eng
Выпуск #3/2020
Н.А. Кульчицкий, А.В. Наумов, В.В. Старцев
Матричные фотоприемные устройства ИК‑диапазона: «постпандемические» тенденции развития. Часть I
Матричные фотоприемные устройства ИК‑диапазона: «постпандемические» тенденции развития. Часть I
Просмотры: 3881
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2020.14.3.234.244
В обзоре рассмотрены инфракрасные детекторы тепловизионной техники. Устройства востребованы в системах и комплексах гражданской и медицинской термографии, охранного и пожарного наблюдения, персональных системах ночного видения и обеспечения безопасности. Представлено сравнение фотонных и тепловых детекторов разного типа от разных мировых производителей. Дан экспертный прогноз изменений динамики роста рынка и тенденций его пост-пандемического развития.
В обзоре рассмотрены инфракрасные детекторы тепловизионной техники. Устройства востребованы в системах и комплексах гражданской и медицинской термографии, охранного и пожарного наблюдения, персональных системах ночного видения и обеспечения безопасности. Представлено сравнение фотонных и тепловых детекторов разного типа от разных мировых производителей. Дан экспертный прогноз изменений динамики роста рынка и тенденций его пост-пандемического развития.
Матричные фотоприемные устройства ИК‑диапазона: «постпандемические» тенденции развития. Часть 1
В Н. А. Кульчицкий 1, 2, А. В. Наумов 3, В. В. Старцев 3
Московский технологический университет (МИРЭА), Москва, Россия
ГНЦ РФ АО «НПО «ОРИОН», Москва, Россия
АО «ОКБ «Астрон», Лыткарино, Моск.обл., Россия
Статья получена: 08.04.2020
Принята к публикации: 20.04.2020
Ведение
С момента своего возникновения рынок инфракрасной (ИК) тепловизионной техники рос прежде всего из-за своих военных приложений. Сегодня военный сектор по-прежнему обеспечивает рынку некоторый рост, но парадигма его развития изменилась. Теперь основной рост рынку обеспечивают сектора гражданской и медицинской термографии, охранного и пожарного наблюдения, персональные системы ночного видения и локальные ниши безопасности (муниципальные, частные и пр.). Устройства с использованием тепловизоров позволяют осуществлять наблюдение в условиях плохой видимости, обнаруживать людей с повышенной температурой в толпе (рис. 1) [1, 2].
По «допандемическому» прогнозу фирмы Maxtech International (США) и сегодняшним оценкам авторов, рынок ИК‑систем (гражданских и военных), составив 10,5 млрд долларов в 2017 году, в 2025 году может достигнуть 20 млрд долларов. Из-за пандемии прогнозы Maxtech International были пересчитаны нами в сторону увеличения для среднесрочной перспективы. Как нам представляется, спад в данном секторе, если и произойдет, будет краткосрочным (рис. 2).
Классификация
инфракрасных детекторов
Тепловизионные приборы можно разделить на две части: более и менее чувствительные. В более чувствительных приборах используют фотонные детекторы (охлаждаемые и неохлаждаемые), в менее чувствительных – тепловые (неохлаждаемые) детекторы (микроболометры). В данной статье будут рассмотрены только некоторые свойства и характеристики широко применяемых в настоящее время детекторов, а также возможные перспективы развития рынка их использования в связи с постпандемической ситуацией.
Инфракрасные камеры воссоздают образ теплого объекта по сигналам от первичных детекторов теплового излучения. Инфракрасная энергия от объектов сцены фокусируется оптической системой на ИК‑детектор. Информация от него передается на электронную систему обработки изображения, которое затем транслируется на стандартный видеоэкран.
В любом детекторе поглощенное электромагнитное излучение приводит к возникновению или изменению электрического сигнала [1, 2]. Это поглощенное излучение возбуждает или нагревает электронную или решеточную подсистемы детекторов, что приводит к изменениям их физических свойств или изменениям в распределении электронов по энергиям. Как результат изменяется движение заряженных носителей. Такие изменения влекут за собой изменение физических параметров приемников, что фиксирует детектор.
