紅外探測技術(shù)的發(fā)展歷程

本文介紹了紅外探測技術(shù)的發(fā)展過程。

紅外探測器是能把所接受的紅外輻射轉(zhuǎn)換成一種便于計(jì)量的物理量的器件。它作為紅外探測和成像系統(tǒng)的核心部件，是決定紅外技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。

按照工作原理的不同，紅外探測器可分為熱探測器和光子探測器兩大類。

熱探測器是將紅外熱輻射轉(zhuǎn)變?yōu)闇囟炔⒓右?a target="_blank">檢測的裝置。與光子探測器相比，熱探測器具有可在室溫下工作以及成本低的優(yōu)勢。但是，與光子探測器相比，熱探測器在軍事系統(tǒng)應(yīng)用較少，其主要原因是熱探測器響應(yīng)速度慢、探測率低。

? 關(guān)于對熱探測器和光子探測器的理解，可以舉個(gè)例子，比如我們在進(jìn)行體溫測量時(shí)，可以選擇用水銀溫度計(jì)。測量時(shí)將溫度計(jì)放在腋下，隨著人體體溫的升高，水銀示數(shù)逐漸升高，這種測量的好處是溫度計(jì)構(gòu)造簡單，成本低，但測量的時(shí)間長。另外一種測量方式是額溫槍，額溫槍對著額頭點(diǎn)一下就完成了，不用接觸人體，效率很高，但是設(shè)備成本高，額溫槍就類似光子探測器。

紅外探測技術(shù)的進(jìn)步與光子探測器的發(fā)展密不可分。光子探測器是以半導(dǎo)體材料的光子吸收為基礎(chǔ)，利用其光電效應(yīng)探測紅外輻射的裝置。光子探測器對入射波長有一定的選擇性，在低溫制冷時(shí)可呈現(xiàn)出理想的信噪比和較快的響應(yīng)速度。光子探測器是目前用途最為廣泛的紅外探測器，其探測率比熱探測器要高出一到兩個(gè)數(shù)量級且能實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)。

? 自20 世紀(jì)30年代以來，光子探測器的研究一直是紅外探測技術(shù)的發(fā)展主流。但是，光子探測器一般需要低溫制冷以提高器件信噪比。一般地，為了得到紅外光電探測器的背景極限性能，3~5 μm紅外探測器的工作溫度低于200 K，而8~14 μm 紅外探測器的工作溫度約為77K。制冷的需求會(huì)明顯增加整個(gè)紅外系統(tǒng)的重量和成本，這也是光子探測器紅外系統(tǒng)發(fā)展的主要障礙。

一、什么叫低溫制冷呢？

紅外熱探測器和光子探測器都是通過半導(dǎo)體芯片來接收紅外輻射的，光子探測器很靈敏，但是要求也高，這種芯片必須在很低的溫度下工作，要給芯片背上一個(gè)冰塊來降溫。當(dāng)然，這個(gè)冰塊的溫度也要足夠低，要低到零下200℃左右，正是這種對芯片的降溫要求，導(dǎo)致芯片工作時(shí)需要配備低溫制冷裝置，成本也就高了。

光子型探測器按照其響應(yīng)機(jī)制不同可分為光導(dǎo)探測器和光伏探測器。

光導(dǎo)探測器是利用半導(dǎo)體材料的光電導(dǎo)效應(yīng)制成的紅外探測器，其能帶結(jié)構(gòu)和電子收集模式如下圖所示。 ?

光導(dǎo)探測器本質(zhì)上就是一個(gè)光敏電阻，其響應(yīng)度正比于輻射前后的電導(dǎo)率差值。光導(dǎo)探測器要實(shí)現(xiàn)較高的響應(yīng)度，就要求器件在無輻射情況下的載流子濃度盡量小。但是，由于中長波紅外探測材料的帶隙較小，即使在無光照條件下也會(huì)產(chǎn)生大量的熱激載流子，所以，光導(dǎo)探測器為了實(shí)現(xiàn)較高的探測性能需要在低溫制冷條件下工作。

? 光伏探測器主要是利用p-n結(jié)的光生伏特效應(yīng)制成，又稱其為光電二極管。

p-i-n光電二極管是替代簡單p-n結(jié)光電二極管的最常用方案。如下圖所示，p-i-n光電二極管的基本結(jié)構(gòu)為p+區(qū)和n+區(qū)中間加持一個(gè)不摻雜的i區(qū)。

? 在紅外探測應(yīng)用領(lǐng)域，與光導(dǎo)探測器相比，由于光伏探測器具有較高的阻抗，在硅讀出輸入階段就可以直接匹配，并具有較低的功率損耗，所以更受歡迎。

此外，由于耗盡層強(qiáng)電場使載流子具有較高的速度，因此，光伏探測器比光導(dǎo)探測器具有更快的響應(yīng)速度。 ?

