何謂第三代紅外探測(cè)器技術(shù)？發(fā)展趨勢(shì)如何？

0 引言

紅外探測(cè)器技術(shù)是紅外技術(shù)的核心，紅外探測(cè)器的發(fā)展引領(lǐng)也制約著紅外技術(shù)的發(fā)展。紅外探測(cè)器的發(fā)展起源于1800年英國(guó)天文學(xué)家威廉·赫胥爾對(duì)紅外線的發(fā)現(xiàn)，隨后出現(xiàn)了熱電偶、熱電堆、測(cè)熱輻射計(jì)等熱電、熱探測(cè)器。1917年美國(guó)人Case研制出第一支硫化鉈光電導(dǎo)紅外探測(cè)器，19世紀(jì)30年代末，德國(guó)人研制出硫化鉛（PbS）光電導(dǎo)型紅外探測(cè)器，紅外探測(cè)器的發(fā)展歷程如圖1所示。二次世界大戰(zhàn)加速了紅外探測(cè)器的發(fā)展，使人們認(rèn)識(shí)到紅外探測(cè)器在軍事應(yīng)用中的價(jià)值。二次世界大戰(zhàn)后半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展進(jìn)一步推動(dòng)了紅外技術(shù)的發(fā)展，先后出現(xiàn)了PbTe、InSb、HgCdTe、Si摻雜、PtSi等探測(cè)器。早期研制的紅外探測(cè)器存在波長(zhǎng)單一、量子效率低、工作溫度低等問題，大大地限制了紅外探測(cè)器的應(yīng)用。1959年英國(guó)Lawson發(fā)明碲鎘汞紅外探測(cè)器，紅外探測(cè)器的發(fā)展由此呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展的局面。碲鎘汞紅外探測(cè)器自發(fā)現(xiàn)以來一直是紅外探測(cè)器技術(shù)的首選，它在紅外探測(cè)器發(fā)展歷程中占有重要的地位。美國(guó)、英國(guó)、法國(guó)德國(guó)、以色列以及中國(guó)等國(guó)家的紅外研究工作者對(duì)碲鎘汞紅外探測(cè)器的發(fā)展投入了極大的精力，并持續(xù)不斷地進(jìn)行研究和改進(jìn)；同時(shí)，碲鎘汞材料與器件存在的不足也不斷激發(fā)研究者對(duì)紅外新材料和新器件技術(shù)發(fā)展的熱潮。碲鎘汞紅外探測(cè)器幾乎成為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，每種新材料和新器件技術(shù)的出現(xiàn)與存在，首先是要與碲鎘汞進(jìn)行比較，并在某方面具備明顯的優(yōu)勢(shì)。低維量子阱紅外探測(cè)器技術(shù)、Ⅱ類超晶格紅外探測(cè)器技術(shù)的發(fā)展就是最好的實(shí)例。由于材料設(shè)計(jì)的靈活性，材料生長(zhǎng)和器件制備技術(shù)的成熟性，這兩類材料克服了大面陣碲鎘汞材料和器件技術(shù)上存在的不均勻性及穩(wěn)定性問題，在短短20多年的發(fā)展中獲得了廣泛的應(yīng)用，在國(guó)際上被認(rèn)為是與碲鎘汞并存的三代紅外探測(cè)器技術(shù)。

圖1 紅外探測(cè)器的發(fā)展歷程

何謂第三代紅外探測(cè)器技術(shù)，目前國(guó)際上并沒有一個(gè)非常明確的定義。波蘭Rogalski分析總結(jié)了當(dāng)前對(duì)紅外探測(cè)器發(fā)展的需求，提出了第三代紅外探測(cè)器包含的3部分內(nèi)容，具體如下：

