1、前言

所有物體均發(fā)射與其溫度和特性相關(guān)的熱輻射，環(huán)境溫度附近物體的熱輻射大多位于紅外波段。紅外輻射占據(jù)相當(dāng)寬的電磁波段(0.8μm～1000μm)?？芍?，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(biāo)。

將不可見的紅外輻射轉(zhuǎn)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系統(tǒng)的核心關(guān)鍵部件，探測、識別和分析紅外信息并加以控制。

熱成像是紅外技術(shù)的一個重要方面，得到了廣泛應(yīng)用，首要的當(dāng)屬軍事應(yīng)用。反之，由于應(yīng)用的驅(qū)使，紅外探測器的研究、開發(fā)乃至生產(chǎn)，越來越受重視而得以長足發(fā)展。

1800年Herschel 發(fā)現(xiàn)太陽光譜中的紅外線用的涂黑水銀溫度計為

早的紅外探測器，此后，尤其是二次大戰(zhàn)以來，不斷出現(xiàn)新器件?，F(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進展提供紅外探測器研制的廣闊天地，高性能新型探測器層出不窮。今天的探測器制備已成為涉及物理、材料等基礎(chǔ)科學(xué)和光、機、微電子和計算機等多領(lǐng)域的綜合科學(xué)技術(shù)。

2、物理學(xué)的進展是紅外探測器的基礎(chǔ)

紅外輻射與物質(zhì)(材料)相互作用產(chǎn)生各種效應(yīng)。100多年來，從經(jīng)典物理到20世紀開創(chuàng)的近代物理，特別是量子力學(xué)、半導(dǎo)體物理等學(xué)科的創(chuàng)立，到現(xiàn)代的介觀物理、低維結(jié)構(gòu)物理等等，有許多而且越來越多可用于紅外探測的物理現(xiàn)象和效應(yīng)。

2.1熱探測器：

熱輻射引起材料溫度變化產(chǎn)生可度量的輸出。有多種熱效應(yīng)可用于紅外探測器。

(1)熱脹冷縮效應(yīng)的液態(tài)的水銀溫度計、氣態(tài)的高萊池(Golay cell);

(2)溫差電(Seebeck)效應(yīng)?？勺龀蔁犭娕己蜔犭姸?，主要用于測量儀器。

(3)共振頻率對溫度的敏感可制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(shù)的熱敏效應(yīng)--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(dǎo)體有高的溫度系數(shù)而應(yīng)用多，常稱 " 熱敏電阻"。利用轉(zhuǎn)變溫度附近電阻巨變的超導(dǎo)探測器引起重視。如果室溫度超導(dǎo)成為現(xiàn)實，將是21世紀引人注目的探測器。

(5)熱釋電效應(yīng)：快速溫度變化使晶體自發(fā)極化強度改變，表面電荷發(fā)生變化，可作成熱釋電探測器。 熱探測器一般不需致冷( 超導(dǎo)除外 )而易于使用、維護，可靠性好；光譜響應(yīng)與波長無關(guān)，為無選擇性探測器；制備工藝相對簡易，成本較低。但靈敏度低，響應(yīng)速度慢。熱探測器性能限制的主要因素是熱絕緣的設(shè)計問題。

2.2光電探測器：

紅外輻射光子在半導(dǎo)體材料中激發(fā)非平衡載流子(電子或空穴)，引起電學(xué)性能變化。因為載流子不逸出體外，所以稱內(nèi)光電效應(yīng)。量子光電效應(yīng)靈敏度高，響應(yīng)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(dǎo)型：又稱光敏電阻。入射光子激發(fā)均勻半導(dǎo)體中的價帶電子越過禁帶進入導(dǎo)帶并在價帶留下空穴，引起電導(dǎo)增加，為本征光電導(dǎo)。從禁帶中的雜質(zhì)能級也可激發(fā)光生載流子進入導(dǎo)帶或價帶，為雜質(zhì)光電導(dǎo)。截止波長由雜質(zhì)電離能決定。量子效率低于本征光導(dǎo)，而且要求更低的工作溫度。

(2)光伏型：主要是p－n結(jié)的光生伏*應(yīng)。能量大于禁帶寬度的紅外光子在結(jié)區(qū)及其附近激發(fā)電子空穴對。存在的結(jié)電場使空穴進入p區(qū)，電子進入 n 區(qū)，兩部分出現(xiàn)電位差。外電路就有電壓或電流信號。與光導(dǎo)探測器比較，光伏探測器背影限探測率大于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。這些特性給制備和使用焦平面陣列帶來很大好處。

(3)光發(fā)射－Schottky勢壘探測器：金屬和半導(dǎo)體接觸，典型的有PtSi/Si結(jié)構(gòu)，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(shù)，便于制作，具有成本低、均勻性好等優(yōu)勢，可做成大規(guī)模(1024×1024甚至更大)焦平面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(nèi)外已生產(chǎn)出具有像質(zhì)良好的熱像儀。Pt Si/Si結(jié)構(gòu)FPA是早制成的IRFPA。

