Physics 版 (精华区)

发信人: zjliu (秋天的萝卜), 信区: Physics
标  题: 红外探测器的进展
发信站: 哈工大紫丁香 (Sun Jun  1 18:52:31 2003)

摘要：红外探测器的发展基础是物理学和技术科学的进展。HgCdTe FPA和非制冷焦平面

阵列 ，军事装备和广阔的民用市场需求推动探测器技术进一步发展。
1　前　　言
所有物体均发射与其温度和特性相关的热辐射，环境温度附近物体的热辐射大多位于 红

外波段。红外辐射占据相当宽的电磁波段(0.8μm～1000μm)。可知，红外辐射提供了客

 观世界的丰富信息，充分利用这些信息是人们追求的目标。将不可见的红外辐射转换成

可测 量的信号的器件就是红外探测器。探测器作为红外整机系统的核心关键部件，探测

、识别和 分析红外信息并加以控制。热成像是红外技术的一个重要方面，得到了广泛应

用，首要的当 属军事应用。反之，由于应用的驱使，红外探测器的研究、开发乃至生产

，越来越受重视而 得以长足发展。1800年Herschel发现太阳光谱中的红外线用的涂黑水

银温度计为最早的红外 探测器，此后，尤其是二次大战以来，不断出现新器件。现代科

学技术的进展提供红外探测 器研制的广阔天地，高性能新型探测器层出不穷。今天的探

测器制备已成为涉及物理、材料 等基础科学和光、机、微电子和计算机等多领域的综合

科学技术。
2　物理学的进展是红外探测器的基础 　
红外辐射与物质(材料)相互作用产生各种效应。100多年来，从经典物理到20世纪开创
的近代物理，特别是量子力学、半导体物理等学科的创立，到现代的介观物理、低维结

构物 理等等，有许多而且越来越多可用于红外探测的物理现象和效应。 　　
2.1　热探测器
热辐射引起材料温度变化产生可度量的输出。有多种热效应可用于红外探测器。
(1)热胀冷缩效应的液态的水银温度计、气态的高莱池(Golay cell);
(2)温差电(Seebeck)效应。可做成热电偶和热电堆，主要用于测量仪器。
(3)共振频率对温度的敏感可制作石英共振器非致冷红外成像阵列。
(4)材料的电阻或介电常数的热敏效应——辐射引起温升改变材料电阻用以探测热辐射—

