红外光电探测器发展动态.docx

红外光电探测器发展动态1红外光电探测器的的历史红外探测成像具有作用距离远、抗干扰性好、穿透烟尘雾霾能力强、可全天 候、全天时工作等优点在军用和民用领域都得到了极为广泛的应用按照探测过程 的物理机理，红外探测器可分为两类即热探测器和光电探测器光电探测器的工 作原理是目标红外辐射的光子流与探测器材料相互作用，并在灵敏区域产生内光 电效应因具有灵敏度高、响应速度快的优点，光电探测器在预警、精确制导、 火控和侦察等红外探测系统中得到广泛应用红外焦平面阵列可探测目标的红外辐射，通过光电转换、电信号处理等手段， 可将目标物体的温度分布图像转换成视频图像，是集光、机、电等尖端技术于一 体的红外光电探测器田目前许多国家，尤其是美国等西方军事发达国家，都花 费大量的人力、物力和财力进行此方面的研究与开发，并获得了成功红外光电 探测器研究从第一代开始至今已有40余年历史，按照其特点可分为三代第一代 (1970s〜1980s)主要是以单元、多元器件进行光机串/并扫描成像，以及以4X 288为代表的时间延迟积分(TDI，time delay integration)类扫描型(scanning) 红外焦平面列阵。

单元、多元探测器扫描成像需要复杂笨重的二维、一维扫描系 统结构，且灵敏度低第二代红外光电探测器是小、中规格的凝视型(staring) 红外焦平面列阵MXN凝视型红外焦平面探测元数从1元、N元变成MXN元，灵敏 度也分别从l与增长 倍和而且，大规模凝视焦平面阵列，不再需要光 机扫描，大大简化整机系统目前，正在发展第三代红外光电探测器探测器具有大面阵、小型化、低成 本、双色(two-color)与多色(multi-color) ＞智能型系统级灵巧芯片等特点，并 集成有高性能数字信号处理功能，可实现单片多波段融合高分辨率探测与识别 因此，本文将重点综述三代红外光电探测器的材料体系及其研究现状，并分析未 来红外光电探测器的材料选择及发展趋势2三代探测器的材料体系与发展现状红外光电探测器的材料很多，但真正适于发展三代红外光电探测器，即响应 波段灵活可调的双色与多色红外焦平面列阵器件的材料则很少目前，主要有传 统的HgCdTe和QWIPs，以及新型的二类SLs和QDIPs，共四个材料体系作为长波 红外(LWIR)，特别是双色与多色红外的光电探测材料，它们的主要特性如表1所 示下面对三代红外光电探测器的四个材料体系及其各自的发展现状进行简单地 介绍。

表1 HgCdTe. 二类超晶格和量子阱作为长波红外探测材料的主要特性HgCiTkQwirsType- S SLb吸收暮式直搓正人射直接正氏射光谓响成竟谱甄谐■子效率加30强「血眠1格产生寿命■ 10 pc—0. 1 p*（A.l = 1的）戒 flcm5l（M flnDr2k10i!M岬,TOTS2. 1 HgCdTe材料及其三代红外探测器HgCdTe红外光电探测器现已广泛应用于预警卫星、侦察、制导、遥感和天文 等领域由于，HgCdTe外延薄膜生长技术已趋于成熟，用分子束外延(MBE)或金 属有机化合物气相沉积(MOVPE)等技术可以制备多层或更加复杂的器件结构，能 获得适于三代双色、多色红外光电探测器发展需要的HgCdTe多层异质结材料国际上知名研究机构有美国DRS、Raytheon、法国Sofradir、英国SELEx和德 国AIM等，己研制、生产的高水平商用碲镉汞红外焦平面探测器有:长波640X480、 中波2048X2048、短波4096X4096、双色/双波段1280X720表2是美国 Raytlleon、法国Sofradir和英国SELEx公司报道的相同像素规格、响应波段与像 元尺寸的单色和双色红外光电探测器性能情况。