В фотонных детекторах (а это в основном полупроводниковые детекторы) излучение поглощается непосредственно чувствительным к данной длине волны излучения материалом. Механизм взаимодействия излучения с электронами материалов детектора схематично изображен на рис. 3. Условно разделим электроны на те, которые связаны с атомами кристаллической решетки (находящиеся в валентной зоне – это «собственные» детекторы), на связанные с атомами примесей (это «несобственные» или примесные детекторы) и свободные носители (детекторы на свободных носителях), находящиеся внутри валентной зоны или зоны проводимости, и также те, которые в металле находятся вблизи границы металл-полупроводник. На изменении подвижности последних базируется принцип работы фотоэмиссионных Шоттки-детекторов (SBD – Schottki Barrier Diode детекторы). То есть фотонные детекторы реагируют только на фотоны, энергия которых превышает некоторые пороговые значения, например ширину запрещенной зоны полупроводника («собственные» детекторы), энергию переходов в квантовых ямах (КЯ), квантовых точках (КТ) и сверхрешетках (СР), высоту барьера qνb в детекторах на основе диодов Шоттки. Количество носителей заряда, генерируемых в фотонном детекторе за счет поглощения падающего излучения, может измеряться непосредственно в виде сигнала напряжения или тока. Отклик квадратичных фотонных детекторов пропорционален числу поглощенных фотонов (поглощенная интенсивность пропорциональна квадрату амплитуды напряженности электрического поля).
Принцип работы тепловых детекторов основан на изменении электрических характеристик приемника за счет энергии поглощенного теплового излучения. Падающее излучение нагревает материал, что приводит к изменению электронной подвижности и соответственно к изменению сопротивления. Прямого взаимодействия фотонов с электронами материала в данном случае нет [1, 2].
Почти до конца 20-го века развитие ИК‑технологий определялось доминирующим вкладом фотонных детекторов. Существенным недостатком ИК‑фотонных детекторов является необходимость криогенного охлаждения. Это вызвано требованием предотвратить тепловую генерацию носителей заряда. Она является источником шумов, ограничивающих параметры приемников излучения. Вторая революция в ИК‑видении началась в последние десятилетия 20-го века. На протяжении периода с конца 1970-х – начала 1990-х годов несколько компаний приступили к выпуску неохлаждаемых тепловых детекторов, работающих на различных принципах обнаружения тепловых потоков (ИК‑излучения). Такой технологической прорыв позволил создавать крупноформатные массивы (матрицы) приемников ИК‑излучения.
По сравнению с фотонными детекторами тепловые детекторы во второй половине ХХ века применялись в меньшей степени. Причина заключалась в том, что они работали относительно медленно (время ответа τ > 5 ∙ 10–2 c), и их чувствительность была ниже. Но переход к выпуску чувствительных пикселов меньших размеров позволил значительно сократить время отклика. На сегодня тепловая константа времени τ может составлять около ~20 мс и менее. Начиная с конца 1970-х на рынке отмечается значительный сдвиг, связанный с прогрессом в увеличении количества элементов в линейных и матричных детекторах. Это делало их выпуск гораздо более экономически эффективным в первую очередь благодаря применению кремниевых интегральных схем считывания и обработки информации (Read out Integrated Circuits – ROICs). Интеграция таких схем с разными типами детекторов позволила создавать матричные фотоприемные устройства (МФПУ). В ИК‑матрицах ФПУ насчитывается до 108 ИК‑детекторов, что соответствует числу чувствительных рецепторов в человеческом глазу (~2 ∙ 108).
Начиная с 2000-х годов микроболометры уже преобладали на рынке детекторов для неохлаждаемых и относительно недорогих МФПУ. К сегодняшнему дню число изготавливаемых матриц тепловых детекторов в несколько раз больше, чем ИК‑матриц всех остальные типов, вместе взятых. Эта ситуация сохранится и в дальнейшем (рис. 4). Стоимость МФПУ на основе неохлаждаемых болометров при промышленном производстве на два порядка ниже, чем стоимость фотонных матриц [3, 4]. Можно сравнить степень технологической готовности ФПУ для внедрения в промышленность по условной шкале фотоприемников различного типа, используя табл. 1 [4].
Фотонные охлаждаемые детекторы
Типичная конструкция фотонного охлаждаемого детектора представлена на рис. 5. Гибридный фотоприемный узел, включающий матрицу фоточувствительных элементов, состыкованную с кремниевой интегральной схемой считывания, смонтирован в вакуумный корпус. Охлаждение МФПУ обеспечивается микрокриогенной системой охлаждения (МКС), интегрированной с корпусом МФПУ и работающей по циклу Стирлинга.
