（華中光電技術(shù)研究所-武漢光電國家研究中心 武漢 430223）

1 引言

地球乃至整個宇宙空間所釋放的能量主要集中在紅外波段，其波長介于可見光與微波之間，波長范圍為0.76 μm～1000 μm，它蘊(yùn)含著人類周圍豐富的信息。紅外探測器是一種基于熱電效應(yīng)而制成的電子元器件，靠周圍物體發(fā)出的紅外輻射來工作。1917年，世界上第一個光導(dǎo)型紅外探測器由美國人Case[1]研制出來，當(dāng)時由于性能不穩(wěn)定、信噪比低等原因，項目曾一度擱淺。直至20世紀(jì)30年代，美國無線電公司發(fā)明了顯像管，使得紅外探測器的應(yīng)用前景得到拓展。第二戰(zhàn)世界大戰(zhàn)期間，紅外技術(shù)首次在軍事進(jìn)行了應(yīng)用，促使人們普遍意識到它的重要性。20世紀(jì)90年代，Lawson等[2]成功合成了HgCdTe材料，該事件具有里程碑的歷史性意義，指導(dǎo)了后來紅外探測器的進(jìn)一步發(fā)展。紅外探測器的發(fā)展歷史進(jìn)程如圖1所示[3]。隨著紅外探測器技術(shù)的不斷進(jìn)步，以及人類對其應(yīng)用領(lǐng)域的持續(xù)探索，如今已經(jīng)廣泛應(yīng)用于軍事、工業(yè)、交通、安防監(jiān)控、氣象、醫(yī)學(xué)等各個領(lǐng)域。隨著光電技術(shù)的不斷發(fā)展以及人類不斷地對紅外信息的探測和智能感知能力提出更高的要求，當(dāng)前紅外探測器技術(shù)正處于新舊更迭的時代，一大批新型紅外探測器不斷涌現(xiàn)。深入了解紅外探測器的研究現(xiàn)狀，對促進(jìn)其行業(yè)應(yīng)用及預(yù)測未來發(fā)展趨勢具有極其重要的意義。

2 紅外探測器的分類及各自特點(diǎn)

如今，紅外探測器的研發(fā)在蓬勃發(fā)展，各大廠商紛紛推出了各類型的紅外探測器。紅外探測器的分類方法種類繁多，根據(jù)工作溫度的不同，可以將其分類為非制冷型和制冷型兩種，對于后者，常常采用半導(dǎo)體制冷方式和液氮制冷方式。根據(jù)探測器的結(jié)構(gòu)組成差異，可將其分為焦平面、線陣和單元紅外探測器。此外，還可以根據(jù)其對不同波長光譜的響應(yīng)情況，將其分為近紅外、中紅外、遠(yuǎn)紅外和極遠(yuǎn)紅外探測器等。本文主要以探測器工作溫度為依據(jù)進(jìn)行分類。

圖1 紅外探測器的發(fā)展歷史

對于非制冷型紅外探測器來說，它的顯優(yōu)勢在于對溫度沒有嚴(yán)格的要求，即可以在常溫下工作。但是它具有諸多缺陷，比如不能對整個光譜進(jìn)行相應(yīng)，探測靈敏度低，響應(yīng)慢。由于少了體積龐大的制冷系統(tǒng)，一般來說，非制冷型紅外探測器具有結(jié)構(gòu)緊湊、穩(wěn)定性高、成本低優(yōu)點(diǎn)。然而，制冷型紅外探測器的工作溫度一般在80K～200K。由于低溫使得暗電流較小，使得制冷型探測器的信噪比相較于非制冷型探測器高很多。鑒于上述特點(diǎn)，非制冷型紅外探測器較多地應(yīng)用在民用領(lǐng)域，諸如工業(yè)生產(chǎn)、監(jiān)控安防和醫(yī)療衛(wèi)生等；而制冷型紅外探測器則更多地應(yīng)用在軍事領(lǐng)域，如夜視偵查、精確制導(dǎo)和目標(biāo)瞄準(zhǔn)等。