1）高性能、高分辨力具有多波段探測(cè)的制冷焦平面；

2）中等性能或高性能的非制冷焦平面；

3）成本非常低的非制冷焦平面。

以上3項(xiàng)內(nèi)容其實(shí)質(zhì)體現(xiàn)了對(duì)探測(cè)器高性能、低成本的要求。高性能的具體要求是：大面陣，像元為100萬以上；另外，在F#＝2的條件下，三代紅外探測(cè)器性能（典型值為噪聲等效溫差）比二代紅外探測(cè)器高一個(gè)量級(jí)；雙色和多色探測(cè)是三代紅外探測(cè)器的一個(gè)顯著特征，主要是為了提高對(duì)復(fù)雜背景或偽裝目標(biāo)的識(shí)別率。低成本的要求一直是紅外探測(cè)器的一個(gè)主要發(fā)展內(nèi)容，在二代紅外探測(cè)器的發(fā)展基礎(chǔ)上，通過改進(jìn)器件技術(shù)、提高工作溫度等方法將進(jìn)一步降低制造成本，達(dá)到可作為耗費(fèi)品使用的成本。以上3項(xiàng)內(nèi)容為“或”的關(guān)系，只要滿足了一條就能稱為第三代紅外探測(cè)器技術(shù)。理由很簡(jiǎn)單，由于在不同的條件下，應(yīng)用需求各有不同、各有側(cè)重，需要的探測(cè)器功能和種類也就不同。目前不同的國(guó)家對(duì)第三代紅外探測(cè)器的選擇主要是出于自身的發(fā)展與應(yīng)用需求，對(duì)材料和器件技術(shù)進(jìn)行有選擇的發(fā)展，最終目的是為了實(shí)現(xiàn)高性能、低成本的紅外探測(cè)器。

在第三代紅外探測(cè)器中單色探測(cè)器主要有大面陣InSb中波紅外探測(cè)器、InGaAs近紅外探測(cè)器以及非制冷紅外探測(cè)器。InSb紅外探測(cè)器用于中波3～5μm，具有量子效率高、可靠性好、均勻性好的優(yōu)勢(shì)，目前最大的探測(cè)器規(guī)格已達(dá)到2k×2k。存在的主要問題是波長(zhǎng)不可調(diào)，器件工作溫度低，在77K工作。InGaAs近紅外探測(cè)器工作波段為0.9～1.7μm，作為波長(zhǎng)擴(kuò)展，長(zhǎng)波方向可達(dá)到2.6μm，短波方向延伸到可見光，其探測(cè)器規(guī)格也達(dá)到1k×1k。InGaAs近紅外探測(cè)器量子效率高，器件性能好，室溫下探測(cè)率達(dá)到1014 cmHz1/2W－1。存在的問題是與InSb探測(cè)器類似，InGaAs近紅外探測(cè)器覆蓋的工作波段僅限于近紅外波段，不能跨越到中波和長(zhǎng)波，只能作為大面陣單色器件，目前已獲得了大量、廣泛的應(yīng)用。非制冷紅外探測(cè)器作為第三代低成本紅外探測(cè)器的選擇，主要有氧化釩、非晶硅非制冷紅外探測(cè)器，在成本、體積、重量及應(yīng)用的便利性、可靠性等方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。隨著非制冷紅外探測(cè)器物理、材料和器件技術(shù)的不斷提高，其器件性能不斷提高，目前報(bào)道的實(shí)用化探測(cè)器的最好水平是：在像元中心距離為17μm的條件下，其噪聲等效溫差已經(jīng)達(dá)到30mk國(guó)際上還在進(jìn)行進(jìn)一步縮小中心距離的研發(fā)工作。在美國(guó)期望的成本目標(biāo)是對(duì)于小型640×480氧化釩非制冷探測(cè)器熱像儀，系統(tǒng)成本不高于500美元。

