Philippe Tribolet

　幾十年來，在紅外線感測器的發展上已經產生許多種類的半導體材料化合物，Philippe Tribolet加以解釋為什麼法國Sofradir公司選擇汞鎘碲HgCdTe作為其未來的計畫主軸，整體計畫包含花費一千兩百萬美元去建造一嶄新的工廠，用以降低晶片製造的成本，其終極目標應該是壓低感測器的價格和提高這些高規格之影像感測器的銷售率。

　紅外線感測器系統擁有比同等級之光學感測器更多的優點，紅外線感測器可以在晚上操作，因為其影像的對比僅僅是以檢測物的溫差為主，且可以靠著偵測特別波段的輻射來感測物體，所以也可以在惡劣的天候下進行操作，同時，也基於以上的優點，其影像的品質較不被陽光的反射或是光源的照射所影響，如汽車的頭燈，特別是當感測波段為8~12微米時。

　結果，這些以半導體材料為主的影像感測設備適合於日常較多樣化的使用，然而，製造成本已經限制了他們在軍事與太空中的應用，其主要在監視或是火箭和搭配火箭之車輛的熱源瞄準應用。

　用在軍事上的影像感測器始於西元1970年代，其影像感測器搭配著第一代的以冷卻著名的攝影機，和一連接至複雜二維掃描系統的小型線性陣列影感測元素，到了1980年代的第二代影像感測系統，其包含一可讀出訊號之前處理與在焦平面上多路傳輸的積體電路，此第二代的影像感測系統已經建置在實驗室，並於1990年代初期商品化。

　這第二代影像感測系統的進展開啟了對於以時脈延遲、積體化為特徵之高解析度掃描陣列，和帶有能在焦平面做訊號處理之高解析度二維陣列的康莊大道。在中、長波長紅外線波段初期的冷卻操作也已經被發展，目前稱之為2.5代的紅外線感測系統。這些在1990年代初期已經積極投入商品化的紅外線影像感測器具有典型的320x256像素或是640x512像素，並適用於類似飛彈感測的應用。在所有第二代影響感測器改善過後的解析度和效能已經倍增了感測目標的有效範圍，也能於晚上透過六公里或是六公里以上的煙霧或是灰塵去辨認敵方車輛。

　這些不同世代的紅外線影像感測器已經被各式各樣的技術所製造，同時此影像感測器也包含以HgCdTe、InSb、InGaAs和GaAs之量子井所製程的感測陣列(見圖一)。以上每一種感測器均有特定的優點，所以感測器的選擇則須以應用面為主要考量。

　這些紅外線感測器的效能可以以分辨在一個擁有類似溫度之紅外線背景中的微小目標物之能力來評估優劣。軍事、保安和監控應用上使用此標準當作一個測試平台和對於在感測、辨識範圍和處理不利環境的能力之影像感測效能的評價。

　最高階的影像感測器能感測遠在10公里或是10公里以上的物體(此距離根據大氣條件，高度有所不同)，且能適用於不同的應用領域。這些應用包含飛彈的導引、追蹤，飛彈的警示，地面坦克和空中之視野的增進，實行偵查、氣候觀察、農產品的監控、污染的分析和天文的觀察。能操作在6~10公里範圍的可比較感測器也能應用於科學上，包含對於氣體光譜之相對上較弱的訊號分析。

　而操作範圍大於此範圍的感測器則需要冷卻系統，大部分以HgCdTe和InSb晶片為主。HgCdTe有很多的優點(請見「HgCdTe的長處」)，包含對於從可見波長延伸至波長為18μm之光譜範圍的敏感度，一具有高訊雜比的高量子效率，和一相對上較高的操作溫度，也就是說，較高的操作溫度將低了相關冷卻器的成本。LPE被使用來製造這些感測晶片已經行之有年，然而覆蓋短波(1~3微米)和中波(3~5微米)之紅外線波段的單波段和雙波段晶片，現階段已經以MBE之方法低成本的大量製造。相較之下，InSb僅僅對於紅外線中波段(3~5微米)敏感。技術上的限制也阻礙了InSb在操作溫度上和非常小之像素尺寸的提升，此限制使得此材料不適合應用於大部分需求。另一些技術選擇包含量子井紅外線影像感測器(QWIPs)，此技術能應用在長波段的感測(8~12微米)，但每秒所能處理的畫面較慢，操作的溫度範圍較低和具有尚在發展階段的第二種種類的超級晶格(Type II superlattices)。

