論第三代紅外探測器的需求及選擇

摘 要：在歷經了半個多世紀的紅外光電探測器的發展研究，紅外探測器像元數目已經從少于100元的一代發展到10萬元的二代，再到百萬像素的三代，在出現了龐大的紅外探測器器件家族之后，人們又進入了以高探測率、大面陣、低成本、多光譜為技術特點的第三代。在紅外探測器技術飛速發展的時代，碲鎘汞、量子阱和II類超晶格探測器都成為了第三代紅外探測器技術的代表者，有第三代紅外探測器所共有的特征。文章分別介紹了三種代表技術，并將銻基II 類超晶格紅外探測器作為最佳選擇，分析其獨特的結構和材料器件優勢，指出了其關鍵要解決的問題和其廣闊的應用前景。

關鍵詞：第三代；紅外探測器；材料；器件

紅外光自被人類發現以來，紅外探測技術歷經了兩個多世紀的發展，從第一個實用的紅外探測器研制成功之后，就廣泛應用于軍事、民用、太空等領域，如：紅外成像、紅外制導、紅外預警等，利用其分辨率高、保密性好、抗電子干擾能力強的優點，廣泛用于夜視、導航、預警、火控、防偽、精確打擊等。并且隨著研究的進展，先后出現了兩代紅外探測器，第一代以機械掃描方式實現目標成像；第二代凝視型焦平面探測器的單元數量比一代高三個數量級，進入二十一世紀，紅外焦平面技術又發展到了第三代，它與第二代相比，更注重多色探測、高性能和低成本的特質。由圖1所示可以看出紅外探測的發展歷程。

1 第三代紅外探測器的內容及概況分析

碲鎘汞、量子阱和II類超晶格探測器紅外探測技術都被稱為第三代紅外探測技術，它們所共有的技術要求是：（1）高工作溫度狀態、高探測率、高量子效率；（2）多光譜、高分辨率、大面陣；（3）低成本的制備。在共有的技術要求下，涵蓋有三個方面的內容：（1）高性能、高分辨率、多波段探測的制冷焦平面；（2）中等性能或高性能的非制冷焦平面；（3）低成本的非制冷焦平面。其中：高性能是指像元在100萬以上；低成本是通過提高工作溫度的方法，進一步改進器件技術。

第三代紅外探測器中，單色探測器包括：大面陣InSb中波紅外探測器、InGaAs近紅外探測器和非制冷紅外探測器。雙色或多色紅外探測器包括：碲鎘汞、量子阱和II類超晶格探測器紅外探測技術，這三種紅外探測器技術的紅外吸收機制不同，各具優缺點，也應用于不同的領域，被公認為是第三代紅外探測器技術。

2 第三代紅外探測器技術的不同性能概述

紅外探測器的制備技術發展由人工調制晶體到注入成結到外延成結的過程，第三代紅外探測技術應用以半導體能帶工程為核心的外延技術，在該技術支撐下，第三代紅外探測器技術具有不同的性能和優缺點。

2.1 碲鎘汞探測器

碲鎘汞是適用于紅外3-20um波段的紅外探測器。它是一種直接帶隙半導體材料，具有質量小、遷移率高、響應速度快的優點，它對于電子吸收外來光子從價帶躍遷到導帶，材料吸光系數大，量子效率高達90%以上，同時，調節碲鎘材料中的Cd組份，碲鎘汞材料的禁帶寬度也隨之變化。

缺點：（1）碲鎘汞材料主要由離子鍵結合，構成元素汞的穩定性差，極易從材料中析出，這造成了該材料的不均勻性和不穩定性。（2）由于它的器件響應波長是根據Cd元素的組分變化而變化的，這就使得碲鎘汞材料的器件性能更為不穩定，因而，也不適用于截止波長為7um的中波紅外探測器。（3）伴隨該材料器件的響應波長增加，一些暗電流機制也呈幾何級數增加，而該材料并沒有相應的控制手段。這些缺陷導致碲鎘汞材料的器件制備成本較高，無法滿足第三代紅外探測器的技術要求。