表2双色HgCdT e红外焦平面探测器性能表波段/fjjni工怔1檀Jti 参数公司 (BVS)20MBE的Si(CZT)基响脱序积时诙部有敕傅正 率大于％集, 核物大于60 lb狩别为SSnilt 与找一自mKX承时LETT 稀S^radirwwxmw3.4-4.2/+.4 a64)甘4船卜MBE的CZT基 晴薛不 薄履时间同步.空 同怅催先(S用有 小干］一5果. NEID小于 20 HeL>99 5&MW/LW3 -5/另一 IMQkW24光谐畛音 小于1普. NETO小于 30 W KO Tfc),英国 5ELEXMTV/LW上-S/8 -wMOL外延的CaAa 基魔序租时读m9.5^6/2.3d6,NE*ro; 中载］*mK.最近，英国SELEx公司报道了硅基HgCdTe双色探测器和砷化镓基HgCdTe三色 红外光电探测器的研究进展硅基HgCdTe双色探测器规模为320X256,中波与长 波截止波长为 5,噪声等效温差(NETD)分别为16. 6 mK/32. 8 mK,有效像元率分别为99. 4%/98. 2%三色红外光电探测器是由采用MOVPE在砷化镓 (GaAs)衬底上生长的N-P-P一p—n型多层异质结HgcdTe薄膜材料，通过微台面列 阵隔离、表面钝化与金属化层制作以及铟柱列阵制备来获得的。

三色红外光电探 测器是在两个背靠背光电二极管的双色红外光电探测器的中间势垒区增加一个 响应居中波段(IM, intermediate wavelength)的有源区短波、长波工作是其 相应光电二极管在小反偏下来实现的当电子势垒在短波光电二极管大反偏下被 降低时，IM有源区光生少数载流子能从IM有源区注入到短波光电二极管，从而实 现居中波段工作，进而实现红外光电探测器的三色探测HgCdTe三色红外光电探 测器的性能，与两个背靠背光电二极管中间势垒区的掺杂浓度水平，以及势垒和 短波光电二极管结区之间相对位置有密切的关系目前，MOVPE、分子束外延(MBE) 可精确控制纵向的组分变化、原位掺杂浓度以及各种过渡区相对位置，能实现三 色、四色探测的HgCdTe多层异质结材料生长2. 2 QWIPs材料及其三代红外探测QWIPS利用量子阱中能级电子跃迁原理实现目标的红外辐射探测，其探测波 长可覆盖6—20um由于材料和器件工艺成熟、产量高、成本低，经过近15年的 快速发展，已成为长波致冷型红外焦平面器件的两大主要分支之一基于“能带 工程”和“波函数工程”获得的量子阱材料，能级结构可“柔性裁减”的Q WPS 非常适合于发展双色、多色的红外焦平面列阵器件。

目前，美国和英、法、德、 瑞典等欧洲发达国家已研制出全电视制式的640X512(包含640X480)长波红外 焦平面器件和中等规模的320X240(包含256X256, 384X288格式)双色器件产品 美国NAsA / ARL联合研制的大面阵1024X 1024长波红外焦平面和NASA / JPL研制 的1024X1024双色、640X512四色红外焦平面，代表了当前GaAs / A1. GaAs量子 阱红外探测器的最高研究水平2009年，美国国家航空航天局(NASA)下属的喷气推进实验室(JPL，Jet Pmpulsion Laboratory)，报道了 1024X1024规格、30um像元的中波/长波双色红 外焦平面列阵的性能，技术参数是在68 K制冷、f/2视场角和300 K背景下获得的 MWIR和LWIR的响应波段分别为3. 5—5. 5um和6. 5—9. Oum，噪声等效温差(NETD) 分别为27 mK和40 mK，有效像元率分别为99%和97. 5%2002年，喷气推进实验室(JPL)研制出640X512四色焦平面，探测波段分别 位于4—6um、8. 5—10um、10〜12um和13—15um。

