eng
Выпуск #4/2020
Н. А. Кульчицкий, А. В. Наумов, В. В. Старцев
Матричные фотоприемные устройства ИК‑диапазона: «постпандемические» тенденции развития. Часть II
Матричные фотоприемные устройства ИК‑диапазона: «постпандемические» тенденции развития. Часть II
Просмотры: 4105
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2020.14.4.320.330
В первой части обзора ( см. Фотоника. 2020; 14(3): 234–244) были 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. Во второй части обзора рассмотрены охлаждаемые МФПУ для спектрального диапазона 3–5 мкм, 8–12 мкм, неохлаждаемые МФПУ. Представлено сравнение тепловых детекторов разного типа от разных мировых производителей. Дан экспертный прогноз изменений динамики роста рынка и его пост-пандемические тенденции развития.
В первой части обзора ( см. Фотоника. 2020; 14(3): 234–244) были 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. Во второй части обзора рассмотрены охлаждаемые МФПУ для спектрального диапазона 3–5 мкм, 8–12 мкм, неохлаждаемые МФПУ. Представлено сравнение тепловых детекторов разного типа от разных мировых производителей. Дан экспертный прогноз изменений динамики роста рынка и его пост-пандемические тенденции развития.
Матричные фотоприемные устройства ИК‑диапазона: «постпандемические» тенденции развития. Часть II
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
В первой части обзора (см. Фотоника. 2020; 14(3): 234–244) были 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. Во второй части обзора рассмотрены охлаждаемые МФПУ для спектрального диапазона 3–5 мкм, 8–12 мкм, неохлаждаемые МФПУ. Представлено сравнение тепловых детекторов разного типа от разных мировых производителей. Дан экспертный прогноз изменений динамики роста рынка и его пост-пандемические тенденции развития.
Статья получена: 08.04.2020
Принята к публикации: 20.04.2020
ОХЛАЖДАЕМЫЕ МФПУ ДЛЯ ИК-ДИАПАЗОНА
Снижение шага расположения пикселов и повышение формата матрицы приводит к значительному росту дальности распознавания объектов оптико-электронными системами [5–7].
Охлаждаемые МФПУ для спектрального диапазона 3–5 мкм
Матричные фотоприемные устройства (МФПУ), рассмотренные в первой части обзора (см. Фотоника. 2020; 14(3): 234–244), выпускаются серийно и широко представлены на мировом рынке. Основной формат − 640 × 512 пикселов, осуществляется переход на 1 280 × 1 024 пикселов. Достижения в технологиях ИК‑датчиков позволили увеличить размеры матриц и уменьшить размеры пикселов для получения мегапикселных матриц. Материалы для их создания – InSb, КРТ, InAsSb.
Охлаждаемые МФПУ для спектрального диапазона 8–12 мкм
МФПУ, представленные в табл. 3, также выпускаются серийно ведущими производителями и широко представлены на мировом рынке. Основные форматы –320 × 256, 384 × 288 и 640 × 512, разработаны образцы мегапикселных МФПУ. Материалы для их создания – КРТ, QWIP.
Двух- и многоспектральные МФПУ
Двух- и многоспектральные МФПУ активно разрабатываются практически всеми ведущими фирмами. Их применение в оптико-электронных системах повышает вероятность обнаружения и распознавания цели. Высокая информативность и достигаемая при этом компактность приборов – движущие силы развития этого направления. В следующем десятилетии двухспектральные МФПУ станут коммерчески доступными изделиями ИК‑фотоэлектроники. Для реализации двухспектральных МФПУ, чувствительных в диапазонах 3–5 и 8–12 мкм, применяют в основном технологии на основе КРТ. Пример изображений в двух диапазонах (рис. 9), полученных с помощью двухдиапазонного МФПУ, дает представление о степени детальной проработки сцены.
НЕОХЛАЖДАЕМЫЕ МФПУ
По сравнению с фотонными, тепловые детекторы во второй половине ХХ века применялись реже. Причина кроется в том, что они работали относительно медленно (время ответа t > 5 ∙ 10–2 c) и их чувствительностью была ниже. Однако за последние два десятка лет мы наблюдаем значительный прогресс в создании неохлаждаемых тепловых детекторов ИК‑диапазона. Их пороговые характеристики приблизились к характеристикам фотонных детекторов, и заметьте – при значительно меньшей стоимости. Стоимость МФПУ на основе болометров при промышленном производстве на два порядка меньше, чем стоимость матриц на основе HgCdTe, InSb [2–4].