Основу МФПУ составляют полупроводниковые фоточувствительные материалы. Их состав различается в зависимости от требуемого диапазона спектральной чувствительности. Тройное полупроводниковое соединение кадмий-ртуть-теллур (HgCdTe) применяется для спектральных диапазонов 1–2,5 мкм; 3–5 мкм; 8–14 мкм. Двойное полупроводниковое соединение антимонид индия (InSb) – для спектрального диапазона 3–5 мкм. Тройное полупроводниковое соединение индий-галлий-арсенид (InGaAs) – для спектрального диапазона 0,4–2,3 мкм, структуры с квантовыми ямами (QWIP) – для спектральных диапазонов 3–5 мкм; 8–14 мкм.
Для высокочувствительных и дальнодействующих тепловизионных приборов применяются МФПУ, изготовленные из полупроводниковых соединений кадмий-ртуть-теллур (КРТ) и антимонида индия (InSb). В настоящее время производится примерно равное количество как на основе КРТ, так и на основе InSb (рис. 7). Мы ожидаем, что это соотношение сохранится в среднесрочной перспективе.
Основным материалом МФПУ длинноволнового спектрального диапазона остается КРТ. КРТ доминирует для военных применений, где требуется высокая чувствительность и быстродействие. Сегодня достигнуты высокие результаты по получению качественных эпитаксиальных КРТ‑структур на различных полупроводниковых подложках. Наиболее качественные структуры выращиваются на подложках CdZnTe (КЦТ), согласованных с КРТ по постоянной кристаллической решетки. Сложная и многоступенчатая технология получения КРТ включает глубокую очистку исходных Cd, Hg и Те, синтез соединений HgTe и CdTe, получение CdHgTe. В настоящее время основным промышленным методом изготовления эпитаксиальных слоев в ведущих мировых фирмах, производящих многоэлементные и матричные фотодиоды является метод жидкофазной эпитаксии на подложке из соединения кадмий-цинк-теллур (КЦТ). Преимущества этого метода: относительно низкая стоимость и высокая производительность оборудования, автоматическая доочистка поверхности на начальном этапе роста, дополнительная очистка от примесей в процессе роста и однородность состава по площади. Однако, подложки большой площади из CdZnTe остаются дорогими изделиями с плохо воспроизводимыми характеристиками.
Высокая стоимость КЦТ заставляет развивать эпитаксию на альтернативных подложках – из арсенида галлия, кремния, германия, антимонида галлия и некоторых других. В связи с этим повсеместно разрабатываются такие технологии. Большое различие параметров кристаллических решеток, химическая и структурная несогласованность КРТ на Si, GaAs, Ge превращает задачу изготовления МФПУ на основе структур КРТ / Si,(GaAs, Ge) с подходящими параметрами в чрезвычайно сложную [3].
Основной тенденцией в настоящее время является снижение массогабаритных показателей и потребляемой мощности фотоэлектронных модулей. Формат МФПУ 640×512 элементов при шаге 15 мкм является в настоящее время основным форматом и, по-видимому, по соотношению «цена–качество» на ближайшие 5–10 лет он таковым и останется. Ведущими фирмами-разработчиками МФПУ в качестве коммерчески доступного достигнут мегапикселный формат 1 280 × 1 024 элементов. В настоящее время цены на такие матрицы достаточно высоки, что не позволяет разработчикам аппаратуры осуществить массовый переход на него. Однако уже к 2025 году такой переход произойдет. За рубежом в направлении разработки и производства изделий фотоэлектроники работает большое число компаний. Среди них: AIM Infrared Modules (Германия), BAE Systems (США), Brandywine photonics LLC (США), CalSensors Inc. (США), EGIDE USA (США), China Germanium Co. Ltd. (Китай), FLIR Systems (США), SCD (Израиль), Raytheon Vision Systems (США), RICOR (Израиль), Selex ES (Великобритания), Thales Cryogenics (Франция), Lynred (Франция), Spectrolab Inc. (США) и др.
Уменьшение шага и повышение формата является всеобщим трендом практически для всех мировых разработчиков и производителей ИК МФПУ. Фирма Leonardo (Великобритания) уже достигла шага 8 мкм для матриц мегапикселного формата средневолнового ИК‑диапазона. А фирма Lynred (Франция) в текущем году достигнет шага 5–7 мкм для таких матриц (рис. 8). Снижение шага и повышение формата приводит к значительному росту дальности распознавания объектов [5–8].
