紅外探測器技術(shù)的發(fā)展

　?。?）光伏型：主要是p－n結(jié)的光生伏特效應(yīng)。能量大于禁帶寬度的紅外光子在結(jié)區(qū)及其附近激發(fā)電子空穴對。存在的結(jié)電場使空穴進(jìn)入p區(qū)，電子進(jìn)入 n 區(qū)，兩部分出現(xiàn)電位差。外電路就有電壓或電流信號。與光導(dǎo)探測器比較，光伏探測器背影限探測率大于40％；不需要外加偏置電場和負(fù)載電阻，不消耗功率，有高的阻抗。這些特性給制備和使用焦平面陣列帶來很大好處。

　?。?）光發(fā)射－Schottky勢壘探測器：金屬和半導(dǎo)體接觸，典型的有PtSi/Si結(jié)構(gòu)，形成Schott ky勢壘，紅外光子透過Si層為PtSi吸收，電子獲得能量躍上 Fermi能級，留下空穴越過勢壘進(jìn)入Si襯底，PtSi層的電子被收集，完成紅外探測。充分利用Si集成技術(shù)，便于制作，具有成本低、均勻性好等優(yōu)勢，可做成大規(guī)模（1024×1024甚至更大）焦平面陣列來彌補量子效率低的缺陷。有嚴(yán)格的低溫要求。用這類探測器，國內(nèi)外已生產(chǎn)出具有像質(zhì)良好的熱像儀。Pt Si/Si結(jié)構(gòu)FPA是最早制成的IRFPA。

　?。?）量子阱探測器（QWIP）：將兩種半導(dǎo)體材料A和B用人工方法薄層交替生長形成超晶格，在其界面，能帶有突變。電子和空穴被限制在低勢能阱A層內(nèi)，能量量子化，稱為量子阱。利用量子阱中能級電子躍遷原理可以做紅外探測器。90年代以來發(fā)展很快，已有512×512、64 0×480規(guī)模的QWIP GaAs/AlGaAs焦平面制成相應(yīng)的熱像儀誕生。因為入射輻射中只有垂直于超晶格生長面的電極化矢量起作用，光子利用率低；量子阱中基態(tài)電子濃度受摻雜限制，量子效率不高；響應(yīng)光譜區(qū)窄；低溫要求苛刻。人們正深入研究努力加以改進(jìn)，可望與碲鎘汞探測器一爭高低。

　　3、新技術(shù)飛速發(fā)展促進(jìn)紅外探測器更新?lián)Q代

　　60年代以前多為單元探測器掃描成像，但靈敏度低，二維掃描系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜笨重。增加探測元，例如有N元組成的探測器，靈敏度增加N1/2倍，一個M×N陣列，靈敏度增長（M×N）1/2倍。元數(shù)增加還將簡化光機掃描機構(gòu)，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(tǒng)?，F(xiàn)代探測器技術(shù)進(jìn)入第二、第三代，重要標(biāo)志之一就是元數(shù)大大增加。另一方面是開發(fā)同時覆蓋兩個波段以上的雙色和多光譜探測器。所有進(jìn)展都離不開新技術(shù)特別是半導(dǎo)體技術(shù)的開發(fā)和進(jìn)步。幾項具有里程碑意義的技術(shù)有：

　?。?）半導(dǎo)體精密光刻技術(shù) 使探測器技術(shù)由單元向多元線列探測器迅速發(fā)展，即后來稱為第一代探測器。

　?。?）Si集成電路技術(shù) Si讀出電路與光敏元大面陣耦合，誕生了所謂第二代的大規(guī)模紅外焦平面陣列探測器 。更進(jìn)一步有Z平面和靈巧型智能探測器等新品種。此項技術(shù)還誘導(dǎo)產(chǎn)生非制冷焦平面陣列 ，使一度冷落的熱探測器重現(xiàn)勃勃生機。

　　（3）先進(jìn)的薄層材料生長技術(shù) 分子束外延、金屬有機化學(xué)汽相淀積和液相外延等技術(shù)可重復(fù)、精密控制生長大面積高度均勻材料，使制備大規(guī)模紅外焦平面陣列成為可能。也是量子阱探測器出現(xiàn)的前提。

　?。?）微型制冷技術(shù) 高性能探測器低溫要求驅(qū)動微型制冷機的開發(fā)，制冷技術(shù)又促進(jìn)了探測器的研制和應(yīng)用。

　　我國紅外探測器研制從1958年開始，至今已40多年。先后研制過PbS、PbSe、Ge:Au、Ge:Hg 、InSb、PbSnTe、HgCdTe、PtSi/Si、GaAs/AlGaAs量子阱和熱釋電探測器等。 隨著低維材料出現(xiàn)，納米電子學(xué)、光電一體化等技術(shù)日新月異，21世紀(jì)紅外探測器必有革命性的進(jìn)展。物理學(xué)及材料科學(xué)是現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展的主要基礎(chǔ)，現(xiàn)代技術(shù)飛速發(fā)展對物理學(xué)研究 又有巨大的反作用。

　　4、高性能紅外探測器-碲鎘汞探測器

　　1959年，英國Lawson等首先制成可變帶隙Hg1－xCdxTe固溶體合金，提供了紅外探測器設(shè)計空前的自由度。

碲鎘汞有三大優(yōu)勢：

　　1）本征激發(fā)、高的吸收系數(shù)和高的量子效率（可超過80％）且有高的探測率；

　　2）其最吸引人的特性是改變Hg、Cd配比調(diào)節(jié)響應(yīng)波段，可以工作在各個紅外光譜區(qū)段并獲得最佳性能。而且晶格參數(shù)幾乎恒定不變，對制備復(fù)合禁帶異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)新器件特別重要

　　3）同樣的響應(yīng)波段，工作溫度較高，可工作的溫度范圍也較寬。

　　碲鎘汞中，弱Hg－Te鍵（比Cd－Te鍵弱約30％），可通過熱處理或特定途徑形成P或N型，并可完成轉(zhuǎn)型。其電學(xué)性質(zhì)如1載流子濃度低，2少數(shù)載流子壽命長，3電子空穴有效質(zhì)量比大（～10.0），電子遷移率高，4介電常數(shù)小等有利于探測器性能。

　　第一代碲鎘汞探測器主要是多元光導(dǎo)型，美國采用60、120和180元光導(dǎo)探測器作為熱像儀通用組件，英國則以70年代中期開發(fā)的SPRITE為通用組件。SPRITE是一種三電極光導(dǎo)器件，利用半導(dǎo)體中非平衡載流子掃出效應(yīng)，當(dāng)光點掃描速度與載流子雙極漂移速度匹配，使探測器在完成輻射探測的同時實現(xiàn)信號的時間延遲積分功能。8條SPRIET的性能可相當(dāng)100元以上的多元探測器。結(jié)構(gòu)、制備工藝和后續(xù)電子學(xué)大大簡化。現(xiàn)有技術(shù)又克服了高光機掃描速度和空間分辨率受限制等兩個缺陷。