。图1是美国洛克威尔研究中心的2 048×2 048元碲镉汞红外焦平面探测器。

目前，美国洛克威尔研究中心已经研制出H4RG的4 096×4 096元碲镉汞焦平面阵列探测器，如图2，像元有两种尺寸：10 μm×10 μm、15 μm×15 μm，将用于红外、可见的对地观测及天文观测。在快速运行模式下速度可以达到5 MHz。

图1 美国Rockwell研究中心的2 048×2 048元碲镉汞红外焦平面探测器

图2 美国Rockwell研究中心的4 096×4 096元碲镉汞红外焦平面探测器

2.2 法国

法国受国力限制无法效仿美国的发展模式，而是集中全国一切可用人才和资源组建法国红外探测器(SOFRADIR)公司，专门研发碲镉汞红外焦平面，累计投资3亿美元[21]，与西方其他国家相比，法国用于红外焦平面研制的投入最少，但效果最佳。

法国面阵型碲镉汞红外焦平面探测器的研发工作始于20世纪90年代初，1/4电视制式的中波320×256元始于20世纪90年代中期，具有全电视制式,20 μm中心间距的中波640×512元大面阵器件于2002年开始交付使用，中心间距为30 μm的短波1 000×256元红外焦平面探测器已成功应用于空间探测领域。目前，中心间距15 μm的中波1 280×10 24元凝视型红外焦平面探测器已经提供货架产品，这是当今最小中心间距的中波碲镉汞红外焦平面探测器，支持SXGA制式高分辨率高性能应用。

DAPHNIS-HD MW是法国Sofradir公司一款预研1 280×720元面阵碲镉汞红外探测器，还未形成货架产品。它支持16∶9的高清制式， 可以应用于航空航天、海军及陆地的各种探测领域[22]。该产品对于法国Sofradir公司来讲是一次技术上的创新，它的像元尺寸比以往产品都小，仅有10 μm×10 μm，工作谱段3.4～4.9 μm，工作温度110 K。该探测器组件将非均匀校正与盲源替换功能增加到电路中，方便用户对数据进行处理。

图3是法国SOFRADIR公司研制的碲镉汞红外探测器产品，其相应的探测器芯片参数如表1所示。

图3 法国SOFRADIR公司研制的探测器组件

指标名称探测器芯片名称DAPHNIS⁃HDMWJUPITER⁃MW探测器光敏元1280×7201280×1024像元尺寸10μm×10μm15μm×15μm响应谱段3．4～4．9μm3．7～4．8μm信号输出抽头44或8盲源率<0．3%<0．5%像元读出速率8MHz20MHz帧频100Hz120Hz(1280×1024，8抽头，20MHz)NETD20mK(293K，50%wellfill，100Hz)<18mK

2.3 英国

英国Selex公司已研制出了中波1 024×768元碲镉汞焦平面阵列组件，现已形成货架产品，其主要性能为：光敏元中心间距16 μm×16 μm，噪声等效温差17 mK，工作波段3～5 μm，盲元率<0.02%。

英国SELEX公司现已研制出了EAGLE型长波640×512元碲镉汞焦平面阵列组件，现已形成货架产品，其主要性能为：光敏元中心间距24 μm×24 μm，噪声等效温差 24 mK，工作波段8～10 μm，盲元率<1%，响应率非均匀性<10%，组件工作温度-45℃+70℃，适配斯特林制冷机。如图4所示。

以上探测器相应指标见表2所示。

图4 英国SELEX公司的1 024×768中波碲镉汞焦平面组件

探测器相关参数指标相应参数相应型号MERLINMWIREAGLELWIR探测器光敏元1024×768640×512像元尺寸16μm×16μm24μm×24μm响应谱段3～5μm8～10μm信号输出抽84像元读出速率10MHz10MHzNETD17mK24mK工作温度80～110K<110K

2.4 德国

德国AIM公司在部分引进法国技术的基础上，也大力发展大规模凝视型碲镉汞红外探测器，目前所研发的中波1 296×736规模的大面阵中波红外焦平面探测器组件已达到较高水平，并开始进行军事装备应用；AIM公司生产的中长波HiPIR-640-MCT 640×512元碲镉汞焦平面阵列组件(如图5(上))主要性能为：光敏元中心间距15 μm×15 μm，工作波段3.4～5.2 μm，7.6～9.0 μm，中波噪声等效温差17 mK，长波噪声等效温差30 mK，动态范围不小于800 dB,有效像元率>99.8%。

另外，短波ActlR-1024-MCT 1 024×256元碲镉汞焦平面阵列组件(如图5(下))主要性能为：光敏元中心间距24 μm×32 μm，工作波段0.9～2.5 μm，工作温度：150 K,满阱电子数：低增益档1.2 Me-,高增益档0.3Me-。