二、光子探測器發(fā)展歷程及現(xiàn)狀

光子探測器是現(xiàn)代紅外探測器的發(fā)展主流，也歷經(jīng)幾十年的發(fā)展，最早用于現(xiàn)代紅外探測器技術(shù)的材料為鉛鹽材料，如硫化鉛（PbS）、硒化鉛（PbSe）等。

由于鉛鹽探測器的制備過程不易理解只能根據(jù)經(jīng)驗(yàn)配比制作，所以鉛鹽探測器的發(fā)展比較緩慢。

20世紀(jì)50年代以來，材料生長和雜化技術(shù)的發(fā)展極大的促進(jìn)了非本征硅、鍺探測器的研發(fā)。例如，鍺材料中摻入金、銅等材料制成的光導(dǎo)探測器適于長波紅外和超長波紅外光譜的探測。

第一個(gè)用于紅外探測器的窄帶隙材料是銻化銦（InSb），如下圖所示，主要原因是它具有較小的帶隙和單晶材料制備技術(shù)簡單的優(yōu)勢。隨后，利用合金摻入技術(shù)得到的窄帶隙半導(dǎo)體材料為紅外探測器的設(shè)計(jì)提供了空前的自由度。這些合金半導(dǎo)體主要包括InAs1-xSbx、Pb1-xSnxTe和Hg1-xCdxTe（碲鎘汞，HgCdTe）等。

? 窄帶隙半導(dǎo)體材料，特別是HgCdTe材料，因其較高的吸收系數(shù)、電子遷移率和帶隙可調(diào)等優(yōu)勢使其成為理想的寬光譜紅外探測材料。HgCdTe是目前紅外探測器中使用最為廣泛的探測材料，成功擊退了硫化鉛和非本征硅、鍺探測器的挑戰(zhàn)。但是，HgCdTe 紅外探測器的發(fā)展面臨一個(gè)重要的挑戰(zhàn)，即由于Hg具有較高蒸汽壓使得HgCdTe材料的均勻性很難控制，這一點(diǎn)嚴(yán)重阻礙了HgCdTe焦平面紅外探測器的發(fā)展。生長高質(zhì)量HgCdTe材料的困難反而激勵(lì)研究人員研發(fā)新的探測器材料。目前，HgCdTe的主要競爭者有砷化鎵量子阱，量子點(diǎn)和銻（Sb）基Ⅱ類超晶格。其中，Ⅱ類超晶格被認(rèn)為是HgCdTe材料在紅外探測領(lǐng)域的最有力競爭者，也是目前紅外探測材料的研究熱點(diǎn)。

自現(xiàn)代紅外探測技術(shù)出現(xiàn)后的半個(gè)多世紀(jì)以來，紅外探測技術(shù)的進(jìn)展大致經(jīng)歷了三個(gè)階段。

第一代紅外探測技術(shù)采用的是線性陣列光導(dǎo)探測器，以掃描的方式獲取信號(hào)，目前已批量生產(chǎn)并得到廣泛應(yīng)用。20世紀(jì)60年代初，線性陣列技術(shù)首先應(yīng)用于鉛鹽和非本征鍺光導(dǎo)探測器，這些紅外系統(tǒng)一般需要二級制冷器來保證 25K的工作溫度。20世紀(jì)70年代，將線性陣列技術(shù)應(yīng)用到本征HgCdTe光導(dǎo)探測器，才使前視紅外系統(tǒng)能在單級低溫制冷條件下工作。

? 第二代紅外探測技術(shù)是二維陣列光伏探測器，它利用與陣列集成在一起的讀出電路完成電子掃描，又稱傳感器芯片組件。具有較高阻抗值的InSb和 HgCdTe為其主要候選材料，原因是其較高的阻抗值能與讀出電路相匹配。

? 當(dāng)前正處在第三代紅外探測技術(shù)的初期研發(fā)階段，第三代紅外探測技術(shù)的概念由高性能和低成本兩個(gè)基本內(nèi)涵構(gòu)成，核心是進(jìn)一步提高遠(yuǎn)距離目標(biāo)探測和識(shí)別能力并大幅降低探測器成本。

第三代紅外探測器的候選材料主要有 HgCdTe、GaAs 基量子阱、Sb基Ⅱ類超晶格等。 ?

三、紅外探測器發(fā)展趨勢

目前全球范圍內(nèi)在紅外中、長波段大規(guī)模陣列探測器方面，盡管投入了很大的研發(fā)力度，取得了不少進(jìn)展，但是大規(guī)模光伏HgCdTe焦平面陣列探測器仍然昂貴，焦平面芯片良率低，同時(shí)HgCdTe的材料特性決定了長波紅外HgCdTe器件對缺陷和漏電流非常敏感。隨著能帶工程和分子束外延等技術(shù)日趨成熟，量子阱紅外光電探測器也取得了快速發(fā)展。但與HgCdTe紅外探測器相比，量子阱紅外探測器存在量子效率和探測靈敏度低等問題。近年來的實(shí)驗(yàn)室研究表明相對于HgCdTe和GaAs基量子阱等現(xiàn)有探測器芯片，InAs/GaSbⅡ類超晶格具有很多性能和制造優(yōu)點(diǎn)，這使得 InAs/GaSb 超晶格成為第三代紅外探測技術(shù)的優(yōu)選探測材料。

目前對于第三代紅外探測器技術(shù)的發(fā)展主要集中在以下幾個(gè)方面：

1、發(fā)展長波、大規(guī)模焦平面探測器技術(shù)，提高目標(biāo)探測距離。

2、發(fā)展雙色或多色探測器技術(shù)，提高目標(biāo)在復(fù)雜背景下的識(shí)別能力。

3、發(fā)展超光譜以及被動(dòng)成像探測器技術(shù)。

4、發(fā)展具備可承受成本的高端紅外成像探測器技術(shù)。

5、發(fā)展高性能、高工作溫度甚至室溫的紅外探測器技術(shù)。

審核編輯：黃飛

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