Во второй части обзора будут рассмотрены охлаждаемые МФПУ для спектрального диапазона 3–5 мкм, 8–12 мкм, неохлаждаемые МФПУ и развитие их рынка.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Пономаренко В. П., Филачев А. М. Инфракрасная техника и электронная оптика. Становление научных направления. – М.: Физматкнига. 2016. 417 с.
Филачев А. М., Таубкин И. И., Тришенков М. А. Твердотельная фотоэлектроника. Фоторезисторы и фотоприемные устройства. – М.: Физматкнига. 2012, 368 с.
Пономаренко В. П. Теллурид кадмия – ртути и новое поколение приборов инфракрасной фотоэлектроники. УФН. 2003; 173(6): 649–665.
Сизов Ф. Ф. ИК-ФОТОЭЛЕКТРОНИКА: фотонные или тепловые детекторы? Перспективы. Sensor Electronics and Microelectronics Technologies. 2015;12(1): 26–53.
Rogalski А. Next decade in infrared detectors. Proc. SPIE10433. ElectroOptical and Infrared Systems: Technology and Applications XIV (9–10 October2017). 2017;10433:104330L1–104330L25. DOI: 10.1117 / 12.2300779.
Кульчицкий Н. А., Наумов А. В., Старцев В. В. Неохлаждаемые микроболометры инфракрасного диапазона-современное состояние и тенденции развития. Нано- и микросистемная техника. 2018; 20(10): 613–624.
Самвелов А. В., Ясев С. Г., Москаленко А. С., Старцев В. В., Пахомов О. В. Интегральные микрокриогенные систем Стирлинга в составе криостатируемых фотоприемных модулей на основе матриц длинноволновой ИК‑области. Фотоника. 2019; 13(1): 58–64. DOI: 10.22184 / FRos.2019.13.1.58.64.
Иванов С. Д., Косцов Э. Г. Приемники теплового излучения неохлаждаемых мегапиксельных тепловизионных матриц (обзор). Успехи Прикладной физики. 2017; 5(2): 136–154.
ОБ АВТОРАХ
Кульчицкий Николай Александрович, докт. техн. наук, e-mail: n.kulchitsky@gmail.com, профессор, Московский технологический университет (МИРЭА), главный специалист, ГНЦ РФ,
АО «Научно-производственное объединение «Орион», Москва, Россия.
ORCID: 0000-0003-4664-4891
Наумов Аркадий Валерьевич инженер-аналитик, АО «Оптико-механическое конструкторское бюро Астрон», https://astrohn.ru, г. Лыткарино, Моск. обл., Россия.
ORCID: 0000-0001-6081-8304
Старцев Вадим Валерьевич, канд. техн. наук, главный конструктор,
АО «Оптико-механическое конструкторское бюро Астрон»,
https://astrohn.ru, г. Лыткарино, Моск. обл., Россия.
ORCID: 0000-0002-2800-544X
В Н. А. Кульчицкий 1, 2, А. В. Наумов 3, В. В. Старцев 3
Московский технологический университет (МИРЭА), Москва, Россия
ГНЦ РФ АО «НПО «ОРИОН», Москва, Россия
АО «ОКБ «Астрон», Лыткарино, Моск.обл., Россия
Статья получена: 08.04.2020
Принята к публикации: 20.04.2020
Ведение
С момента своего возникновения рынок инфракрасной (ИК) тепловизионной техники рос прежде всего из-за своих военных приложений. Сегодня военный сектор по-прежнему обеспечивает рынку некоторый рост, но парадигма его развития изменилась. Теперь основной рост рынку обеспечивают сектора гражданской и медицинской термографии, охранного и пожарного наблюдения, персональные системы ночного видения и локальные ниши безопасности (муниципальные, частные и пр.). Устройства с использованием тепловизоров позволяют осуществлять наблюдение в условиях плохой видимости, обнаруживать людей с повышенной температурой в толпе (рис. 1) [1, 2].
По «допандемическому» прогнозу фирмы Maxtech International (США) и сегодняшним оценкам авторов, рынок ИК‑систем (гражданских и военных), составив 10,5 млрд долларов в 2017 году, в 2025 году может достигнуть 20 млрд долларов. Из-за пандемии прогнозы Maxtech International были пересчитаны нами в сторону увеличения для среднесрочной перспективы. Как нам представляется, спад в данном секторе, если и произойдет, будет краткосрочным (рис. 2).
