紅外光電探測器發(fā)展動態(tài)

1、紅外光電探測器發(fā)展動態(tài)1 紅外光電探測器的的歷史紅外探測成像具有作用距離遠、抗干擾性好、穿透煙塵霧霾能力強、可全天候、全天時工作等優(yōu)點在軍用和民用領域都得到了極為廣泛的應用按照探測過程的物理機理，紅外探測器可分為兩類即熱探測器和光電探測器。光電探測器的工作原理是目標紅外輻射的光子流與探測器材料相互作用，并在靈敏區(qū)域產生內光電效應。因具有靈敏度高、響應速度快的優(yōu)點，光電探測器在預警、精確制導、火控和偵察等紅外探測系統中得到廣泛應用。紅外焦平面陣列可探測目標的紅外輻射，通過光電轉換、電信號處理等手段，可將目標物體的溫度分布圖像轉換成視頻圖像，是集光、機、電等尖端技術于一體的紅外光電探測器H。目前許

2、多國家，尤其是美國等西方軍事發(fā)達國家，都花費大量的人力、物力和財力進行此方面的研究與開發(fā)，并獲得了成功。紅外光電探測器研究從第一代開始至今已有40余年歷史，按照其特點可分為三代。第一代(1970s1980s)主要是以單元、多元器件進行光機串并掃描成像，以及以4×288為代表的時間延遲積分(TDI，time delay integration)類掃描型(scanning)紅外焦平面列陣。單元、多元探測器掃描成像需要復雜笨重的二維、一維掃描系統結構，且靈敏度低。第二代紅外光電探測器是小、中規(guī)格的凝視型(staring)紅外焦平面列陣。M×N凝視型紅外焦平面探測元數從1元、N元變

3、成M×N元，靈敏度也分別從l與N1/2增長M×N1/2倍和M1/2。而且，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。目前，正在發(fā)展第三代紅外光電探測器。探測器具有大面陣、小型化、低成本、雙色(two-color)與多色(multi-color)、智能型系統級靈巧芯片等特點，并集成有高性能數字信號處理功能，可實現單片多波段融合高分辨率探測與識別。因此，本文將重點綜述三代紅外光電探測器的材料體系及其研究現狀，并分析未來紅外光電探測器的材料選擇及發(fā)展趨勢。2 三代探測器的材料體系與發(fā)展現狀紅外光電探測器的材料很多，但真正適于發(fā)展三代紅外光電探測器，即響應波段靈活可

4、調的雙色與多色紅外焦平面列陣器件的材料則很少。目前，主要有傳統的HgCdTe和QWIPs，以及新型的二類SLs和QDIPs，共四個材料體系。作為長波紅外(LWIR)，特別是雙色與多色紅外的光電探測材料，它們的主要特性如表1所示。下面對三代紅外光電探測器的四個材料體系及其各自的發(fā)展現狀進行簡單地介紹。表1 HgCdTe、二類超晶格和量子阱作為長波紅外探測材料的主要特性21 HgCdTe材料及其三代紅外探測器HgCdTe紅外光電探測器現已廣泛應用于預警衛(wèi)星、偵察、制導、遙感和天文等領域。由于，HgCdTe外延薄膜生長技術已趨于成熟，用分子束外延(MBE)或金屬有機化合物氣相沉積(MOVPE)等技術

5、可以制備多層或更加復雜的器件結構，能獲得適于三代雙色、多色紅外光電探測器發(fā)展需要的HgCdTe多層異質結材料。國際上知名研究機構有美國DRS、Raytheon、法國Sofradir、英國SELEx和德國AIM等，已研制、生產的高水平商用碲鎘汞紅外焦平面探測器有：長波640×480、中波2048×2048、短波4096×4096、雙色雙波段1280×720。表2是美國Raytlleon、法國Sofradir和英國SELEx公司報道的相同像素規(guī)格、響應波段與像元尺寸的單色和雙色紅外光電探測器性能情況。表2雙色HgCdTe紅外焦平面探測器性能表最近，英國SEL

6、Ex公司報道了硅基HgCdTe雙色探測器和砷化鎵基HgCdTe三色紅外光電探測器的研究進展。硅基HgCdTe雙色探測器規(guī)模為320×256，中波與長波截止波長為5m/9.5m，噪聲等效溫差(NETD)分別為166 mK328 mK，有效像元率分別為994/982。三色紅外光電探測器是由采用MOVPE在砷化鎵(GaAs)襯底上生長的N-P-Ppn型多層異質結HgcdTe薄膜材料，通過微臺面列陣隔離、表面鈍化與金屬化層制作以及銦柱列陣制備來獲得的。三色紅外光電探測器是在兩個背靠背光電二極管的雙色紅外光電探測器的中間勢壘區(qū)增加一個響應居中波段(IM，intermediate wavelen