测 辐射热计(Bolometer)：半导体有高的温度系数而应用最多，常称“热敏电阻”。利

用转变 温度附近电阻巨变的超导探测器引起重视。如果室温度超导成为现实，将是21世

纪最引人注 目的探测器。
(5)热释电效应：快速温度变化使晶体自发极化强度改变，表面电荷发生变化，可作成热

释 电探测器。
热探测器一般不需致冷(超导除外)而易于使用、维护，可靠性好；光谱响应与波长无关

，为无选择性探测器；制备工艺相对简易，成本较低。但灵敏度低，响应速度慢。热探

测器性能限制的主要因素是热绝缘的设计问题。
2.2　光电探测器
红外辐射光子在半导体材料中激发非平衡载流子(电子或空穴)，引起电学性能变化。因

为载流子不逸出体外，所以称内光电效应。量子光电效应灵敏度高，响应速度比热探测

器快得多，是选择性探测器。为了达到最佳性能，一般都需要在低温下工作。光电探测

器可分为：
(1)光导型：又称光敏电阻。入射光子激发均匀半导体中的价带电子越过禁带进入导带并

在 价带留下空穴，引起电导增加，为本征光电导。从禁带中的杂质能级也可激发光生载

流子进 入导带或价带，为杂质光电导。截止波长由杂质电离能决定。量子效率低于本征

光导，而且 要求更低的工作温度。
(2)光伏型：主要是p－n结的光生伏特效应。能量大于禁带宽度的红外光子在结区及其附

近 激发电子空穴对。存在的结电场使空穴进入p区，电子进入n区，两部分出现电位差。

外电路 就有电压或电流信号。与光导探测器比较，光伏探测器背影限探测率大于40％；

不需要外加 偏置电场和负载电阻，不消耗功率，有高的阻抗。这些特性给制备和使用焦

平面阵列带来很 大好处。
(3)光发射－Schottky势垒探测器：金属和半导体接触，典型的有PtSi/Si结构，形成Sc

hott ky势垒，红外光子透过Si层为PtSi吸收，电子获得能量跃上Fermi能级，留下空穴

越过势垒 进入Si衬底，PtSi层的电子被收集，完成红外探测。充分利用Si集成技术，便

于制作，具有 成本低、均匀性好等优势，可做成大规模(1024×1024甚至更大)焦平面阵

列来弥补量子效率 低的缺陷。有严格的低温要求。用这类探测器，国内外已生产出具有

像质良好的热像仪。Pt Si/Si结构FPA是最早制成的IRFPA。
(4)量子阱探测器(QWIP)：将两种半导体材料A和B用人工方法薄层交替生长形成超晶格，

在 其界面，能带有突变。电子和空穴被限制在低势能阱A层内，能量量子化，称为量子

阱。利 用量子阱中能级电子跃迁原理可以做红外探测器。90年代以来发展很快，已有5

12×512、64 0×480规模的QWIP GaAs/AlGaAs焦平面制成相应的热像仪诞生。因为入射

辐射中只有垂直于 超晶格生长面的电极化矢量起作用，光子利用率低；量子阱中基态电

子浓度受掺杂限制，量 子效率不高；响应光谱区窄；低温要求苛刻。人们正深入研究努

力加以改进，可望与碲镉汞 探测器一争高低。
3　新技术飞速发展促进红外探测器更新换代
60年代以前多为单元探测器扫描成像，但灵敏度低，二维扫描系统结构复杂笨重。增加

探测元，例如有N元组成的探测器，灵敏度增加N1／2倍，一个M×N阵列，灵敏度增长(M

×N)1／2倍。元数增加还将简化光机扫描机构，大规模凝视焦平面阵列，不再需要光机

扫描，大大简化整机系统。现代探测器技术进入第二、第三代，重要标志之一就是元数

大大增加。另一方面是开发同时覆盖两个波段以上的双色和多光谱探测器。所有进展都

离不开新技术特别是半导体技术的开发和进步。几项具有里程碑意义的技术有：
(1)半导体精密光刻技术
使探测器技术由单元向多元线列探测器迅速发展，即后来称为第一代探测器。
(2)Si集成电路技术
Si读出电路与光敏元大面阵耦合，诞生了所谓第二代的大规模红外焦平面阵列探测器 。

更进一步有Z平面和灵巧型智能探测器等新品种。此项技术还诱导产生非制冷焦平面阵列

 ，使一度冷落的热探测器重现勃勃生机。
(3)先进的薄层材料生长技术
分子束外延、金属有机化学汽相淀积和液相外延等技术可重复、精密控制生长大面积高

度均匀材料，使制备大规模红外焦平面阵列成为可能。也是量子阱探测器出现的前提。


(4)微型制冷技术
高性能探测器低温要求驱动微型制冷机的开发，制冷技术又促进了探测器的研制和应用

。
我国红外探测器研制从1958年开始，至今已40多年。先后研制过PbS、PbSe、Ge:Au、Ge

:Hg 、InSb、PbSnTe、HgCdTe、PtSi/Si、GaAs/AlGaAs量子阱和热释电探测器等。 随着

低维材料出现，纳米电子学、光电一体化等技术日新月异，21世纪红外探测器必有革命

 性的进展。物理学及材料科学是现代技术发展的主要基础，现代技术飞速发展对物理学

研究 又有巨大的反作用。
4　高性能红外探测器 —碲镉汞探测器
　　1959年，英国Lawson等首先制成可变带隙Hg1－xCdxTe固溶体合金，提供了红外探测

器设计空前的自由度。碲镉汞有三大优势：1）本征激发、高的吸收系数和高的量子效率

(可超过80％)且有高的探测率；2）其最吸引人的特性是改变Hg、Cd配比调节响应波段，

可以工作在各个红外光谱区段并获得最佳性能。而且晶格参数几乎恒定不变，对制备复

合禁带异质结结构新器件特别重要，3）同样的响应波段，工作温度较高，可工作的温度

范围也较宽。碲镉汞中，弱Hg－Te键(比Cd－Te键弱约30％)，可通过热处理或特定途径

形成P或N型，并可完成转型。其电学性质如1载流子浓度低，2少数载流子寿命长，3电子

空穴有效质量比大(～10.0），电子迁移率高，4介电常数小等有利于探测器性能。
第一代碲镉汞探测器主要是多元光导型，美国采用60、120和180元光导探测器作为热像