Классификация
инфракрасных детекторов
Тепловизионные приборы можно разделить на две части: более и менее чувствительные. В более чувствительных приборах используют фотонные детекторы (охлаждаемые и неохлаждаемые), в менее чувствительных – тепловые (неохлаждаемые) детекторы (микроболометры). В данной статье будут рассмотрены только некоторые свойства и характеристики широко применяемых в настоящее время детекторов, а также возможные перспективы развития рынка их использования в связи с постпандемической ситуацией.
Инфракрасные камеры воссоздают образ теплого объекта по сигналам от первичных детекторов теплового излучения. Инфракрасная энергия от объектов сцены фокусируется оптической системой на ИК‑детектор. Информация от него передается на электронную систему обработки изображения, которое затем транслируется на стандартный видеоэкран.
В любом детекторе поглощенное электромагнитное излучение приводит к возникновению или изменению электрического сигнала [1, 2]. Это поглощенное излучение возбуждает или нагревает электронную или решеточную подсистемы детекторов, что приводит к изменениям их физических свойств или изменениям в распределении электронов по энергиям. Как результат изменяется движение заряженных носителей. Такие изменения влекут за собой изменение физических параметров приемников, что фиксирует детектор.
В фотонных детекторах (а это в основном полупроводниковые детекторы) излучение поглощается непосредственно чувствительным к данной длине волны излучения материалом. Механизм взаимодействия излучения с электронами материалов детектора схематично изображен на рис. 3. Условно разделим электроны на те, которые связаны с атомами кристаллической решетки (находящиеся в валентной зоне – это «собственные» детекторы), на связанные с атомами примесей (это «несобственные» или примесные детекторы) и свободные носители (детекторы на свободных носителях), находящиеся внутри валентной зоны или зоны проводимости, и также те, которые в металле находятся вблизи границы металл-полупроводник. На изменении подвижности последних базируется принцип работы фотоэмиссионных Шоттки-детекторов (SBD – Schottki Barrier Diode детекторы). То есть фотонные детекторы реагируют только на фотоны, энергия которых превышает некоторые пороговые значения, например ширину запрещенной зоны полупроводника («собственные» детекторы), энергию переходов в квантовых ямах (КЯ), квантовых точках (КТ) и сверхрешетках (СР), высоту барьера qνb в детекторах на основе диодов Шоттки. Количество носителей заряда, генерируемых в фотонном детекторе за счет поглощения падающего излучения, может измеряться непосредственно в виде сигнала напряжения или тока. Отклик квадратичных фотонных детекторов пропорционален числу поглощенных фотонов (поглощенная интенсивность пропорциональна квадрату амплитуды напряженности электрического поля).
Принцип работы тепловых детекторов основан на изменении электрических характеристик приемника за счет энергии поглощенного теплового излучения. Падающее излучение нагревает материал, что приводит к изменению электронной подвижности и соответственно к изменению сопротивления. Прямого взаимодействия фотонов с электронами материала в данном случае нет [1, 2].
Почти до конца 20-го века развитие ИК‑технологий определялось доминирующим вкладом фотонных детекторов. Существенным недостатком ИК‑фотонных детекторов является необходимость криогенного охлаждения. Это вызвано требованием предотвратить тепловую генерацию носителей заряда. Она является источником шумов, ограничивающих параметры приемников излучения. Вторая революция в ИК‑видении началась в последние десятилетия 20-го века. На протяжении периода с конца 1970-х – начала 1990-х годов несколько компаний приступили к выпуску неохлаждаемых тепловых детекторов, работающих на различных принципах обнаружения тепловых потоков (ИК‑излучения). Такой технологической прорыв позволил создавать крупноформатные массивы (матрицы) приемников ИК‑излучения.
По сравнению с фотонными детекторами тепловые детекторы во второй половине ХХ века применялись в меньшей степени. Причина заключалась в том, что они работали относительно медленно (время ответа τ > 5 ∙ 10–2 c), и их чувствительность была ниже. Но переход к выпуску чувствительных пикселов меньших размеров позволил значительно сократить время отклика. На сегодня тепловая константа времени τ может составлять около ~20 мс и менее. Начиная с конца 1970-х на рынке отмечается значительный сдвиг, связанный с прогрессом в увеличении количества элементов в линейных и матричных детекторах. Это делало их выпуск гораздо более экономически эффективным в первую очередь благодаря применению кремниевых интегральных схем считывания и обработки информации (Read out Integrated Circuits – ROICs). Интеграция таких схем с разными типами детекторов позволила создавать матричные фотоприемные устройства (МФПУ). В ИК‑матрицах ФПУ насчитывается до 108 ИК‑детекторов, что соответствует числу чувствительных рецепторов в человеческом глазу (~2 ∙ 108).