　其他等級的感測器，其感測範圍為介於2~6公里之間。這些感測器能使用在民用的諸多需求，如火警監控；保安的應用，如警察檢控和追蹤、邊境監控和飛機降落視野的提升；同時也提供於軍事上小型裝甲車和某種無人駕御空中運輸機之影像。冷卻系統在這類的感測器的應用上是強制需要的，在某些實例裡，選擇非常高效能之感測器能實際地削減全部系統的成本，也能減少光學系統的尺寸大小，簡化訊號的處理和減輕可靠度的限制。

　提供於這些距離的紅外線感影像感測器之技術和於較長範圍之感測器類似。然而，如果在受限制的效能和相對上較高的暗電流操都被忍受的話，操作於紅外線長波段的QWIPs則可以提供於獲利上較好的價值。操作於較短波長的InGaAs攝影機也是有其競爭力的，但是當輸入的訊號較弱時，此InGaAs攝影機影像將會受制於讀出路的雜訊而不清楚，而且此類型的感測器也無法感測波長超過1.9微米的波段。

　應用於取像之最低階的感測器的感測距離介於數十公尺和2公里之間。此感測器也可以用於民生用途，如建築物的感測、工業製程的控制、工業區域的監控、汽車自動駕駛的增進，和其他的使用也將會出現，只要感測器的價格下降。不需冷卻的熱感測器(如微輻射熱測定器，此測定器包含一能完全適用於CMOS製程的非結晶矽影像感測元件)提供對於金錢的最佳價值，同時也是最適合這些任務。

法國遺產
　在這些不同形式的矽晶片感測器之中，許多已經在法國商品化。法國是一個在紅外線感測器的發展上擁有非常完整強壯之歷史的國家。目前超過500人在法國Grenoble這地區從事這感測元件的研究、發展和製造，此情況也使Grenoble成為在這技術上一個極為重視的腳色。此方面的研究已經被國家研究與發展中心CEA-Leti所領導，此機構早在1970年代就已經開始從事這方面的研究。此方面的知識已經轉移至法國Sofradir公司，其總部設於Chatenay-Malabry，量產設備設於Veurey-Voroize。從CEA-Leti轉移的研發技術已經用於Sofradir的第二代和2.5代感測器的產品，且已經超過13年的製作經驗，同時自從2003年後，Sofradir也已經在其子公司ULSI建立非結晶矽微輻射熱測定器。在法國的TRT(Thales Research and Technologies)發展的QWIPs技術在和我們合作之下也已經走向量產的階段，同時InSb 和InGaAs技術也是在法國境內發展。

　現今，我們已經透過子公司ULIS製造數千個冷卻紅外線影像感測器，數萬個非冷卻感測器。此外，目前我們花了九百萬歐元(1210萬美金)去建造一用來生產HgCdTe晶片的全新MBE 晶圓廠，此晶圓廠可以將原本的2吋升級至4吋。當2008的夏天建造完成，在產量的增加和生產效能的增進將會有效的降低我們產品的成本，也能使我們能夠去製造更大的晶片。此外，低成本也會讓使用我們晶片之較長範圍的感測器在價格上產生影響，同時也應該導致在這種影像感測器的銷售增加。三分之ㄧ的紅外線影像感測器成本跟焦平面陣列有關，所以較低的晶片製造成本可以對全部系統的價格產生的衝擊。