雙色或多色紅外探測(cè)器通過同時(shí)提取目標(biāo)光譜信息和溫度信息，降低誤警率，提高識(shí)別率。在第三代紅外探測(cè)器中雙色和多色紅外探測(cè)器目前只有碲鎘汞、量子阱和Ⅱ類超晶格紅外探測(cè)器，前者通過調(diào)節(jié)組分，后兩者通過調(diào)節(jié)組分、厚度或應(yīng)變實(shí)現(xiàn)雙色或多色紅外探測(cè)，這三者同時(shí)也能實(shí)現(xiàn)高性能大面陣的紅外探測(cè)器，故在國(guó)際上被公認(rèn)為第三代紅外探測(cè)器的候選。三種紅外探測(cè)器實(shí)現(xiàn)紅外吸收的物理機(jī)制不同，導(dǎo)致三種器件的性能各具優(yōu)缺點(diǎn)，其應(yīng)用領(lǐng)域也各有不同。文章主要結(jié)合碲鎘汞、量子阱和Ⅱ類超晶格紅外探測(cè)器的能帶結(jié)構(gòu)、材料生長(zhǎng)、器件性能以及應(yīng)用進(jìn)行討論，以深入地理解這三種紅外探測(cè)器存在的優(yōu)缺點(diǎn)，為第三代紅外探測(cè)器的發(fā)展、選擇以及應(yīng)用提供參考。

1三種主要的三代紅外探測(cè)器

在半導(dǎo)體物理學(xué)中，從外來光子引起的載流子躍遷方式來看，碲鎘汞、量子阱和Ⅱ類超晶格紅外探測(cè)器分別屬于帶間躍遷、子帶間躍遷以及微帶間躍遷，其示意圖分別如圖2中的(a)、(b)、(c)所示。不同的躍遷方式?jīng)Q定了其材料主要的屬性——量子效率大小。另外，這三類材料構(gòu)成元素間的互作用不同，導(dǎo)致了材料的均勻性、穩(wěn)定性和牢固性不同，以及在器件性能方面顯著的差異。

1.1碲鎘汞紅外探測(cè)器

碲鎘汞紅外探測(cè)器屬于直接帶隙半導(dǎo)體材料，吸收外來光子產(chǎn)生的電子躍遷為帶間躍遷，即電子從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，這種躍遷方式的優(yōu)點(diǎn)是材料光吸收大，量子效率高，高達(dá)70%～80%，器件光響應(yīng)大、響應(yīng)率高。其次，碲鎘汞材料通過調(diào)節(jié)Cd組分的數(shù)值大小，碲鎘汞材料的禁帶寬度隨之變化，從HgTe半金屬變到禁帶寬度約1.5eV的CdTe半導(dǎo)體，對(duì)應(yīng)的響應(yīng)波長(zhǎng)連續(xù)可調(diào)，如圖3所示，圖中給出了碲鎘汞在Γ點(diǎn)的禁帶寬度以及截止波長(zhǎng)隨Cd組分的變化關(guān)系。另外，碲鎘汞材料電子有效質(zhì)量小，遷移率高，響應(yīng)速度快，可作高頻器件。碲鎘汞材料具有的以上優(yōu)點(diǎn)使之成為一種最重要的紅外探測(cè)器材料。相對(duì)優(yōu)點(diǎn)而言，其缺點(diǎn)也是非常明顯的。碲鎘汞是一種主要由離子鍵結(jié)合的三元半導(dǎo)體材料，碲和鎘、碲和汞之間通過離子鍵的方式連接，其互作用力小。構(gòu)成元素汞非常不穩(wěn)定，容易從碲鎘汞材料中逸出從而造成材料的缺陷、材料的不均勻以及器件性能的不均勻，這是碲鎘汞材料固有的問題，在長(zhǎng)波應(yīng)用時(shí)尤其突出。因?yàn)樵陂L(zhǎng)波領(lǐng)域由于組分變化導(dǎo)致的器件響應(yīng)波長(zhǎng)變化更大。如圖4所示，對(duì)于截止波長(zhǎng)為15μm的探測(cè)器，其組分變化?x＝0.002，截止波長(zhǎng)變化約0.56μm；而對(duì)于截止波長(zhǎng)為7μm的中波紅外探測(cè)器，其組分變化?x＝0.002，截止波長(zhǎng)僅變化約0.12μm，兩者變化速率接近5倍。隨著器件響應(yīng)波長(zhǎng)的變化，器件暗電流也隨之發(fā)生較大的變化。由此可見，對(duì)長(zhǎng)波探測(cè)器而言，由于碲鎘汞組分的不均勻?qū)е碌钠骷阅懿痪鶆蛐愿鼑?yán)重。另外，對(duì)于碲鎘汞長(zhǎng)波探測(cè)器，其禁帶寬度變小，帶間隧穿電流大，暗電流大，器件性能惡化。為了獲得好的器件性能，對(duì)材料生長(zhǎng)質(zhì)量以及器件工藝要求更加嚴(yán)格，導(dǎo)致成品率低，器件成本更高。