Начиная с 2000-х годов микроболометры уже преобладали на рынке детекторов для неохлаждаемых и относительно недорогих МФПУ. К сегодняшнему дню число изготавливаемых матриц тепловых детекторов в несколько раз больше, чем ИК‑матриц всех остальные типов, вместе взятых. Эта ситуация сохранится и в дальнейшем (рис. 4). Стоимость МФПУ на основе неохлаждаемых болометров при промышленном производстве на два порядка ниже, чем стоимость фотонных матриц [3, 4]. Можно сравнить степень технологической готовности ФПУ для внедрения в промышленность по условной шкале фотоприемников различного типа, используя табл. 1 [4].
Фотонные охлаждаемые детекторы
Типичная конструкция фотонного охлаждаемого детектора представлена на рис. 5. Гибридный фотоприемный узел, включающий матрицу фоточувствительных элементов, состыкованную с кремниевой интегральной схемой считывания, смонтирован в вакуумный корпус. Охлаждение МФПУ обеспечивается микрокриогенной системой охлаждения (МКС), интегрированной с корпусом МФПУ и работающей по циклу Стирлинга.
Основу МФПУ составляют полупроводниковые фоточувствительные материалы. Их состав различается в зависимости от требуемого диапазона спектральной чувствительности. Тройное полупроводниковое соединение кадмий-ртуть-теллур (HgCdTe) применяется для спектральных диапазонов 1–2,5 мкм; 3–5 мкм; 8–14 мкм. Двойное полупроводниковое соединение антимонид индия (InSb) – для спектрального диапазона 3–5 мкм. Тройное полупроводниковое соединение индий-галлий-арсенид (InGaAs) – для спектрального диапазона 0,4–2,3 мкм, структуры с квантовыми ямами (QWIP) – для спектральных диапазонов 3–5 мкм; 8–14 мкм.
Для высокочувствительных и дальнодействующих тепловизионных приборов применяются МФПУ, изготовленные из полупроводниковых соединений кадмий-ртуть-теллур (КРТ) и антимонида индия (InSb). В настоящее время производится примерно равное количество как на основе КРТ, так и на основе InSb (рис. 7). Мы ожидаем, что это соотношение сохранится в среднесрочной перспективе.
Основным материалом МФПУ длинноволнового спектрального диапазона остается КРТ. КРТ доминирует для военных применений, где требуется высокая чувствительность и быстродействие. Сегодня достигнуты высокие результаты по получению качественных эпитаксиальных КРТ‑структур на различных полупроводниковых подложках. Наиболее качественные структуры выращиваются на подложках CdZnTe (КЦТ), согласованных с КРТ по постоянной кристаллической решетки. Сложная и многоступенчатая технология получения КРТ включает глубокую очистку исходных Cd, Hg и Те, синтез соединений HgTe и CdTe, получение CdHgTe. В настоящее время основным промышленным методом изготовления эпитаксиальных слоев в ведущих мировых фирмах, производящих многоэлементные и матричные фотодиоды является метод жидкофазной эпитаксии на подложке из соединения кадмий-цинк-теллур (КЦТ). Преимущества этого метода: относительно низкая стоимость и высокая производительность оборудования, автоматическая доочистка поверхности на начальном этапе роста, дополнительная очистка от примесей в процессе роста и однородность состава по площади. Однако, подложки большой площади из CdZnTe остаются дорогими изделиями с плохо воспроизводимыми характеристиками.
Высокая стоимость КЦТ заставляет развивать эпитаксию на альтернативных подложках – из арсенида галлия, кремния, германия, антимонида галлия и некоторых других. В связи с этим повсеместно разрабатываются такие технологии. Большое различие параметров кристаллических решеток, химическая и структурная несогласованность КРТ на Si, GaAs, Ge превращает задачу изготовления МФПУ на основе структур КРТ / Si,(GaAs, Ge) с подходящими параметрами в чрезвычайно сложную [3].
