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目錄：

• 一、紅外基本概念及其主要應用
• 二、紅外探測器原理與核心指標
• 三、主流紅外探測器類型及其特點
• 四、紅外探測器製造企業及其技術路線

報告內容：

一、紅外基本概念及其主要應用

1.1 紅外線不為人眼所見但卻無處不在

紅外線是一種肉眼不可見的光線，在 1800 年被英國天文學家威廉·赫謝爾發現，又稱為紅外熱輻射。紅外 輻射本質是一種電磁輻射，在物理學上定義波長在 0.75~1000μm 的電磁波。紅外輻射的波長介於可見光和微波 之間，其短波與可見光波段的紅光相鄰，長波段與微波相接。

根據紅外輻射的產生機理、紅外輻射的應用和發展情況並結合考慮了紅外輻射在地球大氣層中的傳輸特性， 進一步將 0.75~1000μm的紅外輻射劃分為四個波段:(1)近紅外或短波紅外，波長範圍為0.75~3μm;(2)中 紅外或中波紅外，波長範圍為3~6μm;(3)遠紅外或長波紅外，波長範圍為 6~15μm;(4)極遠紅外，波長 範圍為 15~1000μm。

紅外輻射雖然不能直接被人眼感知，但它卻是自然界中最廣泛存在的輻射之一。任何溫度在絕對零度(-273.15°C)以上的物體都會源源不斷的向外輻射包括紅外輻射在內的全譜段輻射信號，輻射能力的大小與物 體表面的溫度和材料的特性有關，溫度越高，輻射的能量越大。

1.2紅外探測可實現夜視、測溫、穿透雲霧等功能，軍民兩用空間廣闊

紅外熱成像儀運用光電技術以被動的方式探測物體所發出的紅外輻射，算出物體表面每一點的溫度，以不 同的顏色來顯示不同的溫度，從而轉換為可供人類視覺分辨的圖像和圖形。紅外熱成像儀可以突破人類視覺障 礙，能在完全黑暗的環境下探測到物體，即使在有煙霧、粉塵的情況下也可實現探測，且不需要光源照明，因 此可以全天候使用。由於紅外熱成像具有隱蔽性好、抗干擾性強、目標識別能力強、全天候工作等特點，在軍 事和民用領域都發揮著越來越重要的作用。

紅外熱成像儀主要應用類型可以分為晝夜觀察和熱目標探測兩大類，最早運用在軍事領域，從上世紀 70-80 年代就逐步應用于海陸空戰場，應用場景包括軍事偵察、監視和制導等方面，經過多年的技術疊代及產品換代， 目前紅外產品在美國、法國等已開發國家軍隊的普及率較高，紅外成像、紅外偵察、紅外跟蹤、紅外製導、紅外 預警、紅外對抗等在現代戰爭中是很重要的戰術和戰略手段。

隨著紅外成像技術的發展與成熟，各種適於民用的低成本紅外像設備出現，在民用領域得到了廣泛的應用。

目前，紅外熱像儀行業已充分實現市場化競爭，各個企業向市場不斷推出價格更低、性能更好的非製冷型紅外 熱成像儀，在電力、建築、執法、消防、車載等行業的應用領域不斷的擴大。

1.3短/中/長波紅外探測適用場景各不相同

當紅外線在大氣層內或穿透大氣層時，會受到來自大氣層對輻射傳輸的影響，而造成光的能力衰減，這也 被稱為大氣消光。大氣消光作用對紅外輻射影響與波長有關，具有明顯的選擇性。紅外在大氣中有三個波段區 間內具有很高的透過率，被稱為「大氣窗口」，分別為:近紅外區的 1~3μm 波段，中紅外區3~5μm波段和遠紅 外區 8~14μm。

不同波段的紅外成像在成像機理方面存在著差異，長波、中波紅外成像主要是利用室溫目標自身發射的熱輻射，短波紅外成像則主要是利用室溫目標反射環境中普遍存在的短波紅外輻射。

1.3.1短波紅外原理及應用

短波紅外與中長波紅外在原理上具有明顯的差異，它利用反射光成像，而不是熱成像。短波紅外探測依賴 非常低亮度夜間環境中來自於月光、星光、大氣輝光等光線的「夜天輻射」。夜天輻射光度低於人眼視覺閾值， 難以引起人眼視覺感知。夜天輻射的大部分能量集中在 1~2.5μm短波紅外波段，獲取室溫景物反射夜天光的短 波紅外圖像與可見光的結合也成為現在微光夜視系統最常用的手段。