3 非制冷紅外探測器

目前，非晶硅和氧化釩是非制冷型紅外探測的兩大主流敏感材料，并且后者占有絕對的主導(dǎo)地位，使用率約為75%。此外，人們對氧化釩探測器的研究要比非晶硅早十余年，技術(shù)沉淀更多。它們的技術(shù)路線的區(qū)別主要在于薄膜沉積方法、薄膜性能以及技術(shù)指標(biāo)等方面。對于氧化釩探測器的研發(fā)與生產(chǎn)，以美國DRS公司、Raytheon公司、FLIR公司，英國BAE公司、以色列SCD公司等企業(yè)為代表，其中FLIR公司的產(chǎn)品代表了目前全球最先進(jìn)技術(shù)水平；而對于非晶硅探測器的供應(yīng)商，則以法國ULIS公司、中國浙江大立公司和美國L-3公司等為代表。表1列舉了截止目前國內(nèi)外主要廠家成熟產(chǎn)品的主要性能指標(biāo)[4]。

表1 全球非制冷紅外焦平面探測器主要技術(shù)參數(shù)對比

雖然非晶硅探測器比氧化釩探測器更容易實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，但是后者的諸多項性能指標(biāo)均明顯優(yōu)于前者，諸如探測靈敏度和測溫精度。例如，非晶硅探測器的靈敏度通常位于50Mk附近，而氧化釩探測器則為20mK～30mK；非晶硅探測器的殘余固定圖形噪聲較大，比氧化釩探測器大一個數(shù)量級；非晶硅探測器的圖像均勻性也比氧化釩探測器差。

國內(nèi)從事非制冷紅外探測器行業(yè)的有高校、研究所和少數(shù)民營企業(yè)，下面是對國內(nèi)從事該領(lǐng)域研究的一些單位進(jìn)行介紹。

高校：主要有華中科技大學(xué)和電子科技大學(xué)。高效科研人員主要著力于材料性能的理論研究和器件生產(chǎn)新工藝的研發(fā)，并且目前還處于初步階段。

研究所：主要有兵器211所、上海技物所和電子11所，并主要從事成像模塊或整機(jī)的研發(fā)。這些單位更多側(cè)重于學(xué)術(shù)研究、新技術(shù)開發(fā)。由于體制限制等原因，產(chǎn)業(yè)化發(fā)展受限，目前暫不具備產(chǎn)品的量產(chǎn)能力。

公司：主要包括高德紅外、睿創(chuàng)微納、浙江大立和廣州颯特等。自2018年起，睿創(chuàng)微納在12μm像元尺寸非制冷紅外探測器技術(shù)的基礎(chǔ)上，開始了10μm像元尺寸產(chǎn)品的研發(fā)。據(jù)最新資料報道，該公司已經(jīng)發(fā)布了陣列規(guī)模達(dá)到1280×1024，像元間距僅為10μm，NETD優(yōu)于40mK的產(chǎn)品，并提交了兩項發(fā)明專利。這也標(biāo)志著中國是世界上第二個研制出10μm紅外探測器的國家（第一個是美國的DRS公司）。睿創(chuàng)微納公司生產(chǎn)的非制冷紅外探測器年出貨量達(dá)4萬支；高德紅外次之，年產(chǎn)能大約2萬支。但是，高德紅外的產(chǎn)品種類更加完備，該公司同時擁有8英寸非制冷紅外探測器和8英寸制冷型紅外探測器生產(chǎn)線。隨著國內(nèi)熱像儀應(yīng)用市場的擴(kuò)大，以睿創(chuàng)微納、高德紅外為代表的生產(chǎn)企業(yè)自主創(chuàng)新，量產(chǎn)出的非制冷型紅外探測器的技術(shù)指標(biāo)和國外主流產(chǎn)品的差距己經(jīng)很小了。