仪通用组件，英国则以70年代中期开发的SPRITE为通用组件。SPRITE是一种三电极光导

器件，利用半导体中非平衡载流子扫出效应，当光点扫描速度与载流子双极漂移速度匹

配，使探测器在完成辐射探测的同时实现信号的时间延迟积分功能。8条SPRIET的性能可

相当100元以上的多元探测器。结构、制备工艺和后续电子学大大简化。现有技术又克服

了高光机扫描速度和空间分辨率受限制等两个缺陷。1992年诞生了第一台国产化通用组

件高性能热像仪，SPRITE探测器研制成功是关键。到90年代初，第一代碲镉汞光导探测

器纷纷完成技术鉴定，性能达到世界先进水平。兵器工业211所的SPRITE、32和60元探测

器已实用化并投入批量生产，规模和市场不断扩大。国外在80年代就已大批量生产。
由于电极、杜瓦瓶设计和制冷机方面的重重困难，第一代碲镉汞探测器元数一般无法超

过200。大的碲镉汞光敏阵列和Si读出集成电路分别制备并最佳化，然后两者进行电学耦

合和机械联结形成混合式焦平面阵列，就是第二代碲镉汞探测器。目前国际上已研制出

256×256甚至640×480规模的长波IRFPA。中波红外已有用于天文的1024×1024的规模，

现阶段典型产品是法国的4N系列288×4扫描式FPA。国内仍处于研制开发阶段。
晶体碲镉汞材料也有鲜明的弱势：1相图液线和固线分离大，分凝引起径向、纵向组分不

均匀；2高Hg压使大直径晶体生长困难，晶格结构完整性差；3重复生产成品率低。薄膜

材料的困难在于难以获得理想的CdZnTe衬底材料。人们致力于研究替代衬底，如PACE(P

roducible Alternative to CdTe for Epitaxy )－ I ( HgCdTe / CdTe/ 宝石)，PACE

－II(HgCdTe/C dTe/GaAs)和PACE－III(HgCdTe/CdTe/Si)。日本和法国还报道Ge衬底，

目标是与MCT的晶格 匹配并有利于与Si读出线路的耦合。
优质碲镉汞材料制备困难、均匀性差、器件工艺特殊，成品率低，因而成本高一直是困

扰碲镉汞IRFPA的主要障碍。人们始终没有放弃寻找材料的努力，但迄今还没有一种新材

料能超过碲镉汞的基本优点。为满足军事应用更高的性能要求，碲镉汞FPA仍然是首选探

测器。
5　非致冷焦平面阵列 (UFPA)红外探测器　
非制冷焦平面阵列省去了昂贵的低温制冷系统和复杂的扫描 装置，敏感器件以热探测器

为主。突破了历来热像仪成本高昂的障碍，“使传感器领域发生变革”。另外，它的可

靠性也大大提高、维护简单、工作寿命延长，因为低温制冷系统和复杂扫描装置常常是

红外系统的故障源。非致冷探测器的灵敏度(D）比低温碲镉汞要小1个量级以上，但是以

大的焦平面阵列来弥补，便可和第一代MCT探测器争雄。对许多应用，特别是监视与夜视

而言已经足够。广阔的准军事和民用市场更是它施展拳脚的领域。为避免大量投资，把

硅集成电路工艺引入低成本、非制冷红外探测器开发生产，制造大型高密度阵列和推进

系统集成化的信号处理，即大规模焦平面阵列技术，潜力十分巨大。正因为如此，单元

性能较低的热电探测器又重新引人注目，而且可能成为21世纪最具竞争力的探测器之一

。目前发展最快、前景看好的有两类UFPA：
（1）热释电FPA热释电探测器的研究早在60年代和70年代就颇为盛行，有过多种材料，

较新型的有钛酸锶钡(BST)陶瓷和钛酸钪铅(PST)等。美国TI公司推出的328×240钛酸锶

钡(BST)FPA已形成产品，NETD优于0.1K，有多种应用。计划中还有640×480的FPA，发展

趋势是将铁电材料薄膜淀积于硅片上，制成单片式热释电焦平面，有很高的潜在性能，

可望实现1000×1000阵列的优质成像。
(2)微测辐射热计(Microbolometer)它是在IC－CMOS硅片上以淀积技术，用Si3N4支撑有

高电阻温度系数和高电阻率的热敏电阻材料VOx或α－Si，做成微桥结构器件(单片式FP

A)。接收热辐射引起温度变化而改变阻值，直流耦合无须斩波器，仅需一半导体制冷器

保持其稳定的工作温度。90年代初，由Honeywell公司首先开发，研制成工作在8μm～1

4μm的320×240 UFPA，并以此制成实用的热像系统，NETD已达到0.1K以下，可望在近期

达到0.02K。此类FPA90年代发展神速，成为热点。与热释电UFPA比较，微测辐射热计采

用硅集成工艺，制造成本低廉；有好的线性响应和高的动态范围；像元间好的绝缘而有

低的串音和图像模糊；低的1/f噪声；以及高的帧速和潜在高灵敏度(理论NETD可达0.01

K)。其偏置功率受耗散功率限制和大的噪声带宽不足以与热释电相比。
6　红外探测器技术的发展
历史上，红外探测器的发展得益于战争尤其是二次大战的刺激。随后的冷战时期，到 现

今的局部战争，人们不断加深对红外探测器重要性的认识。至今，军事应用仍占整个红

外 敏感器市场的75％。更高的性能指标和降低成本对红外技术提出了愈来愈高的要求。

由于民 用需求的急剧增长，军事应用的比例正在稳步减小。据美国市场调查，到2002年

军事应用将 下降到50％以下。今后焦平面红外图像系统及传感器的需求量会继续增长，

年增长率将达29 ％。军事应用中的商用成品有望每年增加15％。估计增长最快的将是非

制冷焦平面系统，年 增长率将超过60％。2002年美国红外技术市场将达到12亿美元。据

中国光学学会预测，今后 5年，我国热像设备总数在4万台左右，而年自产不足500台。

所有这些，势必使21世纪的红 外科学技术加速开拓前进，首先是红外探测器技术的突飞

猛进。

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