Современные охлаждаемые фотоприемные устройства ИК-диапазона

Динамика рынка до и после пандемии

В данной статье рассмотрены некоторые свойства и характеристики наиболее широко применяемых охлаждаемых матричных фотоприемных устройств для инфракрасных камер¹, а также возможные перспективы развития рынка в "постпандемическую" эпоху.

В последние годы темпы развития тепловизионной техники новых поколений заметно ускорились. Устройства с использованием тепловизоров позволяют осуществлять наблюдение в условиях плохой видимости, обнаруживать людей с повышенной температурой в толпе и др. (рис. 1). По "допандемическому" прогнозу фирмы Maxtech International (США), рынок гражданских и военных ИК-систем, составляющий в 2017 г. 10,5 млрд долларов, в 2023 г. превысит 17 млрд долларов. Из-за пандемии, вероятно, следует пересмотреть эти прогнозы в сторону увеличения, а после ее окончания вполне может быть, что эпидемиологическая угроза займет в общественном сознании такое же место, какое заняла террористическая после терактов в Нью-Йорке в 2001 г. Нельзя исключать и появление в аэропортах биометрического контроля в дополнение к существующим протоколам авиационной безопасности, а также новых правил пересечения пограничных пунктов и др.

¹ В настоящем обзоре использованы материалы XXV Международной научно-технической конференции по фотоэлектронике и приборам ночного видения (Москва, "НПО "Орион"), 2018 г.

рис1 Рис. 1. Области использования тепловидения (Yole Development, 2018 г.)

Как работают ИК-детекторы?

Инфракрасные камеры воссоздают образ теплого объекта по сигналам от первичных преобразователей – датчиков теплового излучения. Инфракрасная энергия от объектов сцены фокусируется посредством оптики на ИК-детектор, информация от него передается на электронику для обработки изображения, которое транслируется на стандартный видеоэкран.

Современные датчики имеют подложку, на которой размещен массив детекторов, представляющих собой пиксели. Подложка также включает в себя интегральную схему, обычно называемую Read Out Integrated Circuit (ROIC), которая электрически соединяется с детектирующими элементами (рис. 2). Интеграция таких схем с разными типами детекторов позволила создавать матричные ИК – ФПУ (МФПУ), которые могут насчитывать до 108 ИК-детекторов, что соответствует числу чувствительных рецепторов в глазе человека (~2 х 108).

рис2 Рис. 2. Конструкция модуля с охлаждаемым МФПУ: а) фоточувствительная матрица, гибридизированная со считывающей матрицей ROIC; б)МФПУ в корпусе; в) гибридный фотоприемный узел с МКС

В настоящее время на повестке дня стоит разработка МФПУ 2-го и 3-го поколений.

Ко 2-му поколению относятся МФПУ смотрящего типа с числом элементов до 106 (мегапиксель). 3-е поколение МФПУ характеризуется расширенными возможностями, например работой при повышенных температурах и др. К 3-му поколению относятся и МФПУ мегапиксельных форматов с уменьшенным шагом элементов.

Преимущества охлаждаемых МФПУ

Тепловизионные приборы можно разделить на два класса:

более эффективные – на фотонных (охлаждаемых и неохлаждаемых) детекторах;
менее чувствительные – на тепловых (неохлаждаемых) детекторах (микроболометрах).

Существенным недостатком ИК-фотонных детекторов является необходимость криогенного охлаждения. Оно нужно для предотвращения тепловой генерации носителей заряда, которая является источником шумов, ограничивающих параметры приемников излучения.

Типичная конструкция современного охлаждаемого фотоприемного узла показана на рис. 2. Гибридный фотоприемный узел, включающий в себя 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.

Сегмент охлаждаемых МФПУ демонстрирует быстрый рост, связанный с внедрением новых технологий создания приемников и более эффективных систем охлаждения.

Самые используемые материалы

Основой МФПУ являются полупроводниковые фоточувствительные материалы, роль которых все более возрастает. Основные материалы, используемые для создания фотонных приемников:

тройное полупроводниковое соединение кадмий-ртуть-теллур (HgCdTe) для спектральных диапазонов 1–2,5/3–5/8–14 мкм;
двойное полупроводниковое соединение антимонида 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 3–5/8-14 мкм.