(4)量子阱探測器(QWIP)：將兩種半導(dǎo)體材料A和B用人工方法薄層交替生長形成超晶格，在其界面，能帶有突變。電子和空穴被限制在低勢能阱A層內(nèi)，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(fā)展很快，已有512×512、64 0×480規(guī)模的QWIP GaAs/AlGaAs焦平面制成相應(yīng)的熱像儀誕生。因為入射輻射中只有垂直于超晶格生長面的電極化矢量起作用，光子利用率低；量子阱中基態(tài)電子濃度受摻雜限制，量子效率不高；響應(yīng)光譜區(qū)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(shù)飛速發(fā)展促進紅外探測器更新?lián)Q代

60年代以前多為單元探測器掃描成像，但靈敏度低，二維掃描系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)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(shù)增加還將簡化光機掃描機構(gòu)，大規(guī)模凝視焦平面陣列，不再需要光機掃描，大大簡化整機系統(tǒng)?，F(xiàn)代探測器技術(shù)進入第二、第三代，重要標(biāo)志之一就是元數(shù)大大增加。另一方面是開發(fā)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(shù)特別是半導(dǎo)體技術(shù)的開發(fā)和進步。幾項具有里程碑意義的技術(shù)有：

(1)半導(dǎo)體精密光刻技術(shù) 使探測器技術(shù)由單元向多元線列探測器迅速發(fā)展，即后來稱為一代探測器。

(2)Si集成電路技術(shù) Si讀出電路與光敏元大面陣耦合，誕生了所謂第二代的大規(guī)模紅外焦平面陣列探測器 。更進一步有Z平面和靈巧型智能探測器等新品種。此項技術(shù)還誘導(dǎo)產(chǎn)生非制冷焦平面陣列 ，使一度冷落的熱探測器重現(xiàn)勃勃生機。

(3)先進的薄層材料生長技術(shù) 分子束外延、金屬有機化學(xué)汽相淀積和液相外延等技術(shù)可重復(fù)、精密控制生長大面積高度均勻材料，使制備大規(guī)模紅外焦平面陣列成為可能。也是量子阱探測器出現(xiàn)的前提。

(4)微型制冷技術(shù) 高性能探測器低溫要求驅(qū)動微型制冷機的開發(fā)，制冷技術(shù)又促進了探測器的研制和應(yīng)用。

我國紅外探測器研制從1958年開始，至今已40多年。先后研制過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(xiàn)，納米電子學(xué)、光電一體化等技術(shù)日新月異，21世紀紅外探測器必有革命性的進展。物理學(xué)及材料科學(xué)是現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展的主要基礎(chǔ)，現(xiàn)代技術(shù)飛速發(fā)展對物理學(xué)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等首先制成可變帶隙Hg1－xCdxTe固溶體合金，提供了紅外探測器設(shè)計*的自由度。

碲鎘汞有三大優(yōu)勢：

1）本征激發(fā)、高的吸收系數(shù)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(diào)節(jié)響應(yīng)波段，可以工作在各個紅外光譜區(qū)段并獲得佳性能。而且晶格參數(shù)幾乎恒定不變，對制備復(fù)合禁帶異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)新器件特別重要

3）同樣的響應(yīng)波段，工作溫度較高，可工作的溫度范圍也較寬。

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，并可完成轉(zhuǎn)型。其電學(xué)性質(zhì)如1載流子濃度低，2少數(shù)載流子壽命長，3電子空穴有效質(zhì)量比大(～10.0），電子遷移率高，4介電常數(shù)小等有利于探測器性能。

一代碲鎘汞探測器主要是多元光導(dǎo)型，美國采用60、120和180元光導(dǎo)探測器作為熱像儀通用組件，英國則以70年代中期開發(fā)的SPRITE為通用組件。SPRITE是一種三電極光導(dǎo)器件，利用半導(dǎo)體中非平衡載流子掃出效應(yīng)，當(dāng)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(xiàn)信號的時間延遲積分功能。8條SPRIET的性能可相當(dāng)100元以上的多元探測器。結(jié)構(gòu)、制備工藝和后續(xù)電子學(xué)大大簡化?，F(xiàn)有技術(shù)又克服了高光機掃描速度和空間分辨率受限制等兩個缺陷。

1992年誕生了一臺國產(chǎn)化通用組件高性能熱像儀，SPRITE探測器研制成功是關(guān)鍵。到90年代初，一代碲鎘汞光導(dǎo)探測器紛紛完成技術(shù)鑒定，性能達到世界水平。