4 制冷型紅外探測器

相比于非制冷型紅外探測器，制冷型紅外探測器具有響應(yīng)速度更快、靈敏度更高、探測距離更遠(yuǎn)及性能更穩(wěn)定等諸多優(yōu)點(diǎn)，但是需在低溫環(huán)境下才能體現(xiàn)性能優(yōu)勢。目前，其發(fā)展方向主要在提高工作溫度、減小暗電流、小型化、多波長探測以及系統(tǒng)集成等方面。適用于低溫紅外探測器的材料一般有三種，包括碲鎘汞（HgCdTe）、量子阱（QWIPs）和Ⅱ型超晶格。

4.1 碲鎘汞紅外探測器

提高性能、縮小體積和降低成本是目前碲鎘汞探測器的三大研究方向。在過去的十余年，碲鎘汞紅外探測技術(shù)迅速發(fā)展，西方發(fā)達(dá)國家首先提出了一個全新的名詞，為SWaP（Size，Weight and Pow?er）；而后 SWaP又逐漸演變?yōu)镾WaP-C（SWaP and Cost）及SWaP3（SWaP and Performance，Price）。針對高性能的碲鎘汞紅外探測器，SWaP可以在保證探測器良好性能的前提下，降低系統(tǒng)的體積、重量、功耗和價格，同時提升探測器的穩(wěn)定性。如此一來，可以進(jìn)一步擴(kuò)展其應(yīng)用范圍，包括在瞄準(zhǔn)系統(tǒng)、無人機(jī)等方面的使用。實(shí)現(xiàn)SWaP的途徑有兩種：一是提高工作溫度HOT；二是減小像元的中心距離，更優(yōu)的方式是把兩者完美的地結(jié)合起來。

HOT探測器是歐美各大廠商共同追求的目標(biāo)，在紅外探測領(lǐng)域的受重視程度日益增加。美國Teledyne公司和法國Sofradir公司均采取p-on-n的技術(shù)路線，Teledyne則利用基于LPE或MBE技術(shù)的As摻雜雙層異質(zhì)臺面結(jié)工藝，而Sofradir采用基于LPE技術(shù)的As注入平面結(jié)工藝。美國DRS公司、英國Selex公司和德國AIM公司采用的則是另一種技術(shù)路線n-on-p，其中DRS采用基于非本征摻雜HDVIP（High Density Vertically Integrated Photodi?ode）工藝，Selex采用基于非本征摻雜MOVPE技術(shù)的異質(zhì)臺面結(jié)工藝，而AIM使用基于非本征Au摻雜LPE的平面結(jié)工藝。

對于國內(nèi)碲鎘汞紅外探測器的研發(fā)情況，研究單位不多，主要包括昆明物理研究所、高德紅外。昆明物理所從2006年就開始著手碲鎘汞中波紅外探測器的研發(fā)工作，并于2010年實(shí)現(xiàn)了量產(chǎn)，其陣列規(guī)模為320×256。通過對該材料非本征摻雜的繼續(xù)探索，并對器件生產(chǎn)過程中的干法刻蝕、表面鈍化等方面的逐步改進(jìn)，昆明物理所取得了一些重大的進(jìn)步，并陸續(xù)發(fā)布了陣列規(guī)模為640×512（15μm、20μm、25μm）及1280×1024（15μm）的碲鎘汞中波探測器產(chǎn)品。2015年，量產(chǎn)的640×512中波紅外探測器實(shí)現(xiàn)了在溫度為110K，NETD為19.7mK，有效像元率為99.33%的技術(shù)指標(biāo)，標(biāo)志著我國中波探測器性能指標(biāo)基本達(dá)到同一時期發(fā)達(dá)國家的技術(shù)水平[5]。

根據(jù)最新資料顯示，國內(nèi)最新款制冷型碲鎘汞中波紅外探測器CB12M MWIR，其面陣規(guī)格為1280×1024，像元尺寸為 12μm，NETD小于 20Mk（F2/F4）[6]。

