红外探测技术的发展历程

本文介绍了红外探测技术的发展过程。

红外探测器是能把所接受的红外辐射转换成一种便于计量的物理量的器件。它作为红外探测和成像系统的核心部件，是决定红外技术发展的关键。

按照工作原理的不同，红外探测器可分为热探测器和光子探测器两大类。

热探测器是将红外热辐射转变为温度并加以检测的装置。与光子探测器相比，热探测器具有可在室温下工作以及成本低的优势。但是，与光子探测器相比，热探测器在军事系统应用较少，其主要原因是热探测器响应速度慢、探测率低。

  关于对热探测器和光子探测器的理解，可以举个例子，比如我们在进行体温测量时，可以选择用水银温度计。测量时将温度计放在腋下，随着人体体温的升高，水银示数逐渐升高，这种测量的好处是温度计构造简单，成本低，但测量的时间长。另外一种测量方式是额温枪，额温枪对着额头点一下就完成了，不用接触人体，效率很高，但是设备成本高，额温枪就类似光子探测器。

红外探测技术的进步与光子探测器的发展密不可分。光子探测器是以半导体材料的光子吸收为基础，利用其光电效应探测红外辐射的装置。光子探测器对入射波长有一定的选择性，在低温制冷时可呈现出理想的信噪比和较快的响应速度。光子探测器是目前用途最为广泛的红外探测器，其探测率比热探测器要高出一到两个数量级且能实现快速响应。

  自20 世纪30年代以来，光子探测器的研究一直是红外探测技术的发展主流。但是，光子探测器一般需要低温制冷以提高器件信噪比。一般地，为了得到红外光电探测器的背景极限性能，3~5 μm红外探测器的工作温度低于200 K，而8~14 μm 红外探测器的工作温度约为77K。制冷的需求会明显增加整个红外系统的重量和成本，这也是光子探测器红外系统发展的主要障碍。

一、什么叫低温制冷呢？

红外热探测器和光子探测器都是通过半导体芯片来接收红外辐射的，光子探测器很灵敏，但是要求也高，这种芯片必须在很低的温度下工作，要给芯片背上一个冰块来降温。当然，这个冰块的温度也要足够低，要低到零下200℃左右，正是这种对芯片的降温要求，导致芯片工作时需要配备低温制冷装置，成本也就高了。

光子型探测器按照其响应机制不同可分为光导探测器和光伏探测器。

光导探测器是利用半导体材料的光电导效应制成的红外探测器，其能带结构和电子收集模式如下图所示。  

光导探测器本质上就是一个光敏电阻，其响应度正比于辐射前后的电导率差值。光导探测器要实现较高的响应度，就要求器件在无辐射情况下的载流子浓度尽量小。但是，由于中长波红外探测材料的带隙较小，即使在无光照条件下也会产生大量的热激载流子，所以，光导探测器为了实现较高的探测性能需要在低温制冷条件下工作。

  光伏探测器主要是利用p-n结的光生伏特效应制成，又称其为光电二极管。

p-i-n光电二极管是替代简单p-n结光电二极管的最常用方案。如下图所示，p-i-n光电二极管的基本结构为p+区和n+区中间加持一个不掺杂的i区。

  在红外探测应用领域，与光导探测器相比，由于光伏探测器具有较高的阻抗，在硅读出输入阶段就可以直接匹配，并具有较低的功率损耗，所以更受欢迎。

此外，由于耗尽层强电场使载流子具有较高的速度，因此，光伏探测器比光导探测器具有更快的响应速度。  

二、光子探测器发展历程及现状

光子探测器是现代红外探测器的发展主流，也历经几十年的发展，最早用于现代红外探测器技术的材料为铅盐材料，如硫化铅（PbS）、硒化铅（PbSe）等。

由于铅盐探测器的制备过程不易理解只能根据经验配比制作，所以铅盐探测器的发展比较缓慢。

20世纪50年代以来，材料生长和杂化技术的发展极大的促进了非本征硅、锗探测器的研发。例如，锗材料中掺入金、铜等材料制成的光导探测器适于长波红外和超长波红外光谱的探测。