兵器工業(yè)211所的SPRITE、32和60元探測器已實用化并投入批量生產(chǎn)，規(guī)模和市場不斷擴大。國外在80年代就已大批量生產(chǎn)。由于電極、杜瓦瓶設(shè)計和制冷機方面的重重困難，一代碲鎘汞探測器元數(shù)一般無法超過200。大的碲鎘汞光敏陣列和Si讀出集成電路分別制備并佳化，然后兩者進行電學(xué)耦合和機械聯(lián)結(jié)形成混合式焦平面陣列，就是第二代碲鎘汞探測器。

目前上已研制出256×256甚至640×480規(guī)模的長波IRFPA。中波紅外已有用于天文的1024×1024的規(guī)模，現(xiàn)階段典型產(chǎn)品是法國的4N系列288×4掃描式FPA。國內(nèi)仍處于研制開發(fā)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）高Hg壓使大直徑晶體生長困難，晶格結(jié)構(gòu)完整性差；
3）重復(fù)生產(chǎn)成品率低。薄膜材料的困難在于難以獲得理想的CdZnTe襯底材料。

人們致力于研究替代襯底，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(biāo)是與MCT的晶格 匹配并有利于與Si讀出線路的耦合。 優(yōu)質(zhì)碲鎘汞材料制備困難、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。人們始終沒有放棄尋找材料的努力，但迄今還沒有一種新材料能超過碲鎘汞的基本優(yōu)點。為滿足軍事應(yīng)用更高的性能要求，碲鎘汞FPA仍然是首探測器。

5、非致冷焦平面陣列 (UFPA)紅外探測器

非制冷焦平面陣列省去了昂貴的低溫制冷系統(tǒng)和復(fù)雜的掃描裝置，敏感器件以熱探測器為主。突破了歷來熱像儀成本高昂的障礙，"使傳感器領(lǐng)域發(fā)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，因為低溫制冷系統(tǒng)和復(fù)雜掃描裝置常常是紅外系統(tǒng)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，但是以大的焦平面陣列來彌補，便可和一代MCT探測器爭雄。對許多應(yīng)用，特別是監(jiān)視與夜視而言已經(jīng)足夠。廣闊的準(zhǔn)軍事和民用市場更是它施展拳腳的領(lǐng)域。為避免大量投資，把硅集成電路工藝引入低成本、非制冷紅外探測器開發(fā)生產(chǎn)，制造大型高密度陣列和推進系統(tǒng)集成化的信號處理，即大規(guī)模焦平面陣列技術(shù)，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(fā)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(chǎn)品，NETD優(yōu)于0.1K，有多種應(yīng)用。計劃中還有640×480的FPA，發(fā)展趨勢是將鐵電材料薄膜淀積于硅片上，制成單片式熱釋電焦平面，有很高的潛在性能，可望實現(xiàn)1000×1000陣列的優(yōu)質(zhì)成像。

(2)微測輻射熱計(Microbolometer)。它是在IC－CMOS硅片上以淀積技術(shù)，用Si3N4支撐有高電阻溫度系數(shù)和高電阻率的熱敏電阻材料Vox或α－Si，做成微橋結(jié)構(gòu)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(dǎo)體制冷器保持其穩(wěn)定的工作溫度。90年代初，由Honeywell公司首先開發(fā)，研制成工作在8μm～14μm的320×240 UFPA，并以此制成實用的熱像系統(tǒng)，NETD已達到0.1K以下，可望在近期達到0.02K。此類FPA90年代發(fā)展神速，成為熱點。與熱釋電UFPA比較，微測輻射熱計采用硅集成工藝，制造成本低廉；有好的線性響應(yīng)和高的動態(tài)范圍；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制和大的噪聲帶寬不足以與熱釋電相比。

6、紅外探測器技術(shù)的發(fā)展

歷*，紅外探測器的發(fā)展得益于戰(zhàn)爭尤其是二次大戰(zhàn)的刺激。隨后的冷戰(zhàn)時期，到現(xiàn)今的局部戰(zhàn)爭，人們不斷加深對紅外探測器重要性的認識。至今，軍事應(yīng)用仍占整個紅外敏感器市場的75%。更高的性能指標(biāo)和降低成本對紅外技術(shù)提出了愈來愈高的要求。由于民用需求的急劇增長，軍事應(yīng)用的比例正在穩(wěn)步減小。據(jù)美國市場調(diào)查，到2002年軍事應(yīng)用將下降到50%以下。今后焦平面紅外圖像系統(tǒng)及傳感器的需求量會繼續(xù)增長，年增長率將達29%。軍事應(yīng)用中的商用成品有望每年增加15%。估計增長快的將是非制冷焦平面系統(tǒng)，年增長率將超過60%。2002年美國紅外技術(shù)市場將達到12億美元。據(jù)中國光學(xué)學(xué)會預(yù)測，今后 5年，我國熱像設(shè)備總數(shù)在4萬臺左右，而年自產(chǎn)不足500臺。所有這些，勢必使21世紀的紅外科學(xué)技術(shù)加速開拓前進，首先是紅外探測器技術(shù)的突飛猛進。