紅外探測技術的發展歷程

本文介紹了紅外探測技術的發展過程。

紅外探測器是能把所接受的紅外輻射轉換成一種便于計量的物理量的器件。它作為紅外探測和成像系統的核心部件，是決定紅外技術發展的關鍵。

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變為溫度并加以檢測的裝置。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勢。但是，與光子探測器相比，熱探測器在軍事系統應用較少，其主要原因是熱探測器響應速度慢、探測率低。

? 關于對熱探測器和光子探測器的理解，可以舉個例子，比如我們在進行體溫測量時，可以選擇用水銀溫度計。測量時將溫度計放在腋下，隨著人體體溫的升高，水銀示數逐漸升高，這種測量的好處是溫度計構造簡單，成本低，但測量的時間長。另外一種測量方式是額溫槍，額溫槍對著額頭點一下就完成了，不用接觸人體，效率很高，但是設備成本高，額溫槍就類似光子探測器。

紅外探測技術的進步與光子探測器的發展密不可分。光子探測器是以半導體材料的光子吸收為基礎，利用其光電效應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，在低溫制冷時可呈現出理想的信噪比和較快的響應速度。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數量級且能實現快速響應。

? 自20 世紀30年代以來，光子探測器的研究一直是紅外探測技術的發展主流。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。制冷的需求會明顯增加整個紅外系統的重量和成本，這也是光子探測器紅外系統發展的主要障礙。

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，要給芯片背上一個冰塊來降溫。當然，這個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，導致芯片工作時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機制不同可分為光導探測器和光伏探測器。

光導探測器是利用半導體材料的光電導效應制成的紅外探測器，其能帶結構和電子收集模式如下圖所示。 ?

光導探測器本質上就是一個光敏電阻，其響應度正比于輻射前后的電導率差值。光導探測器要實現較高的響應度，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產生大量的熱激載流子，所以，光導探測器為了實現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結的光生伏特效應制成，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構為p+區和n+區中間加持一個不摻雜的i區。

? 在紅外探測應用領域，與光導探測器相比，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，由于耗盡層強電場使載流子具有較高的速度，因此，光伏探測器比光導探測器具有更快的響應速度。 ?

二、光子探測器發展歷程及現狀

光子探測器是現代紅外探測器的發展主流，也歷經幾十年的發展，最早用于現代紅外探測器技術的材料為鉛鹽材料，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經驗配比制作，所以鉛鹽探測器的發展比較緩慢。

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

第一個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簡單的優勢。隨后，利用合金摻入技術得到的窄帶隙半導體材料為紅外探測器的設計提供了空前的自由度。這些合金半導體主要包括InAs1-xSbx、Pb1-xSnxTe和Hg1-xCdxTe（碲鎘汞，HgCdTe）等。

? 窄帶隙半導體材料，特別是HgCdTe材料，因其較高的吸收系數、電子遷移率和帶隙可調等優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。但是，HgCdTe 紅外探測器的發展面臨一個重要的挑戰，即由于Hg具有較高蒸汽壓使得HgCdTe材料的均勻性很難控制，這一點嚴重阻礙了HgCdTe焦平面紅外探測器的發展。生長高質量HgCdTe材料的困難反而激勵研究人員研發新的探測器材料。目前，HgCdTe的主要競爭者有砷化鎵量子阱，量子點和銻（Sb）基Ⅱ類超晶格。其中，Ⅱ類超晶格被認為是HgCdTe材料在紅外探測領域的最有力競爭者，也是目前紅外探測材料的研究熱點。

自現代紅外探測技術出現后的半個多世紀以來，紅外探測技術的進展大致經歷了三個階段。

第一代紅外探測技術采用的是線性陣列光導探測器，以掃描的方式獲取信號，目前已批量生產并得到廣泛應用。20世紀60年代初，線性陣列技術首先應用于鉛鹽和非本征鍺光導探測器，這些紅外系統一般需要二級制冷器來保證 25K的工作溫度。20世紀70年代，將線性陣列技術應用到本征HgCdTe光導探測器，才使前視紅外系統能在單級低溫制冷條件下工作。

? 第二代紅外探測技術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。

? 當前正處在第三代紅外探測技術的初期研發階段，第三代紅外探測技術的概念由高性能和低成本兩個基本內涵構成，核心是進一步提高遠距離目標探測和識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、紅外探測器發展趨勢

目前全球范圍內在紅外中、長波段大規模陣列探測器方面，盡管投入了很大的研發力度，取得了不少進展，但是大規模光伏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日趨成熟，量子阱紅外光電探測器也取得了快速發展。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。近年來的實驗室研究表明相對于HgCdTe和GaAs基量子阱等現有探測器芯片，InAs/GaSbⅡ類超晶格具有很多性能和制造優點，這使得 InAs/GaSb 超晶格成為第三代紅外探測技術的優選探測材料。

目前對于第三代紅外探測器技術的發展主要集中在以下幾個方面：

1、發展長波、大規模焦平面探測器技術，提高目標探測距離。

2、發展雙色或多色探測器技術，提高目標在復雜背景下的識別能力。

3、發展超光譜以及被動成像探測器技術。

4、發展具備可承受成本的高端紅外成像探測器技術。

5、發展高性能、高工作溫度甚至室溫的紅外探測器技術。

審核編輯：黃飛

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