圖2 (a)碲鎘汞帶間躍遷，(b)量子阱子帶間躍遷，(c)超晶格形成的微帶間躍遷的示意圖

碲鎘汞紅外探測(cè)器存在的另外一個(gè)主要問題是碲鎘汞薄膜材料生長(zhǎng)的外延襯底問題，與碲鎘汞晶格匹配的襯底是碲鋅鎘襯底，但目前市售的碲鋅鎘襯底最大直徑大約為?90mm，而且成本昂貴。欲獲得更大尺寸的襯底和碲鎘汞材料，必須考慮替代襯底以及晶格不匹配帶來的質(zhì)量問題，對(duì)于長(zhǎng)波紅外探測(cè)器而言，替代襯底上生長(zhǎng)的長(zhǎng)波碲鎘汞材料質(zhì)量仍然需要進(jìn)一步改進(jìn)和提高。

綜合碲鎘汞的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)可見，實(shí)現(xiàn)高性能、低成本的碲鎘汞長(zhǎng)波紅外探測(cè)器技術(shù)難度非常大，尤其在國(guó)內(nèi)，比較現(xiàn)實(shí)的發(fā)展及應(yīng)用是中波和短波碲鎘汞紅外探測(cè)器。

圖3碲鎘汞在Γ點(diǎn)的禁帶寬度以及截止波長(zhǎng)隨Cd組分的變化關(guān)系

圖4 碲鎘汞組分變化0.002 時(shí)截止波長(zhǎng)的變化

1.2量子阱紅外探測(cè)器

量子阱紅外探測(cè)器的名稱來源于其構(gòu)成材料在能帶結(jié)構(gòu)上構(gòu)成電子或空穴勢(shì)阱，外來光子引起的電子或空穴躍遷屬于子帶間躍遷，在外加電場(chǎng)的作用下光生載流子被收集形成光電流，其工作原理見圖5。

圖5 量子阱紅外探測(cè)器工作原理示意圖

目前已經(jīng)獲得穩(wěn)定生產(chǎn)并廣泛應(yīng)用的量子阱紅外探測(cè)器主要是GaAs/AlGaAs量子阱紅外探測(cè)器。GaAs/AlGaAs量子阱紅外探測(cè)器基于成熟的Ⅲ-Ⅴ族材料生長(zhǎng)技術(shù)和器件工藝技術(shù)，通過分子束外延（MBE）或有機(jī)化學(xué)汽相沉積（MOCVD）薄膜材料生長(zhǎng)系統(tǒng)進(jìn)行材料生長(zhǎng)，采用GaAs襯底，沒有晶格不匹配問題，襯底尺寸目前可以達(dá)到6英寸（150mm），可生長(zhǎng)大面積、均勻性好的量子阱材料；構(gòu)成元素Ga、As與Al、As之間是共價(jià)鍵結(jié)合，互作用力大，材料牢固穩(wěn)定，可耐受天基高能離子輻射，適于制備天基紅外探測(cè)器。通過改變材料組分、厚度可方便地調(diào)節(jié)勢(shì)阱內(nèi)的能級(jí)位置，器件響應(yīng)波長(zhǎng)從中波