Основной тенденцией в настоящее время является снижение массогабаритных показателей и потребляемой мощности фотоэлектронных модулей. Формат МФПУ 640×512 элементов при шаге 15 мкм является в настоящее время основным форматом и, по-видимому, по соотношению «цена–качество» на ближайшие 5–10 лет он таковым и останется. Ведущими фирмами-разработчиками МФПУ в качестве коммерчески доступного достигнут мегапикселный формат 1 280 × 1 024 элементов. В настоящее время цены на такие матрицы достаточно высоки, что не позволяет разработчикам аппаратуры осуществить массовый переход на него. Однако уже к 2025 году такой переход произойдет. За рубежом в направлении разработки и производства изделий фотоэлектроники работает большое число компаний. Среди них: AIM Infrared Modules (Германия), BAE Systems (США), Brandywine photonics LLC (США), CalSensors Inc. (США), EGIDE USA (США), China Germanium Co. Ltd. (Китай), FLIR Systems (США), SCD (Израиль), Raytheon Vision Systems (США), RICOR (Израиль), Selex ES (Великобритания), Thales Cryogenics (Франция), Lynred (Франция), Spectrolab Inc. (США) и др.
Уменьшение шага и повышение формата является всеобщим трендом практически для всех мировых разработчиков и производителей ИК МФПУ. Фирма Leonardo (Великобритания) уже достигла шага 8 мкм для матриц мегапикселного формата средневолнового ИК‑диапазона. А фирма Lynred (Франция) в текущем году достигнет шага 5–7 мкм для таких матриц (рис. 8). Снижение шага и повышение формата приводит к значительному росту дальности распознавания объектов [5–8].
Во второй части обзора будут рассмотрены охлаждаемые МФПУ для спектрального диапазона 3–5 мкм, 8–12 мкм, неохлаждаемые МФПУ и развитие их рынка.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Пономаренко В. П., Филачев А. М. Инфракрасная техника и электронная оптика. Становление научных направления. – М.: Физматкнига. 2016. 417 с.
Филачев А. М., Таубкин И. И., Тришенков М. А. Твердотельная фотоэлектроника. Фоторезисторы и фотоприемные устройства. – М.: Физматкнига. 2012, 368 с.
Пономаренко В. П. Теллурид кадмия – ртути и новое поколение приборов инфракрасной фотоэлектроники. УФН. 2003; 173(6): 649–665.
Сизов Ф. Ф. ИК-ФОТОЭЛЕКТРОНИКА: фотонные или тепловые детекторы? Перспективы. Sensor Electronics and Microelectronics Technologies. 2015;12(1): 26–53.
Rogalski А. Next decade in infrared detectors. Proc. SPIE10433. ElectroOptical and Infrared Systems: Technology and Applications XIV (9–10 October2017). 2017;10433:104330L1–104330L25. DOI: 10.1117 / 12.2300779.
Кульчицкий Н. А., Наумов А. В., Старцев В. В. Неохлаждаемые микроболометры инфракрасного диапазона-современное состояние и тенденции развития. Нано- и микросистемная техника. 2018; 20(10): 613–624.
Самвелов А. В., Ясев С. Г., Москаленко А. С., Старцев В. В., Пахомов О. В. Интегральные микрокриогенные систем Стирлинга в составе криостатируемых фотоприемных модулей на основе матриц длинноволновой ИК‑области. Фотоника. 2019; 13(1): 58–64. DOI: 10.22184 / FRos.2019.13.1.58.64.
Иванов С. Д., Косцов Э. Г. Приемники теплового излучения неохлаждаемых мегапиксельных тепловизионных матриц (обзор). Успехи Прикладной физики. 2017; 5(2): 136–154.
ОБ АВТОРАХ
Кульчицкий Николай Александрович, докт. техн. наук, e-mail: n.kulchitsky@gmail.com, профессор, Московский технологический университет (МИРЭА), главный специалист, ГНЦ РФ,
АО «Научно-производственное объединение «Орион», Москва, Россия.
ORCID: 0000-0003-4664-4891
Наумов Аркадий Валерьевич инженер-аналитик, АО «Оптико-механическое конструкторское бюро Астрон», https://astrohn.ru, г. Лыткарино, Моск. обл., Россия.
ORCID: 0000-0001-6081-8304
Старцев Вадим Валерьевич, канд. техн. наук, главный конструктор,
АО «Оптико-механическое конструкторское бюро Астрон»,
https://astrohn.ru, г. Лыткарино, Моск. обл., Россия.
ORCID: 0000-0002-2800-544X
Отзывы читателей