图5 德国AIM公司的640×512中长波探测器组件(上)及1 024×256元短波焦平面阵列组件(下)

3 国内大面阵红外焦平面阵列研制状况

我国在碲镉汞红外焦平面的研制中起步较晚，还处于相当落后的状态[23]。目前，我国装备的红外探测器主要是第一代的光导型器件居多[24-25]。近年来在国家的大力支持下，在碲镉汞红外焦平面技术也取得了相当大的进展，相继在长波4×288、中波320×256碲镉汞红外焦平面器件技术上取得了突破，现已进入组件工程化和装备应用阶段，开始应用于红外成像系统，替代进口产品。

目前，国家在红外焦平面探测器组件的研制中特别安排了相应的研制条件保障建设项目，保障二代红外焦平面组件研制所需要的工艺和条件，进而保障探测器器件工艺的大面积、高均匀性、高可靠性的需求。国内从事大面阵碲镉汞红外焦平面探测器研制的单位为：上海技术物理研究所、昆明物理研究所、华北光电研究所。目前，国内中波320×256碲镉汞红外焦平面器件技术水平已经相当成熟，响应谱段为3.4～4.9 μm，焦平面工作温度80K。已经在某试验卫星上搭载，采集图像数据良好。国内一些科研机构已经研制出1 024×1 024碲镉汞红外焦平面探测器组件，并通过了相应的环境适应性试验，已经完成工程样机的研制，有望应用于军事侦察等项目中。但在2 048×2 048及更大面阵碲镉汞红外探测器组件研制方面，尚属空白。

国内探测器研制水平同国外发达国家相比还有很大的差距。目前，我国航天领域急需大规模红外探测器组件，提高星载红外探测水平，因此，必须加紧研制，使超大面阵凝视碲镉汞红外焦平面组件应用于卫星系统，让我国的空间技术早日达到世界先进技术水平。

4 红外焦平面阵列技术发展趋势

4.1 超大阵列集成规模

超大规模微电子集成电路制造技术是实现红外焦平面阵列技术发展的关键技术之一。空间光学遥感对系统成像的分辨率和目标识别能力的要求越来越高，使得提高系统焦平面红外探测像元的集成度成为研究的必然趋势。西方各国也正向着大面阵集成规模努力。

4.2 超长波探测谱段

近年来，随着通信卫星、遥感卫星商业化发展，截止波长大于12.5 μm的红外探测器也成为研发的对象。长波红外在对地表和云端温度观测方面得到了较好的应用，成为高端对地观测的重要探测谱段。未来，截止波长大于12.5 μm的碲镉汞凝视焦平面探测器将在国防和空间科学领域中发挥重大作用[4]。随着遥感卫星商业化的发展，长波、甚长波探测器将是未来发展的趋势。

4.3 超小像元尺寸

碲镉汞红外焦平面阵列向超大面阵高密度阵列集成，缩小像元尺寸是必须的。大型或特大型高密度集成，尤其是100万像元以上的探测器像元集成焦平面阵列要求高精度的超大规模集成电路加工技术。焦平面阵列技术的发展在很大程度上取决于超大规模集成电路的进展[5]。美国、法国的红外探测器阵列的最小像元已经达到了10 μm×10 μm的水平。未来的探测器像元将会向着更小的水平发展。

5 结束语

21世纪，红外焦平面阵列技术已经取得了很大的成就。根据红外焦平面阵列在军事、民事等方面的要求，未来红外焦平面阵列将向着高密度、小像元、大芯片尺寸、多色工作、结构上为单片或混合集成(甚至为三维)、高工作温度、低功耗、小型轻量化且成本低的方向发展。

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(责任编辑 杨继森)

Status and Development Trends of the HgCdTe Large Infrared Focal Array Technology

SHI Man-li， LING Long

(Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China)

Large Infrared Focal Array is the important module on space infrared remote sensor. As the space remote sensing highly require to detecting targets’ spatial resolution, temporal resolution, the band characteristic, infrared detectors need to extend the wavelength range, reduce the element size, increase the divice scale. This paper introduced the oversea advanced large infrared focal array technology in developed country, analyzs the product’s characteristic and system parameter. This paper analyzs the parameters of large infrared focal array, such as the USA, France, England and Germany. This paper indicated infrared focal array develop current.

large focal array; infrared focal array

2017-02-10；

2017-03-15

史漫丽(1985—)，女，硕士，工程师， 主要从事红外遥感器电子学总体设计研究。

10.11809/scbgxb2017.06.033

format:SHI Man-li，LING Long.Status and Development Trends of the HgCdTe Large Infrared Focal Array Technology[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(6):151-155.

TN215

A

2096-2304(2017)06-0151-05

本文引用格式：史漫丽，凌龙.大面阵碲镉汞红外焦平面阵列发展现状及趋势[J].兵器装备工程学报，2017(6):151-155.