7、gth)的有源區(qū)。短波、長波工作是其相應光電二極管在小反偏下來實現的。當電子勢壘在短波光電二極管大反偏下被降低時，IM有源區(qū)光生少數載流子能從IM有源區(qū)注入到短波光電二極管，從而實現居中波段工作，進而實現紅外光電探測器的三色探測。HgCdTe三色紅外光電探測器的性能，與兩個背靠背光電二極管中間勢壘區(qū)的摻雜濃度水平，以及勢壘和短波光電二極管結區(qū)之間相對位置有密切的關系。目前，MOVPE、分子束外延(MBE)可精確控制縱向的組分變化、原位摻雜濃度以及各種過渡區(qū)相對位置，能實現三色、四色探測的HgCdTe多層異質結材料生長。22 QWIPs材料及其三代紅外探測器QWIPS利用量子阱中能級電子躍遷原理

8、實現目標的紅外輻射探測，其探測波長可覆蓋620um。由于材料和器件工藝成熟、產量高、成本低，經過近15年的快速發(fā)展，已成為長波致冷型紅外焦平面器件的兩大主要分支之一?；凇澳軒Чこ獭焙汀安ê瘮倒こ獭鲍@得的量子阱材料，能級結構可“柔性裁減”的QPS非常適合于發(fā)展雙色、多色的紅外焦平面列陣器件。目前，美國和英、法、德、瑞典等歐洲發(fā)達國家已研制出全電視制式的640×512(包含640×480)長波紅外焦平面器件和中等規(guī)模的320×240(包含256×256，384×288格式)雙色器件產品。美國NAsAARL聯合研制的大面陣1024×102

9、4長波紅外焦平面和NASAJPL研制的1024×1024雙色、640×512四色紅外焦平面，代表了當前GaAsA1GaAs量子阱紅外探測器的最高研究水平。2009年，美國國家航空航天局(NASA)下屬的噴氣推進實驗室(JPL，Jet Pmpulsion Laboratory)，報道了1024X1024規(guī)格、30um像元的中波/長波雙色紅外焦平面列陣的性能，技術參數是在68 K制冷、f/2視場角和300 K背景下獲得的。MWIR和LWIR的響應波段分別為3555um和659Oum，噪聲等效溫差(NETD)分別為27 mK和40 mK，有效像元率分別為99和975。2002年，

10、噴氣推進實驗室(JPL)研制出640×512四色焦平面，探測波段分別位于46um、8510um、1012um和1315um。每個像元內的四色探測在空間上是橫向錯位排列的。四個波段背景限溫度分別為40 K，50 K，60 K，120 K(f/5朋視場角、300 K背景)，NETD分別為214 mK，452 mK，135 mK，446 mK(40 K)。23 二類sLs材料及其三代紅外探測器InAsGaSb二類SLS紅外光電探測器具有一些獨特的優(yōu)點，是HgCdTe和GaAsAlGaAs量子阱材料之外的新一代紅外探測器材料，也是近年來頗受關注的面向第三代焦平面器件技術的發(fā)展方向之一。首先，

11、通過調節(jié)二類SLS中InAs勢阱的寬度或采用GaInSb勢壘能控制二類SLS結構的有效帶隙，紅外探測器響應波長能覆蓋320um整個范圍。其次，InAsGaSb二類SLS對紅外輻射的吸收是基于重空穴子帶至電子子帶的躍遷，即帶間子帶躍遷，探測器無需光柵耦合就能工作，在大大降低了器件制備的難度同時又提高了探測器的量子效率。并且?guī)чg子帶躍遷也決定了InAsGaSb二類SLS紅外光電探測器是光伏型探測器，無需外加大的偏壓。最后，通過降低InAsGaSb二類SLS紅外光電探測器的暗電流，可提高探測器的工作溫度和靈敏度，同時可以利用一V族半導體材料較為成熟的材料技術和器件工藝，能降低紅外光電探測器的成本。二

12、類SLs探測材料具有響應波長可調節(jié)的優(yōu)點，也非常適合于發(fā)展雙色、多色的紅外焦平面列陣器件。光伏型二類SLS紅外光電探測器具有很高的量子效率，可以減少積分時間。例如，德國Fraunhofer應用物理研究所研制的256×256中波二類SLs紅外光電探測器，5 ms積分時間時NETD為111 mK，而積分時間為1 ms時NETD也能達到25 mK。320×256規(guī)格、30um像元的長波二類SLS紅外光電探測器，023 ms積分時間時NETD為33 mK(f/2視場角、300 K背景)。這些技術參數性能基本達到HgCdTe的水平。最近，雷聲公司和JPL實驗室獲得了640×

