1、紅外探測器技術發展 袁 繼 俊 （華北光電技術研究所，北京100015） 主要討論的幾個問題 1、紅外探測器從分立型器件到焦平面陣列 2、探測器“代”的劃分問題 3、HgCdTe和 AlGaAs/GaAs的比較 4、超晶格結構材料 5、焦平面陣列關鍵技術 6、應該大力發展成像傳感器 1、引言 紅外探測技術是信息獲取的主要手段之一，紅外系統的核心是紅外探測器； 單元、多元線列和小規模面陣器件技術已經成熟， 已經由分立型器件發展為集成化的焦平面陣列； 紅外器件水平的提高和新一代器件的出現，就會使紅外整機性能大幅提升甚至更新換代，所以有“一代器件、一代整機、一代裝備”之說。2、從分立器件到焦平面陣列

2、分立型紅外探測器，系指器件單獨封裝實現光電轉換功能，每個探測器元單獨輸出信號，再與前放等信號處理電路相連，每個器件都形成一個單獨的信號通道，其結構如圖1所示。圖1 分立型器件信號輸出與前放連接示意圖 紅外焦平面陣列（IRFPA） 系指大規模MN（元）面陣型或4N或6N（元）型探測器芯片與信號處理電路芯片集成互連耦合后，共同封裝在一個外殼中，在焦平面上實現光電轉換和信號處理，將各元件的光電信號多路傳輸至一條或幾條輸出線，以行轉移或幀轉移的視頻信號的形式輸出，探測器結構大大簡化，包括電源線、驅動電路和信號輸出等全部引出線大約只須條。其結構1如圖2所示。 a.) In柱碰焊和環孔焦平面陣列 b) 焦

3、平面陣列的探測器和處理電路 圖2 焦平面信號輸出示意圖與分立型器件相比，紅外焦平面陣列的元數可以提高幾個數量級，擴展到材料和工藝技術允許的規模。紅外焦平面陣列從結構、制造、檢測到性能都發生了質的變化，是新一代紅外探測器。3、熱探測器與非制冷焦平面陣列熱型探測器接收紅外輻射后，引起靈敏元溫度變化而產生信號，對不同波長輻射能量的響應是相同的，即對波長無選擇性，在室溫工作；與光子型探測器相比，其靈敏度低、響應時間偏長。通常認為響應時間比較快的熱電（pyroelectric）探測器，其響應時間也在毫秒量級，探測率為108量級,因此分立式熱型探測器無法用于掃描成像，非制冷面陣紅外焦平面陣列只能凝視成像使

4、用。 熱型探測器用于凝視成像 用可以和電視兼容的每秒25幀成像為例,每幀時間為40ms,對于時間常數為毫秒級的熱型探測器來說,凝視成像要求的時間常數已不成問題。非制冷紅外焦平面陣列目前已達640480元，應用最多的是160120元、320240元器件。其功能材料主要有：測輻射熱計型的無定型硅（a-Si）、氧化釩(VOx)和熱電型的鋯鈦酸鉛（PZT）、鈦酸鍶鋇（BST）、旦酸鈧鉛（PST）等。目前非制冷焦平面熱像儀的NETD可達0.1,能滿足一般工業需要和部分中低端軍用需要。 4、光子探測器及其焦平面陣列紅外光子探測器一般由半導體材料制成， 針對應用最廣的三個大氣透過窗口，發展了13m的短波紅外

5、(SWIR)、35m的中波紅外(MWIR)和814m的長波紅外(LWIR)的探測器。光子探測器靈敏度高，響應快，但大多在低溫工作，需要制冷。常用分立式光子探測器如表1所示。表1 對應三個大氣透過窗口的常用分立式光子探測器 光譜響應范圍 13m 35m 814m光導型探測器 PbS, PbSe,InSb, HgCdTe HgCdTe,Ge:Hg,Si:X光伏型探測器 HgCdTe, InSb,HgCdTe HgCdTe InGaAs/GaAlAs表2 對應三個大氣透過窗口的常用焦平面陣列光譜響應范圍 13m 35m 814m焦平面陣列 HgCdTe, InSb,HgCdTe, PtSi HgCd