3μm到甚長(zhǎng)波30μm連續(xù)可調(diào)，按照理論計(jì)算，量子阱探測(cè)器能夠響應(yīng)長(zhǎng)至200多微米的太赫茲波段。量子阱紅外探測(cè)器工藝成熟，大面陣器件性能均勻、穩(wěn)定，適于產(chǎn)業(yè)化。

與碲鎘汞長(zhǎng)波紅外探測(cè)器相比，量子阱長(zhǎng)波紅外探測(cè)器突出的優(yōu)勢(shì)就是大面積量子阱材料均勻性好，制備的長(zhǎng)波紅外探測(cè)器均勻性好、成品率高、可靠性好，經(jīng)過后續(xù)讀出電路簡(jiǎn)單的處理，即能獲得非常均勻的成像畫面，目前已制備出1 k×1 k 的長(zhǎng)波、中波紅外探測(cè)器以及1k×1 k 中長(zhǎng)波雙色焦平面探測(cè)器[13]，其中1k×1k的長(zhǎng)波量子阱焦平面探測(cè)器已經(jīng)有市售產(chǎn)品。國(guó)內(nèi)的研究團(tuán)隊(duì)采用長(zhǎng)波量子阱材料在較短時(shí)間內(nèi)也研制出具有較好性能的320×256量子阱焦平面探測(cè)器，并獲得了較好的成像效果，圖6給出了在晚上10點(diǎn)對(duì)1km、6.8km處建筑物的成像效果，圖像沒有經(jīng)過任何增強(qiáng)處理，6.8km處的高塔及建筑物細(xì)節(jié)仍清晰可見，充分體現(xiàn)了量子阱探測(cè)器優(yōu)越的產(chǎn)業(yè)化優(yōu)勢(shì)。量子阱紅外探測(cè)器的另外一個(gè)優(yōu)勢(shì)在于便于制備雙色或多色大面陣紅外探測(cè)器，通過生長(zhǎng)材料時(shí)調(diào)節(jié)材料組分、厚度，可依次生長(zhǎng)不同波段的紅外探測(cè)器材料實(shí)現(xiàn)雙色或多色探測(cè)。目前世界上最多的多色探測(cè)就是采用量子阱材料，實(shí)現(xiàn)了四色探測(cè)，面陣規(guī)模達(dá)到640×512，獲得了比較好的成像效果，如圖7所示。

量子阱紅外探測(cè)器存在的不足之處來源于量子阱紅外探測(cè)器的工作方式，因?yàn)槭亲訋чg躍遷，導(dǎo)帶基態(tài)的載流子完全靠外部摻雜提供，通常其數(shù)量級(jí)最多為1018～1019cm－3，與價(jià)帶提供的電子相比，數(shù)量級(jí)差3～4個(gè)量級(jí)。另外，由于躍遷矩陣元的選擇定則，只有平行于表面的入射光才能被量子阱材料吸收，以上兩個(gè)原因?qū)е铝肆孔于寮t外探測(cè)器量子效率低，約為8%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于碲鎘汞材料，因此在相同的積分時(shí)間和光學(xué)系統(tǒng)條件下，量子阱長(zhǎng)波紅外探測(cè)器性能比碲鎘汞長(zhǎng)波紅外探測(cè)器低。為了提高其性能，只有通過延長(zhǎng)積分時(shí)間，犧牲響應(yīng)時(shí)間，所以量子阱長(zhǎng)波紅外探測(cè)器可以廣泛地應(yīng)用到響應(yīng)不要求很快的場(chǎng)合。量子阱紅外探測(cè)器存在的另外一個(gè)問題是，為了降低暗電流獲得較好的器件性能，量子阱紅外探測(cè)器通常在較低的溫度下工作，工作溫度一般在65～73K范圍，導(dǎo)致的問題是提高了制冷要求，相應(yīng)地增加了系統(tǒng)的功耗、降低了制冷機(jī)的壽命。