Излучение регистрируется при накоплении в объеме приёмника тепла от воздействия энергии излучения за время кадра. Для этого в конструкции чувствительный элемент максимально теплоизолирован от подложки. Теплоизоляция реализована за счёт использования технологии MEMS. В ее основе лежит глубокое сухое травление кремния с применением «жертвенных» слоев (до трех). На поверхности таким путём создают мембранные конструкции толщиной менее 1 мкм. Пара микробалок (поддерживающих консолей) удерживает их над подложкой на расстоянии ~2 мкм, на них размещен фоточувствительный элемент – тонкоплёночная структура (рис. 10).
На рис. 11 приведена дорожная карта развития неохлаждаемых матриц тепловых ИК‑детекторов [4]. Видно, что при улучшении характеристик и увеличении плотности пикселов (уменьшении их размера) можно значительно расширить число их применений.
Тепловые матрицы уже стали широко использоваться в повседневных устройствах ночного вождения. Для таких целей применяют матрицы с числом пикселов в матрице 2 ∙ 105 и значении NETD = 100 мК (NETD – Noise Equivalent Temperature Difference – температурная чувствительность, равная минимальной разности температур, эквивалентной шуму).
В нашлемных устройствах, стрелковых прицелах, датчиках наземных охранных устройств широко применяют матрицы, у которых шаг пикселов уменьшен до 10–17 мкм при количестве пикселов >106. Если цели такой программы будут достигнуты (NETD < 10 мК), то области применения таких тепловых неохлаждаемых матриц могут быть расширены еще больше. Пока на пути реализация встают технические трудности.
В настоящее время наиболее широко используются для создания тепловых формирователей изображения оксид ванадия и легированный a-Si : H. Оксид ванадия VOx обладает высокими значениями температурного коэффициента сопротивления (ТКС = 2–3%). На основе этого материала созданы матрицы форматом 2 048 × 1 536 с размером пиксела 17 мкм [4–6].
Однако оксид ванадия – нестандартный материал для КМОП‑технологии. Изготовление оксида ванадия в виде тонких пленок является сложным в управлении процессом. Причина кроется в слишком узком диапазоне технологических параметров, в рамках которых можно обеспечить стабильность и оптимальность характеристик оксида. Кроме того, наличие гистерезиса приводит к проблемам при построении тепловых изображений горячих объектов. Теплопроводность таких пленок на порядок выше, чем значения этого параметра для полупроводников (обычно 0,05 Вт / смК). Болометры на основе a-Si : H обладают высоким сопротивлением, но этот материал нестабилен при тепловых обработках и при действии ультрафиолетового облучения. Этот материал имеет две фазы: стабильную и метастабильную, которые разделены потенциальными барьерами, что препятствует формированию равновесного состояния.
В настоящее время внимание разработчиков сконцентрировано в области технологических проблем совместимости процесса изготовления болометрических матриц с КМОП‑технологией, а также в области оптимизации сопротивления материала, TКС, тепловой проводимости и других характеристик прибора. Болометры на основе карбида кремния SiC обладают высокими значениями ТКС (4–6%). Но для стабилизации свойств материала требуется проводить отжиг при температурах около 1 000 °C, что несовместимо с КМОП‑технологией [6, 7].
Другим направлением развития стало создание матричных массивов фоточувствительных элементов с уменьшенным вплоть до 5 мкм шагом элементов (рис. 12).
Однако мы видим новый интерес к технологии создания микроболометров. Он связан с их применением в камерах высокоскоростной съемки. При формирования изображений от детектора требуется быстрый отклик. В этом случае лимитирующим фактором является величина тепловой постоянной времени отклика τth. Сегодня для типовых болометров с шагом 17 мкм достигнута величина τth = 12 мс. Путем оптимизации конструкции болометра τth может быть уменьшена до величин менее 3 мс. Уменьшение тепловой постоянной времени может обеспечить улучшение качества изображения (рис. 13).
