氧化钒纳米薄膜结构调控及非制冷红外探测器阵列关键技术研究

Aiming to key topics on large-array, small-pixel, and high-frame-rate uncooled infrared detector arrays (UIRDAs), such as high uniformity, high Temperature Coefficient of Resistance (TCR), low noise, high fill factor, and high infrared absorbance, doping with rare-earth elements is first put forward as the microstructural modulation method for VOx nano films, on the basis of the correlation model between TCR, noise properties and microstructures of VOx nano films. Then preparing technologies of VOx nano films with high uniformity, high TCR and low noise are developed. The nano-film multilayer of high IR absorbance is designed and prepared based on interface interaction-coupling effects, through the researches on IR absorbing mechanisms. The pixel with high fill factor and low heat-capacity bridge plate is designed and fabricated, by means of the bilayer structure with bridge plate layer and novel frame-shape leg layer. ROIC with high uniformity and low noise is designed by non-uniformity on-chip correction, parallel integration and serial output. The breakthrough for key fabrication technologies of UIRDAs will be realized, including controllable deformation of pixel cells and compatible MESM processes. 25μm-pixel 640×512 UIRDAs are developed. The correlative theories will be validated. The achievements of this project will theoretically and technologically lay solid foundation for the development of large-array, small-pixel, high-sensitivity and high-frame-rate UIRDAs. This help our country to unblock the bottlenecks in the development of Uncooled IR detector technologies.

本项目针对大规模、小像元、高帧频非制冷红外探测器阵列中高均匀性、高TCR、低噪声、高占空比、高红外吸收率等问题，通过建立VOx纳米薄膜微结构与TCR和噪声性能的关系模型，首次提出稀土元素掺杂的VOx薄膜微结构调控方法，研发出高均匀、高TCR、低噪声的VOx纳米薄膜制备技术；通过纳米多层膜系红外吸收机理研究，提出基于界面耦合效应设计并实现高吸收纳米多层膜；采用由新型框式结构桥腿层与桥面层构成的双层结构，以研制高占空比和低热容桥面的微桥；基于片上非均匀性校正、并行积分串行输出，设计出高均匀、低噪声读出电路；突破阵列集成制造中微桥形变和工艺兼容性等关键技术，研制出像元尺寸25μm×25μm、阵列规模640×512的非制冷红外探测器阵列，以验证相关理论，为研制大规模小像元高灵敏度高帧频非制冷红外探测器阵列奠定理论和技术基础，以解决制约我国非制冷红外探测器技术发展的瓶颈问题。

红外热成像技术在精确制导、跟瞄等军用领域和工业安全检测、安保、医疗等民用领域都具有广阔的应用前景。非制冷红外焦平面探测器相较制冷型，在小型化、便携和易于操作方面具有突出优势，是国际上第三代凝视型红外技术领域的研究难题。为了适应更大视场、更高清晰度的应用要求，非制冷红外探测器阵列的规模不断增加，像元尺寸不断缩小。非制冷红外探测器阵列的进一步发展需要解决包括纳米敏感薄膜材料设计与制备、高响应阵列单元结构设计与优化、微弱信号采集与处理、焦平面阵列集成制造等涉及到纳米材料、红外物理、集成电路设计、MEMS 设计与加工多个学科前沿交叉的基础科学问题。本项目在氧化钒热敏薄膜材料、微弱信号提取、阵列单元设计、集成制造等方面开展了系统研究，突破了热敏薄膜材料、阵列单元设计与集成制造、读出电路设计等关键技术，形成多项核心专项技术，为研制大规模小像元高灵敏度高帧频非制冷红外探测器阵列奠定了理论和技术基础。实现了高均匀（方阻非均匀性优于±5%）、高TCR(|TCR|≥2.50%/K)、低噪声的VOx纳米薄膜制备技术；研制出像元尺寸17μm×17μm、阵列规模640×512、NETD≤50mK（f/1，60Hz）的非制冷红外探测器阵列器件样品，综合技术指标达到国际先进水平，其中系统噪声等效温差等指标居国际领先水平；发表高水平论文53篇，其中SCI收录论文49篇；获授权发明专利43项（其中美国专利1项）；形成了自主知识产权技术体系；培养已毕业硕士、博士研究生33名； 获2014年度四川省科技进步一等奖1项、2015年度国家科技进步二等奖1项。项目相关成果在中航613 所，中电科44 所等多家企业实现了产业化，相关产品广泛应用于安防监控、铁路安全和车载夜视等民用领域以及航天系统型号和兵器导引头等国防重点工程，打破国外垄断和封锁，引领了我国红外技术行业的科技进步和产业结构优化升级。