紅外探測器的進展

摘要：紅外探測器的發展基礎是物理學和技術科學的進展。HgCdTe FPA和非製冷焦平麵陣列 ，裝備和廣闊的民用市場需求推動探測器技術進一步發展。
1　前言
所有物體均發射與其溫度和特性相關的熱輻射，環境溫度附近物體的熱輻射大多位於紅外波段。紅外輻射占據相當寬的電磁波段(0.8μm～1000μm)。可知，紅外輻射提供了客觀世界的豐富信息，充分利用這些信息是人們追求的目標。將不可見的紅外輻射轉換成可測量的信號的器件就是紅外探測器。探測器作為紅外整機係統的核心關鍵部件，探測、識彆和分析紅外信息並加以控製。熱成像是紅外技術的一個重要方麵，得到了廣泛應用，首要的當屬應用。反之，由於應用的驅使，紅外探測器的研究、開發乃至生產，越來越受重視而得以長足發展。1800年Herschel發現太陽光譜中的紅外線用的塗黑水銀溫度計為*早的紅外探測器，此後，尤其是二次大戰以來，不斷出現新器件。現代科學技術的進展提供紅外探測器研製的廣闊天地，高性能新型探測器層出不窮。今天的探測器製備已成為涉及物理、材料等基礎科學和光、機、微電子和計算機等多領域的綜合科學技術。
2　物理學的進展是紅外探測器的基礎 　
紅外輻射與物質(材料)相互作用產生各種效應。100多年來，從經典物理到20世紀開創的近代物理，特彆是量子力學、半導體物理等學科的創立，到現代的介觀物理、低維結構物理等等，有許多而且越來越多可用於紅外探測的物理現象和效應。 　　
2.1　熱探測器 
熱輻射引起材料溫度變化產生可度量的輸出。有多種熱效應可用於紅外探測器。
(1)熱脹冷縮效應的液態的水銀溫度計、氣態的高萊池(Golay cell);
(2)溫差電(Seebeck)效應。可做成熱電偶和熱電堆，主要用於測量儀器。 
(3)共振頻率對溫度的敏感可製作石英共振器非致冷紅外成像陣列。 
(4)材料的電阻或介電常數的熱敏效應--輻射引起溫升改變材料電阻用以探測熱輻射-測輻射熱計(Bolometer)：半導體有高的溫度係數而應用*多，常稱"熱敏電阻"。利用轉變溫度附近電阻巨變的超導探測器引起重視。如果室溫度超導成為現實，將是21世紀*引人注目的探測器。
(5)熱釋電效應：快速溫度變化使晶體自發極化強度改變，表麵電荷發生變化，可作成熱釋電探測器。 
熱探測器一般不需致冷(超導除外)而易於使用、維護，可靠性好；光譜響應與波長無關，為無選擇性探測器；製備工藝相對簡易，成本較低。但靈敏度低，響應速度慢。熱探測器性能限製的主要因素是熱絕緣的設計問題。 　　
2.2　光電探測器 
紅外輻射光子在半導體材料中激發非平衡載流子(電子或空穴)，引起電學性能變化。因為載流子不逸出體外，所以稱內光電效應。量子光電效應靈敏度高，響應速度比熱探測器快得多，是選擇性探測器。為了達到*佳性能，一般都需要在低溫下工作。光電探測器可分為：
(1)光導型：又稱光敏電阻。入射光子激發均勻半導體中的價帶電子越過禁帶進入導帶並在價帶留下空穴，引起電導增加，為本征光電導。從禁帶中的雜質能級也可激發光生載流子進入導帶或價帶，為雜質光電導。截止波長由雜質電離能決定。量子效率低於本征光導，而且要求更低的工作溫度。 
(2)光伏型：主要是p－n結的光生伏特效應。能量大於禁帶寬度的紅外光子在結區及其附近激發電子空穴對。存在的結電場使空穴進入p區，電子進入n區，兩部分出現電位差。外電路就有電壓或電流信號。與光導探測器比較，光伏探測器背影限探測率大於40％；不需要外加偏置電場和負載電阻，不消耗功率，有高的阻抗。這些特性給製備和使用焦平麵陣列帶來很大好處。
(3)光發射－Schottky勢壘探測器：金屬和半導體接觸，典型的有PtSi/Si結構，形成Schott ky勢壘，紅外光子透過Si層為PtSi吸收，電子獲得能量躍上Fermi能級，留下空穴越過勢壘進入Si襯底，PtSi層的電子被收集，完成紅外探測。充分利用Si集成技術，便於製作，具有成本低、均勻性好等優勢，可做成大規模(1024×1024甚至更大)焦平麵陣列來彌補量子效率低的缺陷。有嚴格的低溫要求。用這類探測器，國內外已生產出具有像質良好的熱像儀。Pt Si/Si結構FPA是*早製成的IRFPA。 