4.2 量子阱紅外探測器

雖然碲鎘汞探測器具有諸多優(yōu)點(diǎn)，但是碲鎘汞很難實(shí)現(xiàn)大面積陣面探測器的量產(chǎn)化；此外，由于其材料的特殊性導(dǎo)致的表面漏電流現(xiàn)象對碲鎘汞探測器的性能影響也很大。相比之下，量子阱材料卻有自己獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：比如生長技術(shù)成熟，并且生長面型均勻，受控性好；價格低廉、產(chǎn)量大、熱穩(wěn)定性高。

近幾年發(fā)展開來的量子阱紅外探測器（QWIP）擁有較高的熱靈敏度以及均勻性好等性能優(yōu)點(diǎn)，同時其材料生長和生產(chǎn)工藝比較成熟，生產(chǎn)成本適中，便于規(guī)?；b備，方便多色譜大面陣器件的單片集成。此外，可以在探測器頂端刻蝕線性光柵來獲取對紅外輻射光的偏振敏感特性，該方式比傳統(tǒng)增添偏振元件的方式更具優(yōu)勢。1998年，普林斯頓大學(xué)首次提出線性光柵量子阱紅外探測器具有偏振響應(yīng)特性這一現(xiàn)象。三年之后，美國陸軍研究實(shí)驗室（ARL）開始進(jìn)行長波偏振量子阱的研究工作，將0°和90°方向的線性光柵進(jìn)行疊加排列，得到了陣列規(guī)模為384×288的長波偏振量子阱芯片。同一時期，在名為Sirus的長波量子阱組件的基礎(chǔ)上，THALES公司進(jìn)行了四象限偏振面陣探測器的研究工作，并通過一系列的對道路、汽車、建筑物等人工物體目標(biāo)的探測實(shí)驗，證實(shí)了該探測器的實(shí)際應(yīng)用價值。

對于國內(nèi)的情況，昆明物理研究所在2017年公布了陣列規(guī)模為640×512、中心距為20μm的偏振長波量子阱紅外探測器的研發(fā)成果[7]。在探測器的偏振焦平面上使用2×2的子單元設(shè)計，然后每個子單元中的每個像素單元分別被刻蝕方向為0°、45°、90°以及 135°的四種類型的一維線性光柵，以獲取不同偏振角度入射光的信息。這種方案解決了長波量子阱材料外延和器件研制等方面的難題，并成功制備出紅外面陣探測器芯片。配合制冷器組件的使用，長波偏振量子阱探測器組件的NETD低于30mK。由于該探測器不但擁有較高的物理分辨率，同時可以獲取被測物的偏振信息，這對探測能力的提升起到重要的促進(jìn)作用。

4.3 Ⅱ類超晶格紅外探測器

量子阱探測器的結(jié)構(gòu)特殊性使得正入射光無法很好地被探測器吸收，致使量子阱探測器的量子效率并理想。但是，硒化物Ⅱ型超晶格卻不存在這種問題，它可以很好地吸收正入射光而不需要任何光柵，因此它擁有較高的探測靈敏度，幾乎可以與碲鎘汞相媲美。和帶間吸收一樣，通過光學(xué)吸收機(jī)制，Ⅱ類超晶格探測器可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)81%的量子效率。同時，它的隧穿電流和暗電流均較小，對工作溫度的要求相對寬松。Ⅱ類超晶格探測器材料使用Ⅲ族和Ⅳ族元素，采用光伏原理制成。作為新一代的光電器件，Ⅱ類超晶格擁有無限的發(fā)展?jié)摿蛷V闊的應(yīng)用前景。