第一个用于红外探测器的窄带隙材料是锑化铟（InSb），如下图所示，主要原因是它具有较小的带隙和单晶材料制备技术简单的优势。随后，利用合金掺入技术得到的窄带隙半导体材料为红外探测器的设计提供了空前的自由度。这些合金半导体主要包括InAs1-xSbx、Pb1-xSnxTe和Hg1-xCdxTe（碲镉汞，HgCdTe）等。

  窄带隙半导体材料，特别是HgCdTe材料，因其较高的吸收系数、电子迁移率和带隙可调等优势使其成为理想的宽光谱红外探测材料。HgCdTe是目前红外探测器中使用最为广泛的探测材料，成功击退了硫化铅和非本征硅、锗探测器的挑战。但是，HgCdTe 红外探测器的发展面临一个重要的挑战，即由于Hg具有较高蒸汽压使得HgCdTe材料的均匀性很难控制，这一点严重阻碍了HgCdTe焦平面红外探测器的发展。生长高质量HgCdTe材料的困难反而激励研究人员研发新的探测器材料。目前，HgCdTe的主要竞争者有砷化镓量子阱，量子点和锑（Sb）基Ⅱ类超晶格。其中，Ⅱ类超晶格被认为是HgCdTe材料在红外探测领域的最有力竞争者，也是目前红外探测材料的研究热点。

自现代红外探测技术出现后的半个多世纪以来，红外探测技术的进展大致经历了三个阶段。

第一代红外探测技术采用的是线性阵列光导探测器，以扫描的方式获取信号，目前已批量生产并得到广泛应用。20世纪60年代初，线性阵列技术首先应用于铅盐和非本征锗光导探测器，这些红外系统一般需要二级制冷器来保证 25K的工作温度。20世纪70年代，将线性阵列技术应用到本征HgCdTe光导探测器，才使前视红外系统能在单级低温制冷条件下工作。

  第二代红外探测技术是二维阵列光伏探测器，它利用与阵列集成在一起的读出电路完成电子扫描，又称传感器芯片组件。具有较高阻抗值的InSb和 HgCdTe为其主要候选材料，原因是其较高的阻抗值能与读出电路相匹配。

  当前正处在第三代红外探测技术的初期研发阶段，第三代红外探测技术的概念由高性能和低成本两个基本内涵构成，核心是进一步提高远距离目标探测和识别能力并大幅降低探测器成本。

第三代红外探测器的候选材料主要有 HgCdTe、GaAs 基量子阱、Sb基Ⅱ类超晶格等。  

三、红外探测器发展趋势

目前全球范围内在红外中、长波段大规模阵列探测器方面，尽管投入了很大的研发力度，取得了不少进展，但是大规模光伏HgCdTe焦平面阵列探测器仍然昂贵，焦平面芯片良率低，同时HgCdTe的材料特性决定了长波红外HgCdTe器件对缺陷和漏电流非常敏感。随着能带工程和分子束外延等技术日趋成熟，量子阱红外光电探测器也取得了快速发展。但与HgCdTe红外探测器相比，量子阱红外探测器存在量子效率和探测灵敏度低等问题。近年来的实验室研究表明相对于HgCdTe和GaAs基量子阱等现有探测器芯片，InAs/GaSbⅡ类超晶格具有很多性能和制造优点，这使得 InAs/GaSb 超晶格成为第三代红外探测技术的优选探测材料。

目前对于第三代红外探测器技术的发展主要集中在以下几个方面：

1、发展长波、大规模焦平面探测器技术，提高目标探测距离。

2、发展双色或多色探测器技术，提高目标在复杂背景下的识别能力。

3、发展超光谱以及被动成像探测器技术。

4、发展具备可承受成本的高端红外成像探测器技术。

5、发展高性能、高工作温度甚至室温的红外探测器技术。

审核编辑：黄飞