(4)量子阱探測器(QWIP)：將兩種半導體材料A和B用人工方法薄層交替生長形成超晶格，在其界麵，能帶有突變。電子和空穴被限製在低勢能阱A層內，能量量子化，稱為量子阱。利用量子阱中能級電子躍遷原理可以做紅外探測器。90年代以來發展很快，已有512×512、64 0×480規模的QWIP GaAs/AlGaAs焦平麵製成相應的熱像儀誕生。因為入射輻射中隻有垂直於超晶格生長麵的電極化矢量起作用，光子利用率低；量子阱中基態電子濃度受摻雜限製，量子效率不高；響應光譜區窄；低溫要求苛刻。人們正深入研究努力加以改進，可望與碲鎘汞探測器一爭高低。 
3　新技術飛速發展促進紅外探測器更新換代
60年代以前多為單元探測器掃描成像，但靈敏度低，二維掃描係統結構複雜笨重。增加探測元，例如有N元組成的探測器，靈敏度增加N1/2倍，一個M×N陣列，靈敏度增長(M×N)1/2倍。元數增加還將簡化光機掃描機構，大規模凝視焦平麵陣列，不再需要光機掃描，大大簡化整機係統。現代探測器技術進入**、第三代，重要標誌之一就是元數大大增加。另一方麵是開發同時覆蓋兩個波段以上的雙色和多光譜探測器。所有進展都離不開新技術特彆是半導體技術的開發和進步。幾項具有裡程碑意義的技術有： 
(1)半導體精密光刻技術 
使探測器技術由單元向多元線列探測器迅速發展，即後來稱為**代探測器。
(2)Si集成電路技術 
Si讀出電路與光敏元大麵陣耦合，誕生了所謂**代的大規模紅外焦平麵陣列探測器 。更進一步有Z平麵和靈巧型智能探測器等新品種。此項技術還誘導產生非製冷焦平麵陣列 ，使一度冷落的熱探測器重現勃勃生機。
(3)先進的薄層材料生長技術 
分子束外延、金屬有機化學汽相澱積和液相外延等技術可重複、精密控製生長大麵積高度均勻材料，使製備大規模紅外焦平麵陣列成為可能。也是量子阱探測器出現的前提。 
(4)微型製冷技術 
高性能探測器低溫要求驅動微型製冷機的開發，製冷技術又促進了探測器的研製和應用。
我國紅外探測器研製從1958年開始，至今已40多年。先後研製過PbS、PbSe、Ge:Au、Ge:Hg 、InSb、PbSnTe、HgCdTe、PtSi/Si、GaAs/AlGaAs量子阱和熱釋電探測器等。 隨著低維材料出現，納米電子學、光電一體化等技術日新月異，21世紀紅外探測器必有** 性的進展。物理學及材料科學是現代技術發展的主要基礎，現代技術飛速發展對物理學研究 又有巨大的反作用。
4　高性能紅外探測器-碲鎘汞探測器 
1959年，英國Lawson等首先製成可變帶隙Hg1－xCdxTe固溶體合金，提供了紅外探測器設計**的自由度。碲鎘汞有三大優勢：1）本征激發、高的吸收係數和高的量子效率(可超過80％)且有高的探測率；2）其*吸引人的特性是改變Hg、Cd配比調節響應波段，可以工作在各個紅外光譜區段並獲得*佳性能。而且晶格參數幾乎恒定不變，對製備複合禁帶異質結結構新器件特彆重要，3）同樣的響應波段，工作溫度較高，可工作的溫度範圍也較寬。碲鎘汞中，弱Hg－Te鍵(比Cd－Te鍵弱約30％)，可通過熱處理或特定途徑形成P或N型，並可完成轉型。其電學性質如1載流子濃度低，2少數載流子壽命長，3電子空穴有效質量比大(～10.0），電子遷移率高，4介電常數小等有利於探測器性能。
**代碲鎘汞探測器主要是多元光導型，美國采用60、120和180元光導探測器作為熱像儀通用組件，英國則以70年代中期開發的SPRITE為通用組件。SPRITE是一種三電極光導器件，利用半導體中非平衡載流子掃出效應，當光點掃描速度與載流子雙極漂移速度匹配，使探測器在完成輻射探測的同時實現信號的時間延遲積分功能。8條SPRIET的性能可相當100元以上的多元探測器。結構、製備工藝和後續電子學大大簡化。現有技術又克服了高光機掃描速度和空間分辨率受限製等兩個缺陷。1992年誕生了**台國產化通用組件高性能熱像儀，SPRITE探測器研製成功是關鍵。到90年代初，**代碲鎘汞光導探測器紛紛完成技術鑒定，性能達到世界先進水平。兵器工業211所的SPRITE、32和60元探測器已實用化並投入批量生產，規模和市場不斷擴大。國外在80年代就已大批量生產。
由於電極、杜瓦瓶設計和製冷機方麵的重重困難，**代碲鎘汞探測器元數一般無法超過200。大的碲鎘汞光敏陣列和Si讀出集成電路分彆製備並*佳化，然後兩者進行電學耦合和機械聯結形成混合式焦平麵陣列，就是**代碲鎘汞探測器。目前國際上已研製出256×256甚至640×480規模的長波IRFPA。中波紅外已有用於天文的1024×1024的規模，現階段典型產品是法國的4N係列288×4掃描式FPA。國內仍處於研製開發階段。