Рынок микроболометров
По данным аналитического агентства Yole Development, основное производство микроболометров сегодня сосредоточено в США, Франции. Также производители имеются в Израиле, Китае, Японии, др. странах Юго-Восточной Азии (рис. 14). Эти изделия выпускаются серийно мировыми производителями и широко представлены на мировом рынке [6, 8]. В табл. 4 представлены характеристики неохлаждаемых ФПУ различных производителей.
СИТУАЦИЯ В СССР И РОССИИ
Разработкой фотоприемных устройств различного назначения в России занимается ряд предприятий АО «Швабе» и АО «Росэлектроника», Российской академии наук, частные предприятия. Основными поставщиками являются АО «НПО «Орион» и АО «МЗ Сапфир», входящие в АО «Швабе», а также частное предприятие АО «ОКБ «Астрон». АО «НПО «Орион» разрабатывает и ведет производство охлаждаемых и неохлаждаемых фотоприемников. АО «МЗ «Сапфир» производит охлаждаемые и неохлаждаемые МФПУ на основе Si, Ge, InSb, CdHgTe. АО «НИИ «Полюс» развивает неохлаждаемые МФПУ на основе InGaAs и производство фоточувствительных полупроводниковых структур. Предприятия АО «Росэлектроника» специализируются на разработке и производстве матриц видимого диапазона на основе кремния, охлаждаемых МФПУ на основе квантовых ям, барьера Шотки из силицида платины, и охлаждаемых ФПУ на основе примесного кремния (АО «НПП «Пульсар», АО «ЦНИИ «Электрон», АО «ЦНИИ «Циклон» АО «НПП «Восток»). Институт физики полупроводников Сибирского отделения РАН развивает полупроводниковое материаловедение и МФПУ на основе CdHgTe, InAs, микроболометров и квантовых ям.
АО «ОКБ «Астрон» (г. Лыткарино, Моск. обл.) разрабатывает и производит тепловизионные приборы гражданского назначения на основе неохлаждаемых МФПУ собственного производства, а также охлаждаемых МФПУ на основе CdHgTe совместно с ИФП СО РАН.
АО «НПО «Орион» приступило к серийному выпуску МФПУ средневолнового диапазона. АО «ОКБ «Астрон» приступило к серийному выпуску матричного фотоприемного модуля в длинноволновом диапазоне на основе охлаждаемой матрицы КРТ / Si (производства ИФП СО РАН) и собственной микрохолодильной системы Астрон-МКС500. Астрон-МКС500 работает по замкнутому обратному термогазодинамическому регенеративному циклу Стирлинга с внутренней регенерацией тепла, в качестве рабочего тела используется сверхчистый газообразный гелий. Достигнутые результаты близки по своим показателям мировому уровню.
Первые попытки создания микроболометрических матриц были начаты в 1994–1995 годов в НПО «Орион» (Москва) [1, 3]. В начале 2000-х годов предприятие приступило к разработкам приборов формата 320 × 240 на оксиде ванадия на подложке из нитрида кремния. Однако развивающийся рынок гражданских и охранных применений требовал крупносерийного выпуска микроболометров. До недавних пор отечественную технику обеспечивали тепловизионными системами в рамках закупки либо совместного производства с иностранными соисполнителями. Необходимость разработки и серийного производства отечественных неохлаждаемых МФПУ стала особенно актуальной после запрета их поставок из-за рубежа.
С 2016 года на предприятии АО «ОКБ Астрон» освоено производство МФПУ с чувствительностью до 40 мК «Астрон‑38425-1» и «Астрон‑64025-1» с размером чувствительных элементов матрицы 25 мкм и 17 мкм. МФПУ изготовлено на основе матрицы микроболометров с электронной подсистемой считывания, и упакованной в керамический корпус. МФПУ имеет массив микроболометров в виде двумерной матрицы элементарных детекторов, расположенный в фокальной плоскости, состоящей из 384 × 288 элементов (ФПУ АСТРОН‑38417-1), и 640 × 480 (ФПУ ACTPOH‑64017-1). Микроболометры выполнены из оксида ванадия по мостиковой схеме. МФПУ выдает необработанное изображение в аналоговом формате со скоростью до 60 кадров в секунду. Управление электронной подсистемы производится по последовательной шине данных. Размер пиксела составляет 17 × 17 мкм. МФПУ выполнено в корпусе LCC (Leadless chip Carrier) из вакуумплотной керамики (рис. 15). Топология микроболометрических детекторов разных производителей приведена на рис. 16 [6]. Работы по созданию микроболометрических матриц на основе оксидов ванадия ведутся также в ИФП СО РАН (г. Новосибирск) [4, 6, 7].