6、Te,AlGaAs/GaAs InGaAs/GaAlAs 結構形式 4N,凝視; 4N,凝視; 凝視; 4N,凝視; 凝視非制冷型 a-Si，VOx，PE, 凝視 應當說明，表中InGaAs/GaAlAs 是響應在0.91.7um的短波焦平面陣列，此波段一般目標自發輻射較弱，但有成熟的激光光源，主要用于主動探測，近年引起廣泛關注。 PtSi肖特基勢壘型和AlGaAs/GaAs多量子阱 其分立器件，與已成熟的InSb、HgCdTe相比，性能明顯不足，基本不用作分立式器件使用，如PtSi的量子效率約為百分之一，AlGaAs/GaAs的光譜響應帶寬約為1m。但由于其外延方法生長的材料，可以面積大、均

7、勻性好、便于制作集成器件，特別是便于與Si信號處理電路工藝兼容或互連耦合，用于焦平面陣列工作時，元數多、積分時間長、可生產性好，其性能潛力得到充分發揮，成為很有前景的焦平面陣列，可以說是集成化的焦平面技術使它們充分發揮出潛在的性能優勢。如PtSi焦平面陣列，其光電轉換和信號處理芯片可以制作在同一Si片上（單片集成），工藝兼容，目前已達512512、10241024元陣列規模。 5、三代紅外探測器典型規模2 目前，紅外探測器通常被分為三代1。第一代以分立型為主，元數在103元以下，有線列和小面陣結構，其代表產品有：美國的60元、120元、180元光導HgCdTe器件；法國511元光伏HgCdTe

8、器件；英國4條（或8條）掃積型HgCdTe器件等 第二代為掃描型和凝視型焦平面結構，在美國出現LADA（、）型陣列應用的基礎上發展起來的焦平面陣列，規模在103106元，其代表產品有：4240元、4（）480元HgCdTe和256256元、320240元InSb、HgCdTe 等 。 第三代以凝視型為主，規模在106元以上，且強調雙波長（雙色）或多波長（多色）響應，更強的智能化邏輯處理功能，以及價格較低的非制冷焦平面陣列等。6、長波多量子阱AlGaAs/GaAs與HgCdTe焦平面陣列性能的比較 1991年已經出現了AlGaAs/GaAs 多量子阱（MQW）材料制成的128128元混合式IRF

9、PA。有其特色，由噪聲特性測量結果看出，1/f噪聲很低，適宜制成凝視IRFPA。 這種器件的均勻性好，動態范圍大，可達80dB以上。 表4、70K時HgCdTe和QWIP兩種器件基本性能比較 參數 HgCdTe QWIP(n型)紅外吸收 垂直入射 Eoptical垂直無吸收量子效率 70% 10%光譜靈敏度 寬波段 窄波（FWHM1m）增益 1 0.4（3050個阱）熱產生時間 1s 10psR0A（c =10m） 800cm2 104 cm2 D*（c=10m，FOV=0）21010cmHz1/2W-1 21010cmHz1/2W-1 QWIP的主要優點 材料穩定性好、抗輻射能力強、均勻性好

10、，易制作大規模陣列、雙色和多色器件，可生產性好，生產成本方面具有潛在優勢。主要不足是量子效率低， 暗電流隨溫度變化較大，因此在低溫下性能較好，適宜于低背景條件下工作，需要更低的工作溫度（例如截止波長10m時工作溫度77K；要得到等效性能，截止波長15m時需要55K；截止波長19m時需要35K），高性能器件需要長積分時間。 HgCdTe探測器的特點 本征光子吸收 ，有很高的量子效率，光生載流子壽命比量子阱紅外探測器子帶躍遷激發的要高約三個量級，因此具有好的性能和高響應率,工作溫度相對較高，各種應用已較成熟。其相對不足是材料穩定性、耐輻射特性和均勻性，規模進一步作大可能會遇到技術上的困難。但研究工