晶體碲鎘汞材料也有鮮明的弱勢：1相圖液線和固線分離大，分凝引起徑向、縱向組分不均勻；2**g壓使大直徑晶體生長困難，晶格結構完整性差；3重複生產成品率低。薄膜材料的困難在於難以獲得理想的CdZnTe襯底材料。人們致力於研究替代襯底，如PACE(Producible Alternative to CdTe for Epitaxy )－ I ( HgCdTe / CdTe/ 寶石)，PACE－II(HgCdTe/C dTe/GaAs)和PACE－III(HgCdTe/CdTe/Si)。日本和法國還報道Ge襯底，目標是與MCT的晶格 匹配並有利於與Si讀出線路的耦合。 
上等碲鎘汞材料製備困難、均勻性差、器件工藝特殊，成品率低，因而成本高一直是困擾碲鎘汞IRFPA的主要障礙。人們始終冇有放棄尋找材料的努力，但迄今還冇有一種新材料能超過碲鎘汞的基本優點。為滿足應用更高的性能要求，碲鎘汞FPA仍然是優選探測器。 
5　非致冷焦平麵陣列 (UFPA)紅外探測器　
非製冷焦平麵陣列省去了昂貴的低溫製冷係統和複雜的掃描裝置，敏感器件以熱探測器為主。突破了曆來熱像儀成本高昂的障礙，"使傳感器領域發生變革"。另外，它的可靠性也大大提高、維護簡單、工作壽命延長，因為低溫製冷係統和複雜掃描裝置常常是紅外係統的故障源。非致冷探測器的靈敏度(D）比低溫碲鎘汞要小1個量級以上，但是以大的焦平麵陣列來彌補，便可和**代MCT探測器爭雄。對許多應用，特彆是監視與夜視而言已經足夠。廣闊的準和民用市場更是它施展拳腳的領域。為避免大量投資，把矽集成電路工藝引入低成本、非製冷紅外探測器開發生產，製造大型高密度陣列和推進係統集成化的信號處理，即大規模焦平麵陣列技術，潛力十分巨大。正因為如此，單元性能較低的熱電探測器又重新引人注目，而且可能成為21世紀*具競爭力的探測器之一。目前發展*快、前景看好的有兩類UFPA： 
（1）熱釋電FPA。熱釋電探測器的研究早在60年代和70年代就頗為盛行，有過多種材料，較新型的有鈦酸鍶鋇(BST)陶瓷和鈦酸鈧鉛(PST)等。美國TI公司推出的328×240鈦酸鍶鋇(BST)FPA已形成產品，NETD優於0.1K，有多種應用。計劃中還有640×480的FPA，發展趨勢是將鐵電材料薄膜澱積於矽片上，製成單片式熱釋電焦平麵，有很高的潛在性能，可望實現1000×1000陣列的上等成像。 
(2)微測輻射熱計(Microbolometer)。它是在IC－CMOS矽片上以澱積技術，用Si3N4支撐有高電阻溫度係數和高電阻率的熱敏電阻材料VOx或α－Si，做成微橋結構器件(單片式FPA)。接收熱輻射引起溫度變化而改變阻值，直流耦合無須斬波器，僅需一半導體製冷器保持其穩定的工作溫度。90年代初，由Honeywell公司首先開發，研製成工作在8μm～14μm的320×240 UFPA，並以此製成實用的熱像係統，NETD已達到0.1K以下，可望在近期達到0.02K。此類FPA90年代發展神速，成為熱點。與熱釋電UFPA比較，微測輻射熱計采用矽集成工藝，製造成本低廉；有好的線性響應和高的動態範圍；像元間好的絕緣而有低的串音和圖像模糊；低的1/f噪聲；以及高的幀速和潛在高靈敏度(理論NETD可達0.01K)。其偏置功率受耗散功率限製和大的噪聲帶寬不足以與熱釋電相比。
6　紅外探測器技術的發展 
曆史上，紅外探測器的發展得益於戰爭尤其是二次大戰的刺激。隨後的冷戰時期，到現今的局部戰爭，人們不斷加深對紅外探測器重要性的認識。至今，應用仍占整個紅外敏感器市場的75%。更高的性能指標和降低成本對紅外技術提出了愈來愈高的要求。由於民用需求的急劇增長，應用的比例正在穩步減小。據美國市場調查，到2002年應用將下降到50%以下。今後焦平麵紅外圖像係統及傳感器的需求量會繼續增長，年增長率將達29%。應用中的商用成品有望每年增加15%。估計增長*快的將是非製冷焦平麵係統，年增長率將超過60%。2002年美國紅外技術市場將達到12億美元。據中國光學學會預測，今後 5年，我國熱像設備總數在4萬台左右，而年自產不足500台。所有這些，勢必使21世紀的紅外科學技術加速開拓前進，首先是紅外探測器技術的突飛猛進。