ОСНОВНЫЕ ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ
В последнее десятилетие в фотоэлектронике ИК‑диапазона наметился ряд новых направлений и тенденций. Они связаны с повышением разрешающей способности систем, усовершенствованием методов регистрации сверхслабых оптических сигналов, созданием быстродействующих и многоспектральных систем, формированием инфракрасных 3D‑изображений и др.:
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Последствия пандемии и ограничений ведут к появлению краткосрочных и долгосрочных факторов влияние на рынок ИК МФПУ. К краткосрочным можно отнести все, что напрямую связано с медицинской термографией. В первую очередь это относится к неохлаждаемым тепловым детекторам. Низкое время отклика в случае недорогих «смотрящих» тепловизионных систем практически несущественно, особенно для медицинских применений при измерении тепловых полей неподвижных объектов или объектов, перемещающихся с малыми угловыми скоростями. В целом вся индустрия будет испытывать подъем (особенно заметный на фоне возможного замедления мировой экономики в целом). И этот тренд может перейти из краткосрочной фазы в долгосрочную.
Что касается долгосрочных тенденций, то весьма вероятно, что эпидемиологическая угроза займет в общественном сознании такое же место, какое после терактов в Нью-Йорке 2001 года заняла террористическая угроза. Нельзя исключать появления в аэропортах биометрического контроля в дополнение к существующим протоколам авиационной безопасности, новых протоколов прохождения пунктов перехода границы и пр. Все это потребует резкого увеличения объемов производства и снижения себестоимости изготовления. Будут востребованы технологии еще более крупносерийного формирования в едином техпроцессе многопикселных матриц с низкой дефектностью, а также их гибридизацию со считывающими схемами. Из достаточно экзотического и дорогого прибора тепловизор в среднесрочной перспективе превратится в почти бытовой прибор.
Идеи использования в фотоэлектронике метаматериалов, графена и других 2D‑структур начинают реализовываться на практике. Вместе с «традиционным» тепловидением они необычайно широко раздвигают границы и технические возможности. Мы ожидаем значительного расширения перспектив совершенствования и создания новых инфракрасных оптико-электронных систем.
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
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
В первой части обзора (см. Фотоника. 2020; 14(3): 234–244) были 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. Во второй части обзора рассмотрены охлаждаемые МФПУ для спектрального диапазона 3–5 мкм, 8–12 мкм, неохлаждаемые МФПУ. Представлено сравнение тепловых детекторов разного типа от разных мировых производителей. Дан экспертный прогноз изменений динамики роста рынка и его пост-пандемические тенденции развития.
Статья получена: 08.04.2020
Принята к публикации: 20.04.2020
ОХЛАЖДАЕМЫЕ МФПУ ДЛЯ ИК-ДИАПАЗОНА
Снижение шага расположения пикселов и повышение формата матрицы приводит к значительному росту дальности распознавания объектов оптико-электронными системами [5–7].
Охлаждаемые МФПУ для спектрального диапазона 3–5 мкм
Матричные фотоприемные устройства (МФПУ), рассмотренные в первой части обзора (см. Фотоника. 2020; 14(3): 234–244), выпускаются серийно и широко представлены на мировом рынке. Основной формат − 640 × 512 пикселов, осуществляется переход на 1 280 × 1 024 пикселов. Достижения в технологиях ИК‑датчиков позволили увеличить размеры матриц и уменьшить размеры пикселов для получения мегапикселных матриц. Материалы для их создания – InSb, КРТ, InAsSb.
Охлаждаемые МФПУ для спектрального диапазона 8–12 мкм
МФПУ, представленные в табл. 3, также выпускаются серийно ведущими производителями и широко представлены на мировом рынке. Основные форматы –320 × 256, 384 × 288 и 640 × 512, разработаны образцы мегапикселных МФПУ. Материалы для их создания – КРТ, QWIP.