每个像元内的四色探测在空间 上是横向错位排列的四个波段背景限温度分别为40 K，50 K，60 K，120K(f/5 朋视场角、300 K背景)，NETD分别为21. 4 mK，45. 2 mK，13. 5 mK，44. 6 mK(40 K)2. 3二类sLs材料及其三代红外探测器InAs / GaSb二类SLS红外光电探测器具有一些独特的优点，是HgCdTe和GaAs / AlGaAs量子阱材料之外的新一代红外探测器材料，也是近年来颇受关注的面向 第三代焦平面器件技术的发展方向之一首先，通过调节二类SLS中InAs势阱的 宽度或采用GaInSb势垒能控制二类SLS结构的有效带隙，红外探测器响应波长能 覆盖3—20um整个范围其次，InAs/GaSb二类SLS对红外辐射的吸收是基于重空 穴子带至电子子带的跃迁，即带间子带跃迁，探测器无需光栅耦合就能工作，在 大大降低了器件制备的难度同时又提高了探测器的量子效率并且带间子带跃迁 也决定了InAs / GaSb二类SLS红外光电探测器是光伏型探测器，无需外加大的偏 压最后，通过降低InAs/GaSb二类SLS红外光电探测器的暗电流，可提高探测 器的工作温度和灵敏度，同时可以利用III—V族半导体材料较为成熟的材料技术 和器件工艺，能降低红外光电探测器的成本。

二类SLs探测材料具有响应波长可 调节的优点，也非常适合于发展双色、多色的红外焦平面列阵器件光伏型二类SLS红外光电探测器具有很高的量子效率，可以减少积分时间 例如，德国Fraunhofer应用物理研究所研制的256X256中波二类SLs红外光电探 测器，5 ms积分时间时NETD为11. 1mK，而积分时间为1ms时NETD也能达到25 mK 320X256规格、30um像元的长波二类SLS红外光电探测器，0. 23 ms积分时间时 NETD为33 mK(f/2视场角、300 K背景)这些技术参数性能基本达到HgCdTe的水 平最近，雷声公司和JPL实验室获得了640X512规格的二类SLs中波红外焦平面 探测器2009年，报道了384X288规格、40um像元的InAs / Gasb二类SLS双色红外焦 平面探测器两个波段NETD分别为29. 5mK(3. 4um—4. 1um)和16. 5mK(4. 1um〜 5. 1um)(73 K制冷、2. 8 ms积分时间、f/2视场角和300 K背景)2. 4 QDIPs 材料及其三代红外探测器量子点又称“人造原子”，目前量子点作为提高电子与光电子器件性能的一 种手段，已经被广泛应用。

量子点的尺寸很小，通常只有10 nm，因此其具有独 特的三维光学限制特性与量子阱红外光电探测器相比，量子点红外光电探测器 具有无需制作表面光栅就能响应垂直入射的红外光照射，以及工作温度更高等优 势目前，量子点红外光电探测器的研究主要集中于在量子阱中嵌入量子点 (DWELL，dot—in—a-well)的异质结构因此，DWELL异质结构的红外探测器兼 备了传统QWIPs和QDIPs的特点一方面，与量子点红外光电探测器一样，在正入 射时不需要光栅或光耦合，并具有较高的工作温度另一方面，可以通过共同控 制QDs(Quantum Dots)尺寸、形状、应变和材料组分，以及QWs(Quantum Wells) 尺寸来灵活调节DWELL异质结构红外光电探测器的响应波长而且，QDIPs器件的 光谱响应波段具有偏压选择特性，可在MWIR、LWIR以及甚长红外波段(VL-WIR，＞14um)的光谱范围内实现双色、多色探测，非常适合于发展三代以及 未来新一代红外光电探测器最近，报道的640X512规格、8. 1um截止波长的DWELL结构光电。