深度解析非製冷紅外探測器：氧化釩與非晶硅優缺點？

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【論文摘要】作為非製冷紅外探測器熱敏元件主流材料的氧化釩和非晶硅有哪些相同點和差異性。

【主題詞】紅外探測器；氧化釩（VOx）；非晶硅（α-Si）；

【前言】紅外焦平面探測器是紅外熱像系統的核心，是探測分辨和分析感知物熱信息的關鍵，在國防軍工、安防監控、醫學檢查、工業檢測等各行業具有廣泛的應用。

【正文】紅外焦平面探測器可分為製冷型紅外焦平面探測器和非製冷紅外焦平面探測器，製冷型紅外焦平面探測器的優勢在於靈敏度高，雜訊影響小，主要應用於高端軍事裝備；

非製冷紅外焦平面探測器無需製冷裝置，能夠工作在室溫狀態下，體積和功耗大幅降低。雖然在靈敏度上不如製冷型紅外焦平面探測器，但非製冷紅外焦平面探測器的性能已可滿足部分軍事裝備及絕大多數民用領域的技術需要。

作為感知紅外輻射與輸出信號間的橋樑，熱敏感元件則是紅外探測器的核心部件。

製冷型焦平面探測器熱敏元件材料主要是：碲鎘汞MCT，量子阱QWIP，超晶格TSL這三類。

非製冷紅外探測器的熱敏元件主流材料以氧化釩（VOx）和非晶硅（α-Si）為主。

第一部分：氧化釩（VOx）

20世紀80年代初，美國的Honeywell公司接軍方課題開始研究氧化釩薄膜，並於20世紀80年代末研製出非製冷氧化釩微測輻射熱計。氧化釩也有多種複合形態，如VO2、V2O5、V2O3等。氧化釩材料具有較高的TCR（在室溫環境下約為2%/K～3%/K），其製備技術經過多年的發展已很成熟，在微測輻射熱計高端產品中得到了廣泛的應用。（圖2 氧化釩紅外探測器）

第二部分：多晶硅（α-Si）

法國原子能委員會從1992年開始研究多晶硅材料的探測器，目前技術上已很成熟。多晶硅的TCR與VOx相當，也是一種得到較多應用的微測輻射熱計材料，其優點是與標準硅工藝完全兼容，製備過程相對簡單。但由於多晶硅是無定形結構，呈現的1/f雜訊比VOx要高，所以NETD通常不如VOx材料。（圖3 多晶硅紅外探測器）

第四部分：其他材料

硅二極體（SOI）優點在於其面積可做的比電阻的面積更小，因而能做出尺寸更小的像元，但面陣較小，通常用作點測溫領域。（圖4 SOI測溫探測器）

還有一些材料也可用於微測輻射熱計的製造，它們具有某些優異的特性，但也存在較明顯的缺點。氧化鈦薄膜具有較低的1/f雜訊，可方便地與CMOS讀出電路集成，具有較低的熱導，但其TCR只有0.35%/K 左右但是性能不穩定，製造工藝和壽命都有一定限制。（圖5 氧化鈦紅外探測器）

第五部分：氧化釩與非晶硅的相同點：

1、 生產工藝相同

微測輻射熱計技術與CMOS工藝兼容，能夠與CMOS讀出電路單片集成，可基於半導體製造工藝進行大規模生產，是非製冷紅外焦平面探測器的主流技術。

2、 薄膜種類相同

氧化釩薄膜與非晶硅薄膜都是半導體熱敏薄膜，薄膜TCR與電阻率都成正比關係。

（圖7）

第七部分 氧化釩與多晶硅的不同點：

1、 技術沉積時間

1978年，利用微測輻射熱計VOx材料製作探測器取得突破性發展。而非晶硅晚了10年。由氧化釩製成的晶元的性能、技術相對非晶硅更成熟。（氧化釩探測器具有10μm像元間距的產品，而非晶硅探測器目前僅有ULIS設計的320×240像素的12μm像元間距產品。）

2、 薄膜沉積方法

氧化釩薄膜採用反應濺射沉積方法製備，需要對標準CMOS工藝PVD設備進行改造，引入O2作為反應氣體，實現薄膜氧化。

非晶硅薄膜採用化學氣相沉積（CVD）方法製備，需要對標準CMOS工藝CVD設備進行改造，引入H2作為反應氣體，實現薄膜摻氫工藝。

3、 薄膜性能指標不同（主要包括TCR電阻溫度係數、1/f雜訊係數、電阻率與電阻均勻性）

氧化釩薄膜與非晶硅薄膜都是半導體熱敏薄膜，薄膜TCR與電阻率都成正比關係。

同樣電阻率條件下，氧化釩薄膜TCR優於非晶硅薄膜。

同樣TCR條件下，非晶硅薄膜的1/f雜訊係數高於氧化釩薄膜2個數量級（雜訊高成像質量差），嚴重製約了基於非晶硅薄膜的探測器固有靈敏度與固定圖形雜訊，而且這種制約會隨著像元尺寸的縮小越來越顯著。

4、 器件技術指標

氧化釩探測器的靈敏度可以達到20~30mK，非晶硅探測器的靈敏度通常在50mK左右。

非晶硅的殘餘固定圖形雜訊大，比氧化釩的大一個數量級以上，具體表現為圖像有蒙紗感，紅外圖像感觀不夠銳利通透。

NETD與熱時間常數乘積品質因子（FOM）是評估探測器研製能力的指標，氧化釩FOM遠遠高於同級別（同像元間距）非晶硅探測器。

氧化釩探測器的圖像非均勻性好於非晶硅探測器。（圖13 氧化釩與非晶硅圖像對比）

5、 成像原理

以成像的原理看，氧化釩一個像元就是一個精確的溫度，多晶硅薄膜由於材料生長的特性，對溫度的變化相對不敏感。隨著軟體演算法的發展，可以通過圖像演算法程序把這個缺點做一定程度的彌補。通過圖像演算法把N*N（N≥2）個像元的平均溫度作為一個測溫值。那麼臨近區域給出一個模擬的人工數值。如果近距離觀測還可以，觀測距離遠時，有時一個物體只有幾個像元時，往往無法識別或者分析錯誤。

縱觀全球紅外市場，氧化釩（VOx）與非晶硅（α-Si）都得到了廣泛應用。氧化釩技術早期主要掌握在美國幾大軍火巨頭手上，如紅外技術頂尖的DRS、雷神、BAE等都是採用氧化釩方案，多應用于軍工等對成像質量要求比較高的領域；非晶硅比較有代表性的是法國Ulis，在民品普通領域，非晶硅以較低的成本擁有一定的市場份額，同時大幅推進了紅外探測器在民品市場的廣泛應用。（《半導體光電技術與研究》）