InAs/GaSbII類超晶格材料自1987年就開始被應(yīng)用于紅外探測，它具有量子效率高，器件均勻性好，暗電流低以及覆蓋光譜范圍廣（3μm～30μm）等優(yōu)點(diǎn)。2006年，AIM和IAF公司開發(fā)出了384×288的II類超晶格中波雙色探測器，其工作譜段為3μm～4μm和4μm～5μm，NETD分別達(dá)到12mK和22mK[8]。2009年，美國Raytheon和JPL研發(fā)了陣列規(guī)模為1024×1024的II類超晶格長波紅外探測器，其探測率達(dá)到1.1×1011[9]。美國西北大學(xué)在 2012 年研發(fā)出了陣列規(guī)模為1024×1024的II類超晶格長波紅外探測器，在溫度為68mK時NETD達(dá)到22.5mK，量子效率約為78%。中國科學(xué)院半導(dǎo)體所等單位研制了640×512的II類超晶格長波紅外探測器，其截止波長為10μm和16μm[10]；西安電子科技大學(xué)在2016年研究出了陣列規(guī)模為128×128的短波紅外探測器[11]；上海技術(shù)物理研究所的陳建新、周易等研究人員也研制出了截止波長為12.50μm的長波InAs/GaSbⅡ類超晶格紅外探測器[12]。上述研究結(jié)果表明，II類超晶格探測器在中波和長波紅外譜段均具有低暗電流和高工作溫度的優(yōu)點(diǎn)，對于研制高靈敏度的長波紅外探測系統(tǒng)具有及其重要的作用。其中，以上海技術(shù)物理研究所研制的II類超晶格長波紅外探測器為例，其關(guān)鍵技術(shù)如表2所示。

表2 II類超晶格長波紅外探測器的技術(shù)指標(biāo)

5 結(jié)語

自20世紀(jì)90年代開始，非制冷紅外熱像儀相較于制冷型紅外熱像儀，具有低成本、低功耗、小型化、易使用、易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)迅速進(jìn)入軍用和民用領(lǐng)域。至今，非制冷焦平面產(chǎn)品已發(fā)展到中、大規(guī)模640×512、1024×768、2048×1536陣列，像素尺寸縮小到12μm甚至到10μm，噪聲等效溫差（NETD）降低到小于30mK@F/1以下，幀頻提高到60Hz（640×512規(guī)格），以及寬波段（中波和長波）、120Hz高幀頻的非制冷探測器也逐漸形成產(chǎn)品。在未來幾年，高性能非制冷器件主要指標(biāo)將達(dá)到2K×2K陣列、200Hz幀頻以上、小于20mK、像素小于8μm等，將替換部分制冷型產(chǎn)品；同時價格低廉的中小規(guī)模非制冷探測器將大量進(jìn)入民用市場或大批量裝備部隊。

隨著非制冷紅外技術(shù)的不斷進(jìn)步，各種武器裝備廣泛的應(yīng)用牽引，非制冷紅外探測器也在朝著高性能、低成本及高集成度三個方向突飛猛進(jìn)的發(fā)展。同時，非制冷探測器生產(chǎn)模式也朝著更為規(guī)?；a(chǎn)、制造外包等方式調(diào)整。非制冷器件、機(jī)芯、系統(tǒng)等產(chǎn)業(yè)鏈的垂直整合也在悄然發(fā)生。

隨著IC設(shè)計、加工、封裝技術(shù)的發(fā)展，以及紅外圖像處理算法的日漸成熟，使得探測器研制生產(chǎn)能夠采用3D封裝技術(shù)、專用紅外圖像處理芯片、視覺處理單元（Vision Processing Unit，VPU），以及3D IC有效降低規(guī)?；a(chǎn)成本，同時先進(jìn)圖像算法處理集成到探測器層面成為可能，如超分辨率、精密降噪濾波、局部圖像增強(qiáng)、圖像融合等算法，同時為客戶預(yù)留部分資源，可在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步開發(fā)人工智能等特定功能，提供智能化的紅外成像解決方案。

今后，非制冷紅外焦平面器件將和CMOS圖像傳感器一般，實(shí)現(xiàn)高集成度、低成本及模組化標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，極大提升用戶群體及擴(kuò)張應(yīng)用方向。