美国HRL实验室正在研制高工作温度的晶圆级红外焦平面阵列

美国HRL实验室目前正在完成晶圆级红外焦平面阵列(FPA)研制工作,这将会大大减小红外相机的尺寸和成本。

图为HRL实验室的WIRED研究团队:从左到右依次为Shuoqin Wang、Sevag Terterian、Brett Nosho、Minh Nguyen以及Alex Gurga (来源:HRL实验室)

该实验室负责开展美国国防高级研究计划局(DARPA)晶圆级红外探测器(WIRED)计划的第三阶段工作。此阶段工作有两个主要目标:第一,不断完善焦平面阵列的晶圆级制造工艺,使其成为一项可实现大批量生产的低成本、高产量技术;第二,通过利用探测器和读出集成电路(ROIC)方面的技术进展来制造可在较高温度下工作的器件,进而降低制冷型红外相机的高成本。

HRL实验室的WIRED计划首席研究员Minh Nguyen指出,目前的行业惯例是按顺序制备焦平面阵列。人们在一块晶圆上制作几种不同的红外探测器阵列芯片,然后将其切割开来。其中每块芯片都必须与一块硅读出集成电路芯片混成在一起,从而构建一个完整的焦平面阵列。由于对每个焦平面阵列都要重复此过程,整项工作变得非常耗时耗财。另外,为了实现正常运行,每台红外相机都需要配备一个大体积的制冷装置,使电路保持在77 ~ 120 K的低温下工作。以上这些因素共同导致红外相机非常昂贵。

与上述方法不同,HRL实验室是对所有元件均已安装在一块晶圆上的整个集成电路进行处理。这是一项挑战,因为他们需要综合利用两种晶圆材料——用于读出电路的硅以及III-V族光敏材料,而两者在全晶圆级工艺中并不是那么容易结合。基于WIRED制备技术,每个焦平面阵列的成本都将会大大降低。

“在第一和第二阶段,我们证明了所提出的概念是可行的。”Minh Nguyen说道,“如今,我们正努力使这项技术成功应用于大尺寸(最大直径为6 英寸 )、多晶圆制造工艺。与此同时,我们正在采用一种可使焦平面阵列工作在230 K下的新型读出集成电路。较高的工作温度也有助于节省大量成本,因为焦平面阵列在此温度下只需通过体积小且价格便宜的热电制冷机进行制冷,而无需目前这样体积大且价格昂贵的低温制冷机。由此产生的低成本小型红外相机将会更易赢得消费者的青睐。”

热红外相机采用一种与典型可见光相机完全不同的成像模式。可见光相机需要有阳光或灯光等照明源,而热红外相机仅根据物体发出的红外辐射就可对其进行成像。另外,该相机还具有更强的穿透雾、烟以及某些其他介质成像的能力,并可显示物体的温度数值。红外相机无需光源即可实现安全监控应用。

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