短波紅外更像增強的視力，它所成的像與人眼看到的非常類似。這在其很多應用方面具有很強的優勢，例如減少潛在的友軍誤傷、可以看到艦船的名字等海上目標的重要特徵，以及在安防應用中的面孔識別等。除此 之外，短波紅外成像還有一個其他技術無可比擬的主要優點，即它能夠透過擋風玻璃進行成像，常常用於武裝 運輸車駕駛間內的增強夜視系統。

1.3.2中長波原理及應用

中長波紅外主要是探測的目標物體自身輻射的紅外光譜，受目標物性、應用場景等多因素影響，中長波紅外探測器各有優劣。

目標溫度是影響探測器選擇的主要因素之一，不同溫度物體的紅外輻射在不同波段的能量密度具有顯著差 異。從 220K到 380K，目標在長波波段的有效輻射都遠大於中波波段的輻射;隨著目標溫度的升高，中波的絕 對輻射量很快增加，有效輻射比例迅速上升。

環境因素也是探測器選擇的主要考量因素之一，不同的波段的紅外光譜具有不同的適用性。例如中波在雨 天、霧天等濕度大的氣候條件下穿透性尤其強，而長波紅外在沙塵條件下穿透距離較其他波段更長。對於具體 的應用場景，要綜合考慮探測器材料、目標輻射、背景輻射和成本等多個影響，選擇合適波段的探測器。

對濕度較高環境，如艦載光電系統，探測目標的溫度大多在 300K 以上，具有一定的中波輻射，且這種環 境下中波輻射的大氣透過率比長波高，應優先選擇使用中波探測系統。對於地對地遠距離觀察紅外系統，背景 輻射大多比較複雜，大氣傳輸路徑較長，如果環境濕度較高，一般採用中波探測，如果環境濕度較低，可以考 慮採用長波探測。

對於空對地、空對空和地對空等遠距離觀察的紅外系統，如果探測溫度在 300K 以下的低溫目標，且傳輸 路徑中水汽較少、透過率較高則應該優先選擇長波探測系統;如果探測高溫目標，如飛機噴射管、排氣管、尾 焰等，應優先選擇中波探測系統。若紅外系統自身在高速運動，如飛彈探測系統、機載光電偵查系統等，由於 其窗口玻璃需要承載很大的風壓和氣動加熱，目前沒有合適的長波光學材料，因此也應該採用中波探測系統。

對於探測器距離要求較近的應用環境，如紅外安防監控系統、手持紅外望遠鏡或頭盔等，探測距離在幾十 米到 2km以內，應該優先選擇成本低、體積小、重量輕和功耗低的非製冷長波紅外探測器。對於森林火災等大 面積高溫目標的紅外系統，由於目標會產生大面積的強烈紅外輻射，完全覆蓋了中波和長波波段，即使使用非 製冷長波紅外探測器，探測距離也可以到十幾千米以上。

1.4紅外探測器是紅外產業鏈的核心

紅外熱像儀是一種二維平面成像的紅外系統，用來探測目標物體的紅外輻射，並通過光電轉換、電信號處 理等手段，將目標物體的溫度分布轉換成灰度分布，以視頻或圖像的形式輸出。紅外熱像組成部件及技術包括 了紅外光學系統、紅外焦平面探測器、後續電路以及圖像處理軟體，這四部分的性能與設計水平直接影響了紅 外熱像儀的成像質量與穩定性。

「一代器件，一代整機，一代裝備」，紅外探測器是紅外產業鏈的核心。紅外探測器性能高低直接決定了紅 外成像的質量。紅外探測器在紅外成像系統中的地位類似於人視覺系統中的視網膜，將從環境中檢測的紅外輻 射的信號，轉變為機器可以識別的電流或電壓的信號，是探測、識別和分析目標物體紅外信息的關鍵。

二、紅外探測器原理與核心指標

2.1熱探測器和光子探測器

紅外探測器是紅外系統的核心，是探測、識別和分析物體紅外信息的關鍵部件。據具體的需求和應用，紅 外探測器會有不同的分類方式來強調某一方面的特性。根據能量轉換方式，紅外探測器可以分為熱探測器和光 子探測器兩大類;根據工作溫度和製冷需求，分為製冷紅外探測器和非製冷紅外探測器。

