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1、红外探测器简介红外探测器设计研发部-李平一、红外探测器市场以及应用领域红外探测技术目前主要分为近红外、中红外和远红外三种研究领域。其中，中红外探测技术由于中红外线的高强度和高穿透性，应用 最为广泛，研究也最为成熟；远红外的主要优点就是其穿透性，可用 于探测、加热等，应用也比较广泛。近红外，由于其包含氢氧键、碳 氢键、碳氧键等功能键的特征吸收线。大气中的水气、二氧化碳、大 气辉光等也集中在这个波段。特有的光谱特性使得短波红外探测器可以在全球气候监测、国土资源监测、天文观测、空间遥感和国防等领 域发挥重大作用。红外探测器广泛应用于军事、科学、工农业生产和 医疗卫生等各个领域，尤其在军事领域，红外探
2、测器在精确制导、瞄 准系统、侦察夜视等方面具有不可替代的作用。随着红外探测技术的 飞速发展，红外探测器在军事、民用等诸多领域都有着日益广泛的应 用。作为高新技术的红外探测技术在未来的应用将更加广泛，地位更 加重要。小型红外探测器是受价格驱动的商品市场，而中型和大型阵列探 测器则是受成本和性能驱动的市场，并且为新产品提供了差异化的空 间。但是在每种红外探测器技术（如热电/热电偶/微测辐射热计）之 间存在着巨大的障碍。由于这些技术都是基于不同的制造工艺，如果 没有企业合并或收购，很难从一种技术转换到另外一种技术。红外探测器已进入居民日常安防中，其中主动式红外探测器遇到 树叶、雨、小动物、雪、沙尘、
3、雾遮挡则不应报警，人或相当体积的 物品遮挡将发生报警。主动红外探测器技术主要采用一发一收，属于 线形防范，现在已经从最初的单光束发展到多光束，而且还可以双发 双收，最大限度地降低误报率，从而增强该产品的稳定性，可靠性。 据美国相关公司市场调研分析师预测，全球军用红外探测器需求额有 望在2020年达到1635亿美元，复合年均增长率为7. 71%。红外探测器按探测机理可分为热探测器和光子探测器，按其工作 中载流子类型可以分为多数载流子器件和少数载流子器件两大类，按 照探测器是否需要致冷，分为致冷型探测器和非致冷型探测器。非致 冷探测器目前主要是非晶硅、氧化钒和InGaAs等探测器，致冷型探 测器主
4、要包括碲镉汞三元化合物、量子阱红外光探测器II类超晶格 等。在过去的几十年里，大量的新型材料、新颖器件不断涌现，红外 光电探测器完成了第一代的单元、多元光导器件向第二代红外焦平面 器件的跨越，目前正朝着以大规模、高分辨力、多波段、高集成、轻 型化和低成本为特征的第三代红外焦平面技术的方向发展。二、焦平面红外探测器应用现状热探测器的应用早于光子探测器。热探测器包括热释电探测器、 温差电偶探测器、电阻测辐射热计等。热探测器具有宽谱响应、室温 工作的优点，但是它响应时间较慢、高频时探测率低，目前主要应用 于民用领域。光子探测器是基于光电效应制备的探测器，通过配备致 冷系统，具有高量子效率、高灵敏度、
5、低噪声等效温差、快速响应等 优点。在军事领域，光子探测器占据主导地位。常用的光子探测器有碲镉汞（HgCdTe）、InGaAs、InAs /InGaSb II类超晶格、GaAs/AlGaAs量子阱等。近年来量子点红外光探测器也引起广泛关注，量子点红外光探测器在理论上具有很多优点，但实际制备的量子点红外光探测器与理论预测的还是有一定差距。常见红外探测器种类及其特点如下表所示:热探测器温差电偶、温差电堆测辐射热计热释电受热膨胀温差电效应电阻温度特性热释电效应简单轻便,成本低光谱范围宽，可室温工作无选择性探测率较低响应速度较慢M跆術料-跆術料M化物睾rn化物米本征型光电导探斟光子探测器基于带间跃迁吸收
6、光电导效应禁带宽度窄应用波宽技术比机械特性差介电常数大，结电容大缺陷密度高成本较高皿V化合物材料非本征型自由载流子重掺杂杂 质能级跃 迁，主要应 用于长波，响应波长范围宽高迁移率半导体带内跃迁，载流子迁移率变化从而引起电导变化较成熟料性能优良 技术比 较成熟 成本低，工艺简单,可量产，易于调节响应波长需要合适衬底吸收系数低,需低温工作量子效率较低成本低, 增益高, 易制备 较大的 二维面阵量子效率低,需低温工作光伏探测器PIN、chottkjAPD、MSM、RCE高灵敏量子阱探测器光生载流子产生光电压度和响应率，噪声小，功耗低薄膜材料生长要求较量子结构探测器半导体材料相间排列形成具有量子局限效
7、应的势阱，子带间跃迁波长大 幅可调, 技术比 较成熟,容易实现多色探测需特殊 的光耦 合方式 量子阱 中基态 电子浓 度受掺 杂限制 量子效 率不高维度很小的量子点较小暗量子点量子点探测器内部电子 受到局限，产生不连续电子能级，子带间电流，较尺寸、密大增益,较高的工作温度和均 匀性的 控制比较困难国外第四代空空导弹制导系统中，如美国的响尾蛇、英国阿斯拉 姆、俄罗斯R-73、法国米卡红外型、德国依尔伊斯特、以色列“怪 蛇”系列等最新型号都采用了基于焦平面红外探测的红外制导技术。 国产武器装备也是如此，空空导弹中应用抗干扰型多元成像导引头， 能够高离轴角发射，并具备超机动性；在防空导弹中采用红外成