1.3Ⅱ類超晶格紅外探測(cè)器

從物理上分析，Ⅱ類超晶格紅外探測(cè)器的出現(xiàn)正好克服了碲鎘汞和量子阱紅外探測(cè)器存在的問題，同時(shí)具備兩者的優(yōu)勢(shì)，即具有超越碲鎘汞的性能和量子阱紅外探測(cè)器的產(chǎn)業(yè)化優(yōu)勢(shì)，成為被國(guó)際上看好的第三代紅外探測(cè)器的最佳選擇之一。Ⅱ類超晶格紅外探測(cè)器是一種低維材料體系，采用類似量子阱紅外探測(cè)器材料的生長(zhǎng)方法進(jìn)行超晶格材料生長(zhǎng)，不同之處在于超晶格的勢(shì)阱和勢(shì)壘層都非常薄，約為幾個(gè)單分子層厚度（對(duì)于中波探測(cè)材料，約2～3nm），勢(shì)阱中的電子通過勢(shì)壘隧穿形成微帶，外來入射光子產(chǎn)生的躍遷在微帶之間完成，通過調(diào)節(jié)組分、厚度以及界面的應(yīng)變可調(diào)節(jié)微帶的位置，從而達(dá)到調(diào)節(jié)類似材料“禁帶寬度”的效果。理論計(jì)算結(jié)果顯示Ⅱ類超晶格具有從短波到甚長(zhǎng)波的紅外探測(cè)能力，另外，還可以用于太赫茲探測(cè)。Ⅱ類超晶格紅外探測(cè)器的能帶結(jié)構(gòu)奇特，其空穴勢(shì)阱位置高于電子勢(shì)阱，電子和空穴分別被限制在不同的材料層，這種非常特殊的能帶結(jié)構(gòu)被稱之為Ⅱ類能帶結(jié)構(gòu)，如圖8(a)所示；與此不同的量子阱能帶結(jié)構(gòu)稱之為Ⅰ類能帶結(jié)構(gòu)（其電子勢(shì)阱和空穴勢(shì)阱位于同一材料層），如圖8(b)所示。Ⅱ類超晶格能帶結(jié)構(gòu)形成的結(jié)果就是無需外界電注入即實(shí)現(xiàn)了載流子反轉(zhuǎn)；另外，電子和空穴之間的復(fù)合大大降低，這種材料特性對(duì)于制備中、長(zhǎng)波紅外激光器是非常有利的，同時(shí)可望制備“發(fā)光-光接收”或“光接收-發(fā)光”單片集成光電器件。