Двух- и многоспектральные МФПУ
Двух- и многоспектральные МФПУ активно разрабатываются практически всеми ведущими фирмами. Их применение в оптико-электронных системах повышает вероятность обнаружения и распознавания цели. Высокая информативность и достигаемая при этом компактность приборов – движущие силы развития этого направления. В следующем десятилетии двухспектральные МФПУ станут коммерчески доступными изделиями ИК‑фотоэлектроники. Для реализации двухспектральных МФПУ, чувствительных в диапазонах 3–5 и 8–12 мкм, применяют в основном технологии на основе КРТ. Пример изображений в двух диапазонах (рис. 9), полученных с помощью двухдиапазонного МФПУ, дает представление о степени детальной проработки сцены.
НЕОХЛАЖДАЕМЫЕ МФПУ
По сравнению с фотонными, тепловые детекторы во второй половине ХХ века применялись реже. Причина кроется в том, что они работали относительно медленно (время ответа t > 5 ∙ 10–2 c) и их чувствительностью была ниже. Однако за последние два десятка лет мы наблюдаем значительный прогресс в создании неохлаждаемых тепловых детекторов ИК‑диапазона. Их пороговые характеристики приблизились к характеристикам фотонных детекторов, и заметьте – при значительно меньшей стоимости. Стоимость МФПУ на основе болометров при промышленном производстве на два порядка меньше, чем стоимость матриц на основе HgCdTe, InSb [2–4].
Излучение регистрируется при накоплении в объеме приёмника тепла от воздействия энергии излучения за время кадра. Для этого в конструкции чувствительный элемент максимально теплоизолирован от подложки. Теплоизоляция реализована за счёт использования технологии MEMS. В ее основе лежит глубокое сухое травление кремния с применением «жертвенных» слоев (до трех). На поверхности таким путём создают мембранные конструкции толщиной менее 1 мкм. Пара микробалок (поддерживающих консолей) удерживает их над подложкой на расстоянии ~2 мкм, на них размещен фоточувствительный элемент – тонкоплёночная структура (рис. 10).
На рис. 11 приведена дорожная карта развития неохлаждаемых матриц тепловых ИК‑детекторов [4]. Видно, что при улучшении характеристик и увеличении плотности пикселов (уменьшении их размера) можно значительно расширить число их применений.
Тепловые матрицы уже стали широко использоваться в повседневных устройствах ночного вождения. Для таких целей применяют матрицы с числом пикселов в матрице 2 ∙ 105 и значении NETD = 100 мК (NETD – Noise Equivalent Temperature Difference – температурная чувствительность, равная минимальной разности температур, эквивалентной шуму).
В нашлемных устройствах, стрелковых прицелах, датчиках наземных охранных устройств широко применяют матрицы, у которых шаг пикселов уменьшен до 10–17 мкм при количестве пикселов >106. Если цели такой программы будут достигнуты (NETD < 10 мК), то области применения таких тепловых неохлаждаемых матриц могут быть расширены еще больше. Пока на пути реализация встают технические трудности.
В настоящее время наиболее широко используются для создания тепловых формирователей изображения оксид ванадия и легированный a-Si : H. Оксид ванадия VOx обладает высокими значениями температурного коэффициента сопротивления (ТКС = 2–3%). На основе этого материала созданы матрицы форматом 2 048 × 1 536 с размером пиксела 17 мкм [4–6].
Однако оксид ванадия – нестандартный материал для КМОП‑технологии. Изготовление оксида ванадия в виде тонких пленок является сложным в управлении процессом. Причина кроется в слишком узком диапазоне технологических параметров, в рамках которых можно обеспечить стабильность и оптимальность характеристик оксида. Кроме того, наличие гистерезиса приводит к проблемам при построении тепловых изображений горячих объектов. Теплопроводность таких пленок на порядок выше, чем значения этого параметра для полупроводников (обычно 0,05 Вт / смК). Болометры на основе a-Si : H обладают высоким сопротивлением, но этот материал нестабилен при тепловых обработках и при действии ультрафиолетового облучения. Этот материал имеет две фазы: стабильную и метастабильную, которые разделены потенциальными барьерами, что препятствует формированию равновесного состояния.