11、作是無止境的，目前，在Si基上通過多層緩沖過渡材料外延，生長CdZnTe外延襯底層，外延生長大面積HgCdTe材料，以期研制大面陣HgCdTe焦平面陣列，克服HgCdTe制作大面陣的困難；并且用HgCdTe研制雙色和三色焦平面陣列的工作也已經取得了很大的進展。 HgCdTe與QWIP的比較 不能簡單否定或肯定哪一種，目前兩者均應重視發展，特別是目前應用需要的器件仍應以發展HgCdTe FPA為重點，用于第三代的研究正在取得進展；QWIP可以作為發展第三代 IRFPA的重點方向之一。此外，也正在研究利用類與類的超晶格材料，研制長波紅外探測器并已取得了進展。7、超晶格結構與能帶工程（人工剪裁帶隙)

12、超晶格（superlattier)由兩種不同的半導體超薄層材料交替排列而成。ABAB.例如GaInSb/InAs超晶格材料可用于812um器件。 超晶格分類1、組分超晶格：如 InAs/GaInSb2、摻雜超晶格：n-Si 與p-Si 另外，根據兩層材料內能帶的相互位置，超晶格又分為I、II、III類。 I 類 A帶隙完全落在B帶隙內; II類 A,B材料的帶隙相互錯開; III類 其中一種是零帶隙,其導帶邊位于另一材料的價帶邊之下.此外還有應變層超晶格。 超晶格材料的出現，揭開了研制人工探測材料的序幕。8、紅外FPA關鍵技術:1、功能材料生長技術。 高純元素材料（個、個） 大直徑襯底材料及過

13、渡層生長 大面積、高均勻、低缺陷密度外延簿膜（36x38cm2），外延材料 生長主要有 LPE MBE MOCVD 2、高密度、大面陣IRFPA制備技術 元件面積20 x28um、間距20um、104106元 In柱生長和倒裝焊（回熔焊） 鈍化隔離和組裝紅外FPA關鍵技術: 3、信號處理(Si)電路設計、制備 元件密度大、尺寸小、功能強 低溫（77K）工作、高性能 4、紅外器件的均勻性、一致性(均勻性校 正） 5、微杜瓦長期（10年以上）真空保持 6、現代設計制造技術9、由組件到成像傳感器 適應各種紅外成像整機系統的共同需要,可以把紅外成像頭，單獨制作成通用的、標準化的、模塊化的、可以MEMS

14、加工組裝的熱成像頭，稱為成像傳感器，或熱成像組件。實際上，這不只是推廣應用的需求，也是技術發展的必然趨勢。紅外成像傳感器包括紅外焦平面陣列器件、光學系統、掃描器（凝視型無）、制冷器（非制冷型無）、不均勻性校正、信號處理讀出電路等。從目標圖像攝取、轉換至視頻輸出，帶有CCIR模擬輸出或數字視頻信號輸出的標準接口，它實際上是具有完整獨立功能的紅外攝像頭。 成像傳感器 它是在在充分了解紅外焦平面陣列性能和特點的基礎上，圍繞充分發揮探測器性能潛力，進行個性化專業化設計，針對不同器件性能差異，選取和調整光學系統、掃描機構、不均勻性校正、信號處理讀出電路等相關配套部件，使其相互配合最優化；能擇優解決軍用光電武器系統對紅外熱像儀的空間分辯率、溫度靈敏度、幀頻、視場等方面相互矛盾的性能要求；以結構緊湊、功能齊全、可靠性好、性價比高的完整功能的標準化、通用組件形式提供用戶。用戶只需根據不同任務需要，加上望遠鏡系統和圖像、信號處理軟件與輸出顯示系統，就可以完成各種不同功能，可廣泛用于精密跟瞄、火控制導、偵察告警、預警監視等各種武器系統和車載、艦載、星載等各種軍事平臺，更好滿足不同應用對高性能紅外成像的需要，使系統發揮出最好性能，為用戶使用提供極大方便。10、結束語“一代”器件不能丟，技術成熟，批量生產，大量應用。“二代”焦平面陣列是當前研究開發重點：實用