熱探測器的工作機理就是基於入射輻射的熱效應引起探測器材料溫度變化。探測器材料某些物理性質會隨 著溫度變化發生改變，通過測量這些物理性質的變化就可以測出材料吸收輻射的大小。熱探測器利用的熱效應， 熱吸收與入射輻射的波長無關，熱敏單元的溫度變化較慢，室溫環境下就可以觀測到熱敏單元的溫度變化。

光子探測器是基於入射光子流與探測器材料的相互作用產生光電效應。探測器通過測量光電效應的大小可 以計算得到吸收輻射的大小。光電效應是半導體中電子吸收光子而產生的效應，通常情況下，必須將半導體冷 卻到較低溫度才能夠觀測到光電效應。同時，入射光子能量要大於一定值時才能產生光電效應，所以光子探測 器具有截止波長。

2.2 單元數日益增加，紅外焦平面探測器已是主流

對於一個紅外敏感單元，即單元紅外探測器，在其他條件不變的情況下，減少單元探測器的敏感元面積， 可以提高單元探測器的信噪比。但是如果要求紅外系統既要有足夠大的視場、又保證足夠高的信噪比，單元探 測器組成的紅外系統則無法同時滿足，需要發展多元探測器陣列組成的紅外系統。

早期的多元探測器陣列屬於分立元件組裝形式，一般元數都在 200 元以下。為了保證低溫工作環境，探測 器晶片需要封裝在高真空的杜瓦瓶中，每個探測單元的光電信號，最少有兩條信號引出線。如果探測器元件增 多，信號引出線也相應增加，將會使得加工難度增加。同時每一個引線都需要配備一個低噪聲前置放大器，功 耗較大，因此使用非常不便。

紅外焦平面陣列器材利用微電子工藝集成電路技術，集紅外探測器和信號處理電路與一體。實現了幾千個 甚至幾百萬個高密度的多元探測器陣列，同時完成光電轉換和信號處理。紅外焦平面陣列優化了紅外系統的結 構、減小了系統的體積、降低封裝難度並降低了系統的功耗，迅速取代分立組裝元件成為紅外探測器的主流。

按照成像的應用方式劃分，焦平面紅外探測器可以分為掃描式和凝視式兩種。當焦平面的光敏元數目較少， 一般成線陣排列，為了滿足紅外系統總視野的要求，必須藉助光機在水平和垂直兩個方向掃描成像，被稱為掃 描型焦平面探測器。如果焦平面探測器兩個方向的光敏元數目都可以滿足視場要求，無需光機掃描，目標空間 完全投影在焦平面範圍內，即焦平面「凝視」整個視場，被稱為凝視型焦平面探測器。目前市面主流產品都是凝 視型焦平面，掃描型焦平面在一些特殊應用方面仍有市場需求。

由於紅外焦平面主要有探測器陣列和讀出集成電路構成，而兩部分對材料的要求是有所不同的。紅外敏感 元部分主要著眼於材料的紅外光譜響應，而信號處理部分是從有利於電荷存儲與轉移的角度考慮的。目前沒有 一種能同時很好的滿足兩者要求的材料，從而導致了紅外焦平面結構的多樣性，分為單片式和混合式兩種。

單片式焦平面將探測器陣列與信號處理和讀出電路集成在同一晶片上，在同一晶片上完成所有這些功能。 混合式焦平面探測器將紅外探測器陣列和信息處理電路兩部分分別製作，通過鑲嵌技術把二者互連在一起。目 前最常用的是倒裝式混合結構，採用銦柱倒焊技術的互連方法，探測器陣列和矽多路傳輸器這兩個晶片通過的 銦柱對接，將探測器陣列的每個探測元與多路傳輸器一對一地對準配接起來。另外一種比較常用的是環孔型結 構，探測器晶片和多路傳輸器晶片膠接在一起，通過離子注入在晶片上製作光子探測器，用離子銑穿孔形成環 孔，再通過環孔澱積金屬使探測器與多路傳輸器電路互連，形成混合式結構。環孔互聯比倒裝焊有更好的機械 穩定性和熱特性。