В настоящее время внимание разработчиков сконцентрировано в области технологических проблем совместимости процесса изготовления болометрических матриц с КМОП‑технологией, а также в области оптимизации сопротивления материала, TКС, тепловой проводимости и других характеристик прибора. Болометры на основе карбида кремния SiC обладают высокими значениями ТКС (4–6%). Но для стабилизации свойств материала требуется проводить отжиг при температурах около 1 000 °C, что несовместимо с КМОП‑технологией [6, 7].
Другим направлением развития стало создание матричных массивов фоточувствительных элементов с уменьшенным вплоть до 5 мкм шагом элементов (рис. 12).
Однако мы видим новый интерес к технологии создания микроболометров. Он связан с их применением в камерах высокоскоростной съемки. При формирования изображений от детектора требуется быстрый отклик. В этом случае лимитирующим фактором является величина тепловой постоянной времени отклика τth. Сегодня для типовых болометров с шагом 17 мкм достигнута величина τth = 12 мс. Путем оптимизации конструкции болометра τth может быть уменьшена до величин менее 3 мс. Уменьшение тепловой постоянной времени может обеспечить улучшение качества изображения (рис. 13).
Рынок микроболометров
По данным аналитического агентства Yole Development, основное производство микроболометров сегодня сосредоточено в США, Франции. Также производители имеются в Израиле, Китае, Японии, др. странах Юго-Восточной Азии (рис. 14). Эти изделия выпускаются серийно мировыми производителями и широко представлены на мировом рынке [6, 8]. В табл. 4 представлены характеристики неохлаждаемых ФПУ различных производителей.
СИТУАЦИЯ В СССР И РОССИИ
Разработкой фотоприемных устройств различного назначения в России занимается ряд предприятий АО «Швабе» и АО «Росэлектроника», Российской академии наук, частные предприятия. Основными поставщиками являются АО «НПО «Орион» и АО «МЗ Сапфир», входящие в АО «Швабе», а также частное предприятие АО «ОКБ «Астрон». АО «НПО «Орион» разрабатывает и ведет производство охлаждаемых и неохлаждаемых фотоприемников. АО «МЗ «Сапфир» производит охлаждаемые и неохлаждаемые МФПУ на основе Si, Ge, InSb, CdHgTe. АО «НИИ «Полюс» развивает неохлаждаемые МФПУ на основе InGaAs и производство фоточувствительных полупроводниковых структур. Предприятия АО «Росэлектроника» специализируются на разработке и производстве матриц видимого диапазона на основе кремния, охлаждаемых МФПУ на основе квантовых ям, барьера Шотки из силицида платины, и охлаждаемых ФПУ на основе примесного кремния (АО «НПП «Пульсар», АО «ЦНИИ «Электрон», АО «ЦНИИ «Циклон» АО «НПП «Восток»). Институт физики полупроводников Сибирского отделения РАН развивает полупроводниковое материаловедение и МФПУ на основе CdHgTe, InAs, микроболометров и квантовых ям.
АО «ОКБ «Астрон» (г. Лыткарино, Моск. обл.) разрабатывает и производит тепловизионные приборы гражданского назначения на основе неохлаждаемых МФПУ собственного производства, а также охлаждаемых МФПУ на основе CdHgTe совместно с ИФП СО РАН.
АО «НПО «Орион» приступило к серийному выпуску МФПУ средневолнового диапазона. АО «ОКБ «Астрон» приступило к серийному выпуску матричного фотоприемного модуля в длинноволновом диапазоне на основе охлаждаемой матрицы КРТ / Si (производства ИФП СО РАН) и собственной микрохолодильной системы Астрон-МКС500. Астрон-МКС500 работает по замкнутому обратному термогазодинамическому регенеративному циклу Стирлинга с внутренней регенерацией тепла, в качестве рабочего тела используется сверхчистый газообразный гелий. Достигнутые результаты близки по своим показателям мировому уровню.
Первые попытки создания микроболометрических матриц были начаты в 1994–1995 годов в НПО «Орион» (Москва) [1, 3]. В начале 2000-х годов предприятие приступило к разработкам приборов формата 320 × 240 на оксиде ванадия на подложке из нитрида кремния. Однако развивающийся рынок гражданских и охранных применений требовал крупносерийного выпуска микроболометров. До недавних пор отечественную технику обеспечивали тепловизионными системами в рамках закупки либо совместного производства с иностранными соисполнителями. Необходимость разработки и серийного производства отечественных неохлаждаемых МФПУ стала особенно актуальной после запрета их поставок из-за рубежа.
