什么是紅外焦平面探測(cè)器 制冷紅外焦平面探測(cè)器的工作原理

紅外線是電磁波的一種，其波長(zhǎng)范圍介于可見(jiàn)光與無(wú)線電波之間，為0.76～1000μm。根據(jù)大氣窗口、紅外應(yīng)用和探測(cè)器響應(yīng)等，紅外線可以進(jìn)一步劃分為近紅外線（0.76～1.4μm）、短波紅外線（1.4～3μm），中波紅外線（3～8μm）、長(zhǎng)波紅外線（8～15μm）、遠(yuǎn)紅外線（15～1000μm）。

紅外探測(cè)器作為紅外技術(shù)的核心部件，可以靈敏地吸收特定波段的紅外線，并將其轉(zhuǎn)化為可被測(cè)量的信號(hào)。根據(jù)能量轉(zhuǎn)換方式的不同，紅外探測(cè)器可分為光熱型和光子型。光熱型紅外探測(cè)器利用紅外輻射特有的熱效應(yīng)，將紅外輻射轉(zhuǎn)換為材料的溫度變化，導(dǎo)致材料的結(jié)構(gòu)或物理特性發(fā)生變化，從而探測(cè)變化的物理量并將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出。

光子型紅外探測(cè)器通過(guò)光電效應(yīng)改變材料的電子狀態(tài)，探測(cè)效率高，響應(yīng)速率快。光子型紅外探測(cè)器又可分為光導(dǎo)型和光伏型，前者是吸收光子能量后將電子從半導(dǎo)體價(jià)帶轉(zhuǎn)移到導(dǎo)帶上，由此改變探測(cè)材料的電導(dǎo)率；后者是將光子能量轉(zhuǎn)化為電子能量，造成半導(dǎo)體的電子-空穴分離態(tài)，從而產(chǎn)生電壓信號(hào)。因此，當(dāng)光子能量大于半導(dǎo)體的帶隙（導(dǎo)帶-價(jià)帶能量差）時(shí)，便可引發(fā)電子躍遷，即探測(cè)器對(duì)該輻射波長(zhǎng)產(chǎn)生響應(yīng)。換言之，半導(dǎo)體的帶隙決定了材料可以吸收的紅外光的范圍。另外，光子型紅外探測(cè)器工作時(shí)往往處于較低溫度狀態(tài)，屬于制冷紅外焦平面探測(cè)器。

有代表性的光子型紅外探測(cè)器為銻化銦（InSb）材料探測(cè)器、碲鎘汞（HgCdTe）材料探測(cè)器和銻化物超晶格材料探測(cè)器。它們根據(jù)半導(dǎo)體帶隙寬度來(lái)探測(cè)不同波段的電磁輻射。圖1-2展示了多種材料紅外探測(cè)器的不同波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的探測(cè)率。

大多數(shù)紅外技術(shù)的應(yīng)用需要穿過(guò)空氣，而紅外輻射在空氣中會(huì)因吸收或散射而衰減。地球大氣在紅外波段有很多強(qiáng)吸收帶，處于這些強(qiáng)吸收帶之外的大氣透過(guò)率較高的譜段為大氣吸收窗口。在海平面以上2km高度的長(zhǎng)水平路徑上測(cè)得的大氣光譜透過(guò)率曲線如圖1-3所示?？梢源致缘卣J(rèn)為，地球大氣有1～3μm、3～5μm和8～14μm三個(gè)紅外窗口，它們?cè)诙鄠€(gè)領(lǐng)域有重要的作用。通常，8～14μm的長(zhǎng)波（LWIR）窗口是高性能熱成像的首選，因?yàn)殚L(zhǎng)波能夠有效衍射，具有更好的透射率。3～5μm的中波（MWIR）窗口因其具有高對(duì)比度和更高的分辨率而受到青睞。