13、512規(guī)格的二類SLs中波紅外焦平面探測器。2009年，報道了384×288規(guī)格、40um像元的InAsGasb二類SLS雙色紅外焦平面探測器。兩個波段NETD分別為295 mK(34um一41um)和165 mK(41um51um)(73 K制冷、28 ms積分時間、f/2視場角和300 K背景)。24 QDIPs材料及其三代紅外探測器量子點又稱“人造原子”，目前量子點作為提高電子與光電子器件性能的一種手段，已經被廣泛應用。量子點的尺寸很小，通常只有10 nm，因此其具有獨特的三維光學限制特性。與量子阱紅外光電探測器相比，量子點紅外光電探測器具有無需制作表面光柵就能響應垂直入射的紅

14、外光照射，以及工作溫度更高等優(yōu)勢。目前，量子點紅外光電探測器的研究主要集中于在量子阱中嵌入量子點(DWELL，dotina-well)的異質結構。因此，DWELL異質結構的紅外探測器兼?zhèn)淞藗鹘yQWIPs和QDIPs的特點。一方面，與量子點紅外光電探測器一樣，在正入射時不需要光柵或光耦合，并具有較高的工作溫度。另一方面，可以通過共同控制QDs(Quantum Dots)尺寸、形狀、應變和材料組分，以及QWs(Quantum Wells)尺寸來靈活調節(jié)DWELL異質結構紅外光電探測器的響應波長。而且，QDIPs器件的光譜響應波段具有偏壓選擇特性，可在MWIR、LWIR以及甚長紅外波段(VL-WIR

15、，>14um)的光譜范圍內實現雙色、多色探測，非常適合于發(fā)展三代以及未來新一代紅外光電探測器。最近，報道的640×512規(guī)格、81um截止波長的DWELL結構光電探測器，其NETD為40 mK(60 K工作溫度，VB=-350 mV。f/2視場角，30 Hz幀頻和300 K背景)。在三代紅外光電探測器方面，Varley等人實現了320×256規(guī)格DWELL結構的MWIRLRIR雙色紅外光電探測器，其MW和LW的NETD分別為55mK和70mK。3紅外光電探測器的發(fā)展趨勢31 未來光電探測材料的選擇雖然，HgCdTe材料存在制備困難、均勻性差、器件工藝特殊和穩(wěn)定性差等缺

16、點，致使HgCd乳紅外光電探測器的成品率低。為此，人們始終沒有放棄尋找更低成本、更高穩(wěn)定性的新型紅外光電探測材料的努力。但是，在量子效率、工作溫度、響應速度和多光譜探測等綜合性能上，迄今還沒有一種新材料能同時具有等同或超過HgCdTe材料的優(yōu)點。所以，為滿足未來軍事、天文和航天應用更高的性能要求，HgcdTe材料在未來相當長的一個時間段內仍然是三代、四代IRFPAs探測器的首選。與此同時，HgCdTe紅外探測器自身也在進行降低成本、拓展波長等追求，以提高競爭力。QWIPs光電探測器是GaAs基材料，在本身材料與器件工藝方面具有穩(wěn)定性高、成本低的優(yōu)勢。相對HgCdTe探測器而言，在均勻性、成本方

17、面具有明顯的優(yōu)勢。但是，QWIPs紅外光電探測器的量子效率比碲鎘汞低約1個數量級，同時工作溫度要求要低約1030 K。從IRFPAs探測器的功能特征上看，QWIPs技術將重點在VLWIR和超大規(guī)模方面拓展自身的優(yōu)勢。InAsGaSb二類SLS紅外光電探測器是新一代紅外探測器材料。由于InAs和GaSb的最優(yōu)生長溫度并不相同，以及InAsGaSb界面有兩種類型，即類InSb和類GaAs界面，致使高質量InAsGasb超晶格材料的外延生長是獲得SLS紅外光電探測器的關鍵。在器件制備技術上，InAsGaSb超晶格探測器需要有效抑制臺面?zhèn)缺诘谋砻媛╇?。在解決了材料生長與器件制備工藝后，二類sLS紅外光