8、像导 引头，较好地解决了超低空飞行引信容易误启动的情况；在反坦克导 弹中使用了红外焦平面成像式自导头，配有非冷却式光电探测器，成 为非致冷式红外成像制导反坦克导弹。在瞄准系统、侦察夜视领域， 焦平面红外探测器也具有广泛的应用前景。据报道，一款夜间瞄准系 统升级设备将用于美国海军陆战队AH-1眼镜蛇攻击直升机，此机 载夜间瞄准系统是一个光电前视红外塔楼状传感器组件，能为海军陆 战队提供远程监视、跟踪、高空目标探测、测距和激光指示。美国海 军战斗机专家正在更新航母起飞的F/A-18战斗轰炸机机载前视红 外瞄准系统，以达到给飞行员提供大幅增加的目标检测和识别范围、 先进激光指示能力、远离海岸行驶的精
9、确评估、光电和红外成像的目 的。三、焦平面红外探测器发展现状1、国内研究现状国内研制焦平面红外探测器主要研究机构有上海技术物理研究 所、昆明物理研究所、重庆44所、高德红外等单位。上海技术物理 研究所在碲镉汞、铟稼砷红外探测器的研制方面，包括材料生长、器件工艺设计、电路设计方面都积累了丰富的经验。目前，焦平面红外 探测器产业化发展迅速，国内已有多家企业具有生产致冷型或非致冷 型焦平面红外探测器的能力，其所生产的典型产品指标如表所示：探 测 器 类 型材-料阵列规 模像元间 距(pm)光谱范 围(pm)非 制 冷非 晶 硅640x48025814氧化钒400x30017814铟 镓 砷640x5
10、1225117制 冷碲 镉 汞640x512153748H类 超320x256303748晶 格H类 超 晶 格320x2561574105近年来，国内已建有具有自主知识产权的8英寸0. 25pm非致 冷红外探测器生产线，新型氧化钒800x600高分辨力非致冷焦平面 红外探测器及II类超晶格红外探测器短波、中波和长波产品均已面 世，这些成果对于提升国家自主创新能力和国家战略装备的研制具有 重要意义。总体来看，国产焦平面红外探测器的制造能力正在迅速提 高，不仅实现了从衬底、外延、芯片、封装到致冷机的自行设计和研 发，也实现了从材料到组件的全国产化。2、国外研究现状国外焦平面红外探测器的生产厂商主
11、要分布在美国、英国、法国、 德国、日本及以色列等国。目前国外典型的焦平面红外探测器性能指 标如下表所示：探测材 料阵列规模像素尺 寸(pm)光谱范 围工作温 度(K)VOx640 x 48028 x28814300InGaAs640 x 51225x250417300Si： As2048x204818x185287.8InSb1024x102415 x 153 577HgCdTe4096x409610 x 101. 0 5437HgCdTe1280x102415 x 153. 47877100HgCdTe640 x 51215 x 1581090Raythen公司已研制岀一种双波段HgCdTe
12、红外焦平面阵列结 构，而且还将会作为对现有的地基和机载战术系统进行升级的第三代 产品而获得进一步的发展。在小型探测器研究领域，DARPA已成功 研制了一系列像元间距为5 8pm的红外探测器，而作为DARPA的 大口径海洋基础数据阵列计划的一部分，一种基于像元间距5pm的 碲镉汞焦平面阵列的中波红外相机也已被研制出。美国Northrop Grumman公司研制的硒化铅探测器被认为是焦 平面红外探测的一大突破,这种致冷型光子探测器具有很高的灵敏度 和成像速率，但价格低廉，无需采用低温制冷装置。法国Sofradir公司的红外探测器产品较多,包括HgCdTe, InSb， InGaAs，QWIP以及微
13、测辐射热计，覆盖了短波红外、中波红外、 长波红外光谱。近期公司又推出了像元间距为10pm的Daphnis系 列红外探测器，该探测器是世界上第一款采用小像元间距技术制成的 致冷型中波红外成像产品，非常适合电光系统研究人员用来研制陆 基、机载和舰载军事系统。早在2002年,美国传感无限公司就成功研制出高性能的InGaAs 焦平面探测器产品。由于InGaAs探测器固有的价值，使得美军对此 投入了大量的人力物力。2002至2015年，传感无限公司在InGaAs 探测器的研制上进展迅速，短短几年内就完成了多种型号的InGaAs 焦平面系列产品的研制。美国传感无限公司2012年实现了 4英寸InP 基工艺的量产之后，就进入到各种型号产品工程应用的发展时期。其 发展历程如下图所示：四、存在的问题及发展趋势目前主流的焦平面红外探测器具有成像系统体积小、质量轻、功 耗低、系统灵敏度高、工作帧频高等一系列优点，但其缺点也很明显, 如HgCdTe红外探测器材料均匀性相对较差，11类超晶格探测器分 子束外延生长工艺不够成熟，量子阱红外探测器不吸收正入射光，量 子效率相对较低，量子点红外探测器也存在量子点材料不均匀的问 题。这些探测器均存在成像非均匀性的问题，是指焦平面阵列在均