2.2 量子阱材料

由于該材料在能帶結構上形成對電子或空勢阱，在外加電場的作用下，光生載流子被收集形成光電流，故而得名：量子阱材料。目前主要采用的是：GaAs/A1GaAs量子阱紅外探測器，這是在III-V族生長技術和器件工藝技術成長起來的材料，其成品的襯底尺寸可達6in（1in=2.54cm）以上，可以生成大面積、均勻度極高的量子阱材料，與碲鎘汞材料不同，量子阱材料不僅可以改變材料組份，而且可以改變材料厚度、能級位置，器件響應波長也可以從中波3um到更長的30um。其材料結構如圖2所示。

該材料具有的優點：（1）均勻度高。它適用于長波段，成品可以進行大面積制備，目前已經制備出1024×1024像元的長波、中波紅外探測器和1024×1024像元的中長波雙色焦平面探測器。（2）由于該材料可以調節組份、厚度，因而易于制備大面陣紅外探測器，實現雙色或多色探測，具有良好的器件性能。

該材料存在的不足：它只適用于響應要求不快的場合，這是由它的工作方式所決定的。影響因素一：量子阱材料吸收光子是子帶間躍遷，數量級比價帶提供的電子差了3-4個量級；影響因素二：該材料只能吸收平行于表面的入射光，這對探測器的要求更為精細，增加了工藝難度同時也降低了器件的量子效率。它的量子效率為8%，遠低于碲鎘汞材料。另外，一個對制冷系統的制約性要求則是：量子阱材料的響應時間較長，就要求器件有較低的暗電流性能，而這無疑對制冷系統提出了更高的要求，量子阱材料要求較低的65-73K的工作溫度，這就增加了系統的功耗。

2.3 銻化物超晶格紅外探測材料

在InSb體晶生長加工技術和芯片背減薄技術的不斷完善下，銻化物分子束外延技術提高了該材料的高溫工作性能，成為了以InAs/GaSb超晶格材料為核心的6.1A族材料。它有獨特的斷代能帶結構，可以生成導帶勢阱、價帶勢阱、電子和空穴。另外，電子有效質量輕，具有微帶構造。這些特殊的能帶結構使其具有較多的優點：（1）量子效率高；（2）該材料可以調節其應變及其能帶結構，使重輕空穴分離大，降低了俄歇復合及有關的暗電流，提高了焦平面的工作溫度；（3）帶隙可調，隧穿電流小，可以在超長波段獲得較高的探測率，并實現從短波到超長波段的連續可調。（4）均勻度好，可以大面積生長材料，具有成本低的特質。

該材料的缺點：（1）目前，該材料的量子率已經達到60%，具有較高的量子效率，但是，還需要研究在復雜的材料結構和高量子效率之間的折衷與均衡。（2）該材料在生長之時對于界面設計和控制非常敏感，這不利于高質量材料的生長。（3）該材料極易氧化，使表面粗糙，增加了表面的非輻射復合；并且，器件表面與電極之間有導電通道，增加了暗電流，這些器件性能的提高都有待于表面鈍化技術的發展。

3 銻基II類超晶格紅外探測器，是第三代紅外探測器的最佳選擇

美國的量子器件中心、德國的IAF、AIM等機構都對銻基II類超晶格探測器進行了物理特性、器件性能等方面的研究，銻基II類超晶格材料被國外視為第三代探測的最佳選擇，在突破了高量子效率的材料生長技術之后，銻基II類超晶格探測獲得了飛速的發展。德國研制成功了高性能的中波單色和雙色II類超晶格焦平面探測器。圖3中充分體現了其在中、長波的高性能和高溫下的技術優勢，更為突出的是，銻基II類超晶格材料由于其自身優異的材料特性，背景限溫度高，器件可以在高于77k的高溫下工作，制冷功率極大降低，同時由于工作溫度高而引起的晶格失配和材料缺陷也將明顯減少，極大地提高了銻基II類超晶格探測材料的實用性能。

總之，在關于第三代紅外探測技術的研究方面，國內外都進行了高度的關注，高性能的紅外光電探測器的發展已經步入了第三代，將極大地拓展應用于現代軍事裝備及信息化工業，碲鎘汞、量子阱和銻化物II類超晶格紅外材料是世界公認的第三代紅外探測材料，都面臨各自的技術挑戰。新型低維結構的銻基II超晶格材料成為了最優選的材料，在現代也出現了明顯的產業化趨勢，未來可以預見，高溫型的銻基II類超晶格紅外探測器具有廣闊的發展前景。

參考文獻

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