рис3

Рис. 3. Относительные доли продаж фотонных МФПУ на разных материалах (Maxtech International)

Для высокочувствительных и дальнодействующих тепловизионных приборов применяются МФПУ, изготовленные из кадмий-ртуть-теллура (КРТ) и антимонида индия (InSb). В настоящее время производится примерно равное количество на основе как КРТ, так и InSb (рис. 3), и это сооношение будет сохраняться (рис. 4).

рис4 Рис. 4. Прогноз производства МФПУ на КРТ и InSb (оценки Maxtech International и авторов)

Переход на новый формат

Формат МФПУ 640х512 элементов при шаге 15 мкм является основным 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 мегапиксельный формат 1280х1024 элементов. В настоящее время цены на такие матрицы довольно высоки и не позволяют разработчикам аппаратуры осуществить массовый переход на него. Однако уже к 2025 г. такой переход произойдет. За рубежом в направлении разработки и производства изделий фотоэлектроники работает большое число компаний, среди которых AIM Infrared Modules (Германия), BAE Systems (США), Brandywine Photonics (США), CalSensors (США), EGIDE USA (США), China Germanium (Китай), FLIR Systems (США), SCD (Израиль), Raytheon Vision Systems (США), RICOR (Израиль), Selex ES (Великобритания), Thales Cryogenics (Франция), Lynred (Франция), Spectrolab (США) и др.

"ПАО "КАМАЗ": цифровое производство и эффективность бизнеса" читать >>>

Ситуация в России

Разработкой фотоприемных устройств различного назначения в России занимается ряд предприятий, сосредоточенных в АО "Швабе", АО "Росэлектроника" и Российской академии наук, а также частные организации. Основными поставщиками являются АО "НПО "Орион" и АО "МЗ Сапфир", входящие в АО "Швабе", и частное предприятие АО "ОКБ "Астрон".

АО "НПО "Орион" разрабатывает и производит охлаждаемые и неохлаждаемые фотоприемники. АО "МЗ "Сапфир" выпускает 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.

Таблица 1. Примеры дизайна фотоэлектрических узлов с МКС табл1

АО "ОКБ "Астрон" (г. Лыткарино) 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, а АО "ОКБ "Астрон" – 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". Система 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 к мировому уровню.

Охлаждаемые МФПУ для спектрального диапазона 3–5 мкм

МФПУ, представленные в сравнительной табл. 2, выпускаются серийно ведущими мировыми производителями в России и наиболее широко представлены на мировом рынке. Основной формат – 640х512 пксл, осуществляется переход на 1280х1024 пксл. Материалы – InSb, КРТ, InAsSb.

Таблица 2. Матричные ФПУ различных мировых производителей для диапазона 3–5 мкм табл2

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 – 320х256, 384х288 и 640×512 пкс, разработаны образцы мегапиксельных МФПУ. Материалы – КРТ, QWIP

Таблица 3. МФПУ для спектрального диапазона 8–12 мкм QIP Shot - Screen 356-1

Ключевые тенденции развития

Учитывая, что инфракрасная фотоэлектроника является капиталоемким направлением, требующим заметных вложений при переходе к новым поколениям приборов, необходима тщательность при оценке перспектив развития фотоэлектроники и выработке долгосрочной стратегии, а также при формировании тесной кооперации участников разработок, как государственных, так и частных.

В последнее десятилетие в фотоэлектронике инфракрасного диапазона наметился целый ряд новых направлений и тенденций, связанных 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 1024х1280 элементов с одновременным уменьшением шага элементов, создание сверхкрупноформатных 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.д.).

Расширение перспектив

Таким образом, за последнее время передовые образцы МФПУ становятся все более доступными гражданским потребителям. Это значительно расширяет перспективы совершенствования и создания новых инфракрасных оптико-электронных систем, а также поддерживает устойчивый рост объема рынка. Представляется, что, несмотря на общее замедление мировой экономики из-за пандемии коронавируса, сектор ИК-фотоприемных устройств пострадает меньше прочих. Также, весьма вероятно, рынок испытает дополнительный импульс развития в среднесрочной перспективе.

Владимир Попов