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(jī)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(jìn)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(jī),、微電子和計算機(jī)等多領(lǐng)域的綜合科學(xué)技術(shù),。

2、物理學(xué)的進(jìn)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(jì)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(jì)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(qiáng)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(hù),，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(dá)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(jìn)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(jìn)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(jìn)入p區(qū)，電子進(jìn)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(fù)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(jìn)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(bǔ)量子效率低的缺陷,。有嚴(yán)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(jìn),，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(jìn)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(jī)掃描機(jī)構(gòu),，大規(guī)模凝視焦平面陣列，不再需要光機(jī)掃描,，大大簡化整機(jī)系統(tǒng)?，F(xiàn)代探測器技術(shù)進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jī),。

(3)先進(jìn)的薄層材料生長技術(shù) 分子束外延、金屬有機(jī)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(jī)的開發(fā),，制冷技術(shù)又促進(jìn)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(jì)紅外探測器必有革命性的進(jìn)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(jī)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(dá)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(kuò)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(jī)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(jìn)行電學(xué)耦合和機(jī)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(hù)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(bǔ)，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(jìn)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(jì)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(dá)到0.1K以下,，可望在近期達(dá)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(dá)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(rèn)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(dá)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(dá)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(jì)的紅外科學(xué)技術(shù)加速開拓前進(jìn)，首先是紅外探測器技術(shù)的突飛猛進(jìn),。