不同類(lèi)型的目標(biāo)發(fā)出的紅外光有其特定的波段，因此可以利用特定波段的紅外探測(cè)器對(duì)目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)。探測(cè)人眼不可見(jiàn)的紅外光并將其轉(zhuǎn)換為可識(shí)別的圖像的技術(shù)就是紅外探測(cè)技術(shù)。按照紅外芯片工作溫度的不同，可將紅外探測(cè)器分為制冷型和非制冷型。制冷紅外探測(cè)器因其高靈敏度、低噪聲、等效溫差等特性，在高精度、高分辨率觀測(cè)及弱光環(huán)境中，相對(duì)于非制冷紅外探測(cè)器具有優(yōu)勢(shì)，在軍事、安防等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

制冷紅外焦平面探測(cè)器的工作原理是利用入射光子流與探測(cè)器材料的電子之間的相互作用。由于入射的光子產(chǎn)生內(nèi)光子效應(yīng)，因此制冷紅外焦平面探測(cè)器也稱紅外光子探測(cè)器。制冷紅外焦平面探測(cè)器的核心部件是紅外焦平面芯片，一般由紅外焦平面陣列和讀出電路兩部分組成，如圖1-4所示。按照紅外焦平面陣列不同的工作原理，可將制冷紅外焦平面探測(cè)器簡(jiǎn)單分為基于光電導(dǎo)效應(yīng)的光導(dǎo)型探測(cè)器和基于光伏效應(yīng)的光伏型探測(cè)器。

利用半導(dǎo)體材料的光電導(dǎo)效應(yīng)制成的探測(cè)器稱為光導(dǎo)型探測(cè)器，簡(jiǎn)稱PC探測(cè)器。所謂光電導(dǎo)效應(yīng)，就是由于入射光輻射，使材料產(chǎn)生本征吸收或雜質(zhì)吸收，從而引起電導(dǎo)率發(fā)生改變的物理現(xiàn)象。光導(dǎo)型探測(cè)器是目前種類(lèi)最多、應(yīng)用最廣泛的一類(lèi)制冷紅外探測(cè)器。半導(dǎo)體器件工作時(shí)，通常要對(duì)其附加外部影響（如光場(chǎng)、電場(chǎng)、磁場(chǎng)等），然后觀察半導(dǎo)體中載流子的產(chǎn)生、擴(kuò)散、漂移、復(fù)合等過(guò)程所產(chǎn)生的結(jié)果，如電壓、電流等。

光伏型探測(cè)器簡(jiǎn)稱PV探測(cè)器，一般由半導(dǎo)體pn結(jié)構(gòu)成。其工作原理是利用結(jié)的內(nèi)建電場(chǎng)將光生載流子掃出結(jié)區(qū)，形成信號(hào)（若光子的能量大于或等于半導(dǎo)體的禁帶寬度，則價(jià)帶中的電子吸收光子進(jìn)入導(dǎo)帶，形成電子-空穴對(duì)）。在探測(cè)器受到光照時(shí)，產(chǎn)生正、負(fù)電荷的光生載流子會(huì)向相反方向運(yùn)動(dòng)，形成電信號(hào)，從而產(chǎn)生光伏效應(yīng)。除了pn結(jié)，能夠產(chǎn)生光伏效應(yīng)的結(jié)還有肖特基勢(shì)壘結(jié)、金屬-絕緣體-半導(dǎo)體結(jié)等，使用不同的結(jié)，可以制成不同類(lèi)型的光伏型探測(cè)器。

PC探測(cè)器是有選擇性響應(yīng)波長(zhǎng)的，只有當(dāng)入射光子能量大于光敏材料中的電子激活能時(shí)，才有響應(yīng)。對(duì)于PV探測(cè)器和本征光導(dǎo)型探測(cè)器，電子的激活能等于半導(dǎo)體的禁帶寬度；對(duì)于非本征PC探測(cè)器，電子激活能等于雜質(zhì)電離能。由于禁帶寬度和雜質(zhì)電離能這兩個(gè)參數(shù)都有較大的選擇余地，因此，PC探測(cè)器的響應(yīng)波長(zhǎng)可以在較大范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)。例如，用本征鍺做成的PC探測(cè)器，對(duì)近紅外輻射敏感；而用摻雜質(zhì)的鍺做成的PC探測(cè)器，既能對(duì)中紅外輻射敏感（如鍺摻汞探測(cè)器），也能對(duì)遠(yuǎn)紅外輻射敏感（如鍺摻鎵探測(cè)器）。