與碲鎘汞材料相比，Ⅱ類超晶格材料的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在以下幾方面：第一，Ⅱ類超晶格材料的電子有效質(zhì)量大，在長(zhǎng)波范圍約為碲鎘汞的3倍，尤其在甚長(zhǎng)波，隨著波長(zhǎng)增長(zhǎng)，碲鎘汞的電子有效質(zhì)量變小，而Ⅱ類超晶格材料的電子有效質(zhì)量卻不變。由此決定了Ⅱ類超晶格探測(cè)器帶間隧穿電流小，器件暗電流小。第二，通過應(yīng)變對(duì)能帶結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié)作用，能有效降低俄歇復(fù)合，提高載流子有效壽命，提高器件性能。圖9顯示了在相同的響應(yīng)波長(zhǎng)以及摻雜條件下，與碲鎘汞材料相比，由于重輕空穴分離，Ⅱ類超晶格材料的俄歇復(fù)合降低。以上兩個(gè)因素導(dǎo)致在長(zhǎng)波以及甚長(zhǎng)波范圍Ⅱ類超晶格紅外探測(cè)器能夠?qū)崿F(xiàn)更高的器件性能和工作溫度。理論計(jì)算結(jié)果顯示在相同截止波長(zhǎng)條件下Ⅱ類超晶格探測(cè)器的性能超越碲鎘汞紅外探測(cè)器，如果保持相同的性能，Ⅱ類超晶格長(zhǎng)波紅外探測(cè)器將比碲鎘汞長(zhǎng)波紅外探測(cè)器提高30℃的工作溫度，Ⅱ類超晶格中波紅外探測(cè)器比碲鎘汞中波紅外探測(cè)器將提高10℃的工作溫度。如圖10所示，圖中長(zhǎng)波Ⅱ類超晶格紅外探測(cè)器的器件性能已經(jīng)明顯超過碲鎘汞長(zhǎng)波紅外探測(cè)器的性能，這是目前確定的唯一能超越碲鎘汞紅外探測(cè)器器件性能的探測(cè)器。圖中同時(shí)也給出了德國(guó)IAF、美國(guó)西北大學(xué)、美國(guó)海軍實(shí)驗(yàn)室、TSI等報(bào)道的探測(cè)率實(shí)際測(cè)試結(jié)果，在截止波長(zhǎng)9μm處、溫度78K下探測(cè)率平均值大于1×1011cmHz1/2W－1。實(shí)測(cè)結(jié)果與理論計(jì)算值相比，有1～2個(gè)量級(jí)的差異，說明目前Ⅱ類超晶格紅外探測(cè)器在材料設(shè)計(jì)、材料生長(zhǎng)及器件工藝等方面還有待進(jìn)一步完善，器件性能還有進(jìn)一步提升的空間。第三，基于Ⅲ-Ⅴ族材料生長(zhǎng)方式，采用先進(jìn)的MBE薄膜材料生長(zhǎng)系統(tǒng)進(jìn)行材料生長(zhǎng)，襯底采用晶格匹配的GaSb襯底，能夠生長(zhǎng)大面積均勻性好的Ⅱ類超晶格紅外探測(cè)器材料，包括長(zhǎng)波紅外探測(cè)材料；第四，Ⅱ類超晶格材料構(gòu)成元素之間化學(xué)鍵強(qiáng)，材料穩(wěn)定性好，對(duì)工藝的要求大大降低，器件產(chǎn)業(yè)化優(yōu)勢(shì)明顯，成本可望大大低于碲鎘汞紅外探測(cè)器。另外，美國(guó)、中國(guó)也在嘗試在GaAs襯底上進(jìn)行Ⅱ類超晶格材料的生長(zhǎng)，以進(jìn)一步降低成本。

圖6國(guó)內(nèi)研制的量子阱焦平面探測(cè)器成像效果：(a)1km，(b)6.8km

圖7 640×512 四色量子阱紅外探測(cè)器器件和材料結(jié)構(gòu)示意圖，以及電烙鐵在4 個(gè)波段的成像效果

(a) Ⅱ類超晶格

(b)Ⅰ類量子阱

圖 8 Ⅰ類量子阱和Ⅱ類超晶格的能帶結(jié)構(gòu)