18、電探測器將是三代、未來四代紅外光電器件技術的重要發(fā)展方向之一。與QwIP光電探測器相比，QDIPs紅外探測器具有直接響應垂直入射紅外光照射以及工作溫度更高等優(yōu)勢。然而，目前阻礙QDIPs紅外探測器性能提高的技術瓶頸主要來自組裝量子點尺寸均勻性較差和量子點密度較低。在提高了量子點尺寸均勻性與密度后，QDIPs將是三代、未來四代紅外光電器件重要材料選擇。32紅外光電探測器的新概念所有成像探測技術的發(fā)展都有三個階段：探測信號的強度，得到目標的“黑白照片”，這是初級階段；探測信號的強度和波長，得到目標的“彩色照片”，達到中級階段；探測信號強度、波長、相位以及偏振狀態(tài)，得到目標的“全息照片”，這才達到成

19、像探測技術的高級階段。目前，在軍事、民用和天文的快速發(fā)展，驅使紅外成像技術從初級階段的“黑白照片”向中級階段的“彩色照片”過渡，其標志是美國、法國、英國和德國等研制出了雙(多)色、多波段的三代紅外光電探測器。為追求更高階段的成像探測技術，未來還將繼續(xù)發(fā)展甚長波、雙色與多色和主被動雙模，以及探索在目標輻射入射方向上原位集成像素級分光和像素級偏振選擇等功能結構的紅外焦平面探測器。321 甚長波紅外焦平面探測器甚長波熱紅外波段具有最高的大氣窗口目標輻射能量，是紅外探測技術中最為重要的波段。這一波段的紅外焦平面器件能提高探測系統的探測距離、縮短探測時間和精確探測目標溫度等，具有十分重要的需求背景?？臻g

20、大氣垂直探測和彈道導彈預警探測都迫切需求甚長波紅外焦平面探測器。因具有更高的量子效率和更高的工作溫度，碲鎘汞(HgCdTe)光伏型探測器將繼續(xù)向14um，16um和20um紅外波段拓展探測能力。美國、法國都先后報道了16um HgCdTe紅外焦平面探測器的實驗室成像情況。而具有較好均勻性的量子阱光探測(QWIPs)光電探測器在甚長波和大規(guī)模紅外焦平面列陣器件方面，將與HgCdTe光伏型探測器技術形成互補。為提高大氣層溫度與濕度、深空冷目標的探測性能，甚長波紅外焦平面探測器還將是紅外光電器件研究領域的熱點。322雙色與多色探測器隨著材料、器件和系統技術的進步，探測器將向更多的光譜波段發(fā)展，以獲得

21、目標的“彩色”熱圖像，更豐富、更精確、更可靠地得到目標的信息。雙色與多色紅外探測器通過在深度方向上垂直集成兩個、多個波段的探測結構，不僅能實現兩個波段的探測在空間上完全同步，為準確地獲取目標信息提供了一個真正意義上的新自由度，可極大地提高目標的識別能力。這在對存在模糊背景或者目標特性在過程中不斷發(fā)生變化的目標探測而言，具有非常重要的意義?？梢灶A見，發(fā)展大列陣規(guī)格、小像元尺寸的雙色和多色工作的紅外焦平面陣列光電探測器將是2020年前世界各國發(fā)展的重要內容。323主被動雙模器件紅外主被動三維雙模成像探測器(InfraDIs，3DInfrared Active/passiVe Dual-mode I

22、magingdetectors)采用單一器件，實現對激光返回信號以及熱紅外信號進行同時集成探測的成像器件，是本世紀初針對軍事需求而提出的新概念。在像素級水平上對微弱光信號進行放大和信號時間的精確測量，可實現對紅外輻射信號以及激光返回信號的高靈敏度、高速探測和成像，為目標探測和識別提供新的自由度。該技術的優(yōu)勢是基于紅外被動和主動探測的互補，可提高紅外探測系統在復雜戰(zhàn)場環(huán)境下的目標識別能力(紅外像、輪廓像和距像)。324多光譜紅外焦平面探測器高級的紅外成像系統要求光譜分辨率越來越高，并將經歷多光譜、高光譜和超光譜的發(fā)展過程。目前，國際上通常都采用在紅外光學系統上進行棱鏡、光柵等對紅外輻射進行分光，以實現紅外多光譜、高光譜成像。但西澳大利亞大學最近報道了一種新型的多光譜成像技術。它是基于微機械系統(MEMs)結構列陣的像素級分光型紅外焦平面探測器來實現的。該類紅外焦平面探測器的每個像元在各自目標輻射人射方向上都對應一個分立的微機械系統結構，并通過紅外焦平面探測器讀出電路給像素級微機械系統結構提供輸入電壓來控制每個像元上入射紅外輻射的波段。這種基于像素級分光功能的紅外焦平面探測器可有效簡化多光譜成像的光學系統，其高的光譜選擇靈活性和分光精確性會推動多光譜成像技術的深入發(fā)展。325偏振選擇紅外焦平面探測器紅外偏振成像技術可以很好地解