第三代感測器
　我們新的晶圓廠將被使用來生產第三代的感測器，此感測器也已經在我們內部獨立製作完成。此元件能提供多色的操作，且有較大的同質主動層焦平面陣列，此陣列能解晰更細部的影像且可以更有效率的操作在惡劣的天候下。此晶片是由MBE的技術所製造，此技術為一種能夠生成多層結構的技術，此結構為多色感測器所必需的，廣泛應用於大直徑基板。此方法替代了我們目前用於量產的製程技術LPE，此技術由晶格匹配CdZnTe基板所完成。這類的基板僅應用於小尺寸的感測器，所以許多晶圓廠現在正在發展以矽或是GaAs為平台的感測器，此平台提供較低的成本和讀出電路之熱，力性質的ㄧ致性，然而，在法國，鍺germanium成為較偏好的選擇，因為其氧化層的低穩定性，使得其表面的準備更容易，in situ和ex situ兩者均可於MBE生成技術前完成。

　用於鍺(211)上的MBE製程技術，好幾年已經在CEA-Leti被驗證，並且適合於較大陣列的製造。這基板已經用於四吋和更大的尺寸，可用來製造用於二維短、中波長紅外線陣列之高品質的HgCdTe薄膜。我們計畫開始在2008年的夏天靠這使用兩個可以製造1x4和3x4英吋之基板的MBE反應裝置量產這些種類的紅外線陣列。轉換到一個較大尺寸晶圓的製造將會我們優於目前仍然使用3吋基板之量產的InSb和QWIPs製造商(見圖二)。此外，此轉變將使我們能夠製造一1280x1024像素之紅外線焦平面陣列，此陣列的像素間隔為15微米，此間距可以使我們能提供一比擁有較少像素之感測器更大的影像辨認能力。

　我們將持續改善第三代感測器，如此才能使製造成本降低，同時也能壓低我們產品的售價。特別一提的是，目前我們著重於較小像素間距與較大基板尺寸的發展，並且著手改善我們雪崩光電二極體(Avalanche Photodiodes，APDs)和多色感測器(multicolor detector)的效能。我們HgCdTe APDs的設計是獨一無二的，此設計是以電子碰撞離子化(electron-impact ionization)為主，並且可以給予特殊的感測。這電子能使APDs能僅僅在10V反向偏壓中給予千倍的增益。這在低偏壓下的高增益結合一低雜訊的因子使得這些APDs特別適合在最新的焦平面陣列(Focus Plane Arrays, FPAs)中之積體化。這些是主動雷射影像的想法，但此想法也可以用於許多被動的影像應用。

　我們持續發展用於諸多種類之焦平面陣列的HgCdTe，此發展將會帶領我們走向一系列非常高效能感測器的製造，這些元件將會勝過用其他競爭者所製造的感測器，也將會從電子束初始化APDs技術中獲利。擁有這技術，我們將可以看見顧客對於較高效能，低系統成本或是較少限制上的需求。

HgCdTe的長處
　HgCdTe本來的性質使在紅外線感測器的應用上更理想，它的主要優點是透過其組成成分的改變而能在能階上有較寬的調變範圍。這調變不會再合金中額外導入值得注意的張力，也就是說CdTe和HgTe有相似的晶格常數。明顯的晶格常數差異會導致在多層結構的成長時產生缺陷和錯位。另一個HgCdTe的長處為其較長的載子壽命，此優點使元件擁有較低的暗電流，並使光電二極體的製造上，其量子效率接近100%。

　結合這有利的材料性質和可商業利用性的合適基板，如CdTe和HgCdTe，使得可以製造一廣泛種類的紅外線感測器，當然包含多色感測的版本。影像也可以藉由穿越過一薄基板之背面照明的方式建立，此薄基板能在不減少量子效率的情況下阻擋近場的紫外光，可見光。CSOT

圖一：由MBE和LPE技術所製成的HgCdTe感測器給予比熱感應器，如微輻射熱測定器，更佳的物體辨識能力。這些感測器是以InGaAs和InSb為基板。

圖二：從CdZnTe基板轉移至以鍺(germanium)製作的基板可以在本質上提升每片晶圓上的晶片數，隨新工廠的完成後，Sofradir將正執行這變項革。當6吋鍺基板可以被商品化，和甚至在大直徑生產的可能性已經被基板生產廠商驗證，則更進一步的分級也是可能的。