圖 9 碲鎘汞和Ⅱ類超晶格材料俄歇復(fù)合示意圖

圖 10 理論計(jì)算的碲鎘汞和Ⅱ類超晶格性能比較

在實(shí)際的器件研制方面，2011年美國(guó)西北大學(xué)和美國(guó)空軍實(shí)驗(yàn)室成功研制出1 k×1k 截止波長(zhǎng)11μm的Ⅱ類超晶格長(zhǎng)波焦平面探測(cè)器，在F#＝4、積分時(shí)間0.13ms、81K的工作溫度下NETD=23.6mK，10μm附近量子效率大于40%，對(duì)人體的成像效果如圖11所示。在甚長(zhǎng)波方面報(bào)道了截止波長(zhǎng)為19μm及32μm的Ⅱ類超晶格紅外探測(cè)器，在50K及32K的工作溫度下兩個(gè)探測(cè)器的探測(cè)率分別達(dá)到3.71×1010cmHz1/2W－1、1.05×1010 cmHz1/2W－1。在中波探測(cè)方面，已報(bào)道截止波長(zhǎng)為3.7μm的Ⅱ類超晶格紅外探測(cè)器，在80K的工作溫度下探測(cè)率達(dá)到8×1013cmHz1/2W－1。國(guó)內(nèi)昆明物理研究所也研制出截止波長(zhǎng)為4.5μmⅡ類超晶格紅外探測(cè)器在77K的工作溫度下探測(cè)率達(dá)到4.7×1012cmHz1/2W－1。以上研制結(jié)果充分體現(xiàn)了Ⅱ類超晶格紅外探測(cè)器在中波、長(zhǎng)波以及甚長(zhǎng)波探測(cè)具備的高性能和高溫工作的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

圖11 1 k×1 k 截止波長(zhǎng)11μm的Ⅱ類超晶格紅外探測(cè)器在81 K 和68K 的成像效果

與量子阱紅外探測(cè)器相比，Ⅱ類超晶格探測(cè)器的優(yōu)勢(shì)在于通過類似于帶間吸收的光學(xué)吸收機(jī)制，Ⅱ類超晶格材料可獲得高的量子效率，目前報(bào)道的量子效率最高可達(dá)到81%；另外，能夠吸收垂直材料表面的入射光，在器件工藝上不需要制備光柵。器件隧穿電流小，器件暗電流小，可在高溫工作。在理論和實(shí)驗(yàn)兩方面，Ⅱ類超晶格都顯示了其優(yōu)越的器件性能，作為新一代光電材料和器件，具有巨大的發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用前景。

2結(jié)語(yǔ)

對(duì)第三代紅外探測(cè)器的發(fā)展與選擇直接關(guān)系到未來戰(zhàn)場(chǎng)上的武器裝備水平與精確打擊能力的較量，欲做到比敵方看得清，看得遠(yuǎn)，先發(fā)制人不被打，唯一的選擇就是盡快發(fā)展高性能第三代紅外探測(cè)器。碲鎘汞、量子阱和Ⅱ類超晶格紅外探測(cè)器作為國(guó)際上已經(jīng)認(rèn)可的第三代紅外探測(cè)器，在器件物理和器件性能方面各具特色，在應(yīng)用方面也將形成互為補(bǔ)充的支撐關(guān)系。在人們特別關(guān)注的長(zhǎng)波領(lǐng)域，量子阱紅外探測(cè)器具有明顯的產(chǎn)業(yè)化優(yōu)勢(shì)，可望在國(guó)內(nèi)率先實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)波大面陣的實(shí)用化，滿足國(guó)內(nèi)對(duì)長(zhǎng)波大面陣紅外探測(cè)器的應(yīng)用需求。在此基礎(chǔ)上還可以盡快實(shí)現(xiàn)量子阱中長(zhǎng)波雙色紅外探測(cè)器的實(shí)用化。長(zhǎng)波碲鎘汞材料和器件方面存在的均勻性問題制約著其在大面陣高性能長(zhǎng)波紅外探測(cè)器的發(fā)展，可考慮其在高性能大面陣中波、短波紅外探測(cè)器方面發(fā)展并盡快實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。Ⅱ類超晶格紅外探測(cè)器作為一種新型光電材料和器件，德國(guó)在2005年已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了中波雙色的產(chǎn)品化和應(yīng)用，在長(zhǎng)波大面陣紅外探測(cè)器以及甚長(zhǎng)波探測(cè)方面也顯示了優(yōu)越的器件性能和產(chǎn)業(yè)化前景，可以相信，Ⅱ類超晶格紅外探測(cè)器的發(fā)展對(duì)于高性能、低成本的紅外技術(shù)應(yīng)用將具有更加重要的作用。