红外探测行业深度研究报告：探测器技术获突破（37页）

制冷型红外探测器一般指的是利用半导体材料的光子效应制成的探测器，光电效应需要半导体冷却到较低 温度才能够观测，所以红外系统需要制冷后才能使用。由于制冷型红外探测器具有灵敏度高、能够分辨更细微 的温度差别、响应速度快、探测器距离远等优点，广泛应用于高端武器装备中。目前，第三代制冷型红外光电 探测器的材料主要包含 HgCdTe、量子阱光探测（QWIPs）、II 类超晶格（II-SLs）与量子点光探测（QDIPs） 四种。

碲镉汞（Hg1-xCdxTe）属于带隙可调半导体材料，通过调节 Cd 组分变化，波长能够完全覆盖短波，中波， 长波和甚长波等整个红外波段。碲镉汞红外探测器通过吸收外来光子产生的电子跃迁为带间跃迁，材料光吸收 大，量子效率高，高达 70%～80%，器件光响应大、响应率高。另外，碲镉汞材料电子有效质量小，迁移率高， 响应速度快，可作高频器件，以上优点使之成为一种最重要的红外探测器材料。 20 世纪 60 年代末 70 年代初，出现了第一代 HgCdTe 光导探测器。元数在 103 元以下，有线列和小面阵结 构，其代表产品有：美国的 60 元、120 元、180 元光导 HgCdTe 器件，法国 5×11 元光伏 HgCdTe 器件，英国 4 条（或 8 条）扫积型 HgCdTe 器件等。线阵列 HgCdTe 光导探测器使得长波红外前视系统可以只用一级制冷引 擎工作，系统紧凑、轻便而且能量消耗相当小。 20 世纪 70 年代末以及整个 80 年代，红外探测器逐渐向低功耗、高阻抗、大阵列等方向发展，在美国出现 基于 LADA Ⅰ、LADA Ⅱ、LADA Ⅲ型阵列发展起来的第二代红外焦平面阵列系统。该系统可提供较大的二维 阵列，规模在 103～106 元，不仅可以用于线阵扫描成像，而且可以用于方形和矩形阵列。代表产品有：4×240 元、4×480 元、256×256 元和 320×240 元碲镉汞红外探测器等。 碲镉汞红外探测器缺点也是非常明显的。碲镉汞是一种主要由离子键结合的三元半导体材料，离子键互作 用力小。元素汞非常不稳定，容易从碲镉汞材料中逸出从而造成材料的缺陷、材料的不均匀以及器件性能的不 均匀，这一缺点在长波应用时尤其突出。另外一个主要问题是碲镉汞薄膜材料生长的外延衬底问题，获得更大 尺寸的衬底和碲镉汞材料，必须考虑替代衬底以及晶格不匹配带来的质量问题。

随着技术升级，分子束外延法或金属有机化合物气相沉积法等技术可以制得复杂的 HgCdTe 多层异质结材 料，这更有利于第三代双色、多色红外光电探测器以及新结构探测器的发展。国际上知名的红外光电探测器研 究机构包括美国 DRS、雷神（Raytheon）、法国 LETI 以及 Sofradir、英国 SELEX 和德国 AIM 等。目前，HgCdTe 红外探测器在军用的预警卫星、侦察、制导，民用的遥感探测以及科学研究要求的天文探测等领域得到了广泛 应用。 量子阱红外探测器的名称来源于其构成材料在能带结构上构成电子或空穴势阱。外来光子引起的电子或空 穴跃迁属于子带间跃迁，在外加电场的作用下载流子被收集形成光电流。20 世纪 80 年代，美国贝尔实验室的 的 B．F．Levine 等人最早报道的应用 GaAs/AlGaAs 量子阱材料制备的红外探测器，掀起了对量子阱红外探测 器的研究热潮，在近二十多年的发展中取得长足的发展。 这种探测器使用带隙比较宽（GaAs 为 1.43eV）的Ⅲ-Ⅴ族材料，主要有光导型量子阱材料（GaAs/AlGaAs） 和光伏型量子阱材料（InAs/InGaSb、InAs/InAsSb）两种类型。与传统的 HgCdTe 探测器相比，量子阱红外探测 器具有更低的暗电流、更高的响应度等优越性。当然量子阱也具有其局限性：由于跃迁选择定则，量子阱不能 直接探测垂直入射辐射，并且具有比较窄的红外响应波段。 尽管由于量子阱红外探测器的的量子效率比较低，归功于成熟的 GaAs 制造工艺，生产出的量子阱红外探 测器具有更好的均匀性，并且很容易制造出大阵面红外探测器，此外，量子阱红外探测器的无光谱串扰性，在 甚长波红外探测和多色探测等领域有着特有的优势，很好地符合第三代红外探测器对大面阵、多色（波段）探 测、低成本的要求，因此在第三代红外探测器领域中占有重要地位。 随着量子阱红外探测器技术的不断完善，构成探测器的材料也出现了多样化，目前市面上的量子阱红外探 测器主要有 GaAs/AlGaAs、InGaAs/InAlAs 组成，少量的器件是由 InGaAs/InP 和 InGaAsP/InP 构成，极个别的 器件由 SiGe/Si 构成。