冷機(jī)提供深低溫（60～150K）工作環(huán)境；杜瓦則保證高真空的工作環(huán)境。制冷紅外焦平面探測(cè)器的研制涉及材料、紅外焦平面芯片、真空封裝、制冷機(jī)等多個(gè)領(lǐng)域，是極其復(fù)雜的系統(tǒng)工程。

以某型號(hào)中波制冷紅外焦平面探測(cè)器為例，該產(chǎn)品主要由中心距為15μm的中波640× 512 MCT紅外焦平面陣列、640×512 CMOS讀出電路、金屬杜瓦和RS058旋轉(zhuǎn)整體式斯特林制冷機(jī)等部分組成，具有3.7～4.8μm的中波紅外響應(yīng)功能，主要用于夜視裝備、周視搜索、熱像觀瞄、前視預(yù)警、武器導(dǎo)引、防空監(jiān)視、紅外識(shí)別等。

紅外敏感材料的功能是實(shí)現(xiàn)紅外輻射光信號(hào)轉(zhuǎn)換。制冷紅外焦平面探測(cè)器屬于PC探測(cè)器，其功能實(shí)現(xiàn)的原理是基于入射光子流與紅外敏感材料相互作用產(chǎn)生的光電效應(yīng)。光電效應(yīng)具有選擇性，其響應(yīng)波段與紅外敏感材料的能帶結(jié)構(gòu)相關(guān)?？梢酝ㄟ^(guò)對(duì)材料的帶隙設(shè)計(jì)，覆蓋整個(gè)紅外波段（1～30μm）的探測(cè)需求。按材料帶隙激發(fā)的原理不同，材料可分為本征半導(dǎo)體（HgCdTe、InSb等）、非本征半導(dǎo)體（Si:As、Si:Ga、Ge:Hg等）、自由載流子吸收半導(dǎo)體（PtSi、IrSi等），以及超晶格材料（GaAs/AlGaAs量子阱、InAs/GaSb二類(lèi)超晶格等）四大類(lèi)。

紅外焦平面陣列制備主要包括對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記制作、離子注入、鈍化層制備、電極制備、互連銦柱制備。通過(guò)倒裝焊互連技術(shù)將紅外焦平面陣列與讀出電路進(jìn)行互連，實(shí)現(xiàn)紅外焦平面芯片制備。隨著像元尺寸的減小和面陣規(guī)模的增大，互連的凸點(diǎn)尺寸在同步變小，這使得倒裝焊互連的工藝難度更大。通過(guò)采用高精度倒焊機(jī)和優(yōu)化工藝能夠有效提高倒裝焊精度和倒裝焊連通率。

制冷紅外焦平面探測(cè)器的空間分辨率直接反映影像的清晰度，是其最基本的性能指標(biāo)之一。提高空間分辨率有兩條途徑：增大面陣規(guī)模和減小像元尺寸。隨著半導(dǎo)體材料及芯片加工技術(shù)的進(jìn)步，制冷紅外焦平面探測(cè)器的分辨率從單元、線列逐步發(fā)展到幾十萬(wàn)，甚至上百萬(wàn)像素級(jí)別。

碲鋅鎘是高性能碲鎘汞外延不可或缺的襯底材料，早期碲鎘汞紅外敏感器件受限于碲鋅鎘襯底的單晶生長(zhǎng)與加工能力，面陣規(guī)模難以做大，像元難以做小。隨著大直徑碲鋅鎘晶錠生長(zhǎng)技術(shù)的突破，目前生長(zhǎng)的晶錠直徑已經(jīng)突破100mm，液相外延生長(zhǎng)應(yīng)用的碲鋅鎘襯底的最大尺寸已經(jīng)達(dá)到60×80mm2[6]。其研究將向大直徑晶錠定向生長(zhǎng)、更高的單晶質(zhì)量（包括低缺陷密度、高組分均勻性等）及更高的加工能力（高平整度、滿足小尺寸像元倒裝焊需求）方面發(fā)展；同時(shí)，也對(duì)液相外延生長(zhǎng)技術(shù)在厚度、組分一致性控制方面提出更大的挑戰(zhàn)。

編輯：黃飛

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