С 2016 года на предприятии АО «ОКБ Астрон» освоено производство МФПУ с чувствительностью до 40 мК «Астрон‑38425-1» и «Астрон‑64025-1» с размером чувствительных элементов матрицы 25 мкм и 17 мкм. МФПУ изготовлено на основе матрицы микроболометров с электронной подсистемой считывания, и упакованной в керамический корпус. МФПУ имеет массив микроболометров в виде двумерной матрицы элементарных детекторов, расположенный в фокальной плоскости, состоящей из 384 × 288 элементов (ФПУ АСТРОН‑38417-1), и 640 × 480 (ФПУ ACTPOH‑64017-1). Микроболометры выполнены из оксида ванадия по мостиковой схеме. МФПУ выдает необработанное изображение в аналоговом формате со скоростью до 60 кадров в секунду. Управление электронной подсистемы производится по последовательной шине данных. Размер пиксела составляет 17 × 17 мкм. МФПУ выполнено в корпусе LCC (Leadless chip Carrier) из вакуумплотной керамики (рис. 15). Топология микроболометрических детекторов разных производителей приведена на рис. 16 [6]. Работы по созданию микроболометрических матриц на основе оксидов ванадия ведутся также в ИФП СО РАН (г. Новосибирск) [4, 6, 7].
ОСНОВНЫЕ ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ
В последнее десятилетие в фотоэлектронике ИК‑диапазона наметился ряд новых направлений и тенденций. Они связаны с повышением разрешающей способности систем, усовершенствованием методов регистрации сверхслабых оптических сигналов, созданием быстродействующих и многоспектральных систем, формированием инфракрасных 3D‑изображений и др.:
- переход на полный мегапиксельный формат 1 024 × 1 280 элементов с одновременным уменьшением шага элементов, создание сверкрупноформатных матриц;
- повышение функциональных возможностей МФПУ (3D, лавинное усиление и т. д.);
- создание двух- и многоспектральных МФПУ;
- расширение применений МФПУ коротковолнового ИК‑диапазона;
- введение цифровой предобработки в БИС считывания;
- создание сверхдлинноволновых МФПУ с граничной длиной волны более 14 мкм;
- поиск новых принципов детектирования ИК‑излучения и новых фоточувствительных материалов (графен, другие 2D структуры и т. п.).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Последствия пандемии и ограничений ведут к появлению краткосрочных и долгосрочных факторов влияние на рынок ИК МФПУ. К краткосрочным можно отнести все, что напрямую связано с медицинской термографией. В первую очередь это относится к неохлаждаемым тепловым детекторам. Низкое время отклика в случае недорогих «смотрящих» тепловизионных систем практически несущественно, особенно для медицинских применений при измерении тепловых полей неподвижных объектов или объектов, перемещающихся с малыми угловыми скоростями. В целом вся индустрия будет испытывать подъем (особенно заметный на фоне возможного замедления мировой экономики в целом). И этот тренд может перейти из краткосрочной фазы в долгосрочную.
Что касается долгосрочных тенденций, то весьма вероятно, что эпидемиологическая угроза займет в общественном сознании такое же место, какое после терактов в Нью-Йорке 2001 года заняла террористическая угроза. Нельзя исключать появления в аэропортах биометрического контроля в дополнение к существующим протоколам авиационной безопасности, новых протоколов прохождения пунктов перехода границы и пр. Все это потребует резкого увеличения объемов производства и снижения себестоимости изготовления. Будут востребованы технологии еще более крупносерийного формирования в едином техпроцессе многопикселных матриц с низкой дефектностью, а также их гибридизацию со считывающими схемами. Из достаточно экзотического и дорогого прибора тепловизор в среднесрочной перспективе превратится в почти бытовой прибор.
Идеи использования в фотоэлектронике метаматериалов, графена и других 2D‑структур начинают реализовываться на практике. Вместе с «традиционным» тепловидением они необычайно широко раздвигают границы и технические возможности. Мы ожидаем значительного расширения перспектив совершенствования и создания новых инфракрасных оптико-электронных систем.
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