2.3陣列規模、NETD、像元間距是紅外探測器的核心指標

紅外探測器的性能參數主要有響應度、噪聲等效功率、探測率、比探測率、光譜響應特徵、響應時間、響應頻率、噪聲等，其中最重要的是陣列規模、NETD、像元間距。

響應率:描述紅外光電探測器接受的入射紅外信號與輸出的電信號之間的對應關係。紅外探測器的響應率 定義為單位輻射功率人射到探測器上轉換為電信號的能力。響應率越大說明探測器對入射紅外輻射信號的響應 程度越強烈，但是這並不能說明該探測器的探測能力或是靈敏度就越高。

響應時間:由於紅外探測器存在惰性，因此對紅外輻射的響應存在一定的滯後。當以恆定的輻照強度照射 探測時，探測器的輸出信號從零開始逐漸上升，經過一段時間後才可以達到穩定值。響應時間的物理意義是: 當探測器受到紅外照射時，輸出信號上升到穩定值63%所需要的時間。響應時間越短，響應越快，該指標直接 影響系統設計中的幀頻。當幀頻對應的時間小於響應時間，新的信號還不能達到預定的穩定輸出值，上一幀的 信號還沒有釋放完，因此不能得到準確清晰的圖像。幀率是製冷型探測器和非製冷型探測器性能的主要差別之 一，製冷型探測器的幀頻更高。

噪聲:紅外系統的探測性能受到其噪聲的限制，噪聲的大小決定了紅外探測器性能的極限。紅外焦平面探 測器的噪聲包括瞬態噪聲和空間噪聲。瞬態噪聲指的主要是器件本身的噪聲，如光子噪聲、暗電流噪聲、以及 讀出電路的噪聲等;空間噪聲是由於紅外焦平面陣列各個像元的響應特徵不一致造成的。

噪聲等效功率 NEP:描述測器探測輻射的能力的下限。由於噪聲存在，當輻射小到它在探測器上產生的信 號完全被探測器噪聲所淹沒時，探測器就無法檢測輻射信號。當探測器輸出信號等於探測器噪聲時，入射到探 測器上的輻射功率定義為噪聲等效功率。在設計系統時通常要求最低可探測功率(靈敏度)數倍於噪聲等效功 率，以保證系統有較高的探測機率和較低的虛警率。

比探測率 D*:探測率 D 是噪聲等效功率 NEP 的倒數，用來表示輻照在探測器上單位輻射功率所獲得的信 噪比。但探測率與探測器的面積和噪聲帶寬有關，所以引入了比探測率 D*這一個標準化參數來度量探測器的性能。表示當探測器的敏感元有單位面積、放大器測量帶寬為1Hz時，單位輻射功率所能獲得的信號噪聲比。比 探測率越大，探測器的探測能力越強，所以在對探測器性能進行比較時，用比探測率較為合適。

噪聲等效溫差 NETD:噪聲等效溫差是度量焦平面器件溫度分辨能力能力的參數，定義為器件的輸入信號 等於噪聲時，入射輻射目標的溫度變化。又稱為紅外熱成像的熱靈敏度，決定了熱像儀區分細微溫差的能力。 NETD 越小，表示器件的靈敏度越高。例如:某紅外探測器在室溫下的熱靈敏度為50mK，表示被測物表面溫度 發生 0.05°C的變化時，或者表面存在 0.05°C以上的不均勻時，就可以被紅外熱像儀的探測器所感應到。

盲元率:盲元率是評價一款焦平面陣列均勻程度的最直觀的指標。由於製造材料、工藝等因素的影響(如 材料的不均勻性、掩膜誤差、缺陷等)，在紅外焦平面陣列器件中存在不可避免的非均勻性，響應度小於焦平 面器件平均響應度 1/2的像元為死像元，或盲元，像元噪聲大於平均噪聲的 2 倍則為過熱盲元。盲元占總像元 數的百分比為盲元率。盲元的數量和分布對於紅外圖像的信噪比和圖像質量產生很大影響，如果盲元過多或分 布過於集中，則紅外圖像上將出現大量的或者過於集中的壞點。

像元尺寸:描述單個成像單元的尺寸大小。在紅外成像系統應用中，像元尺寸的減小，可以使得每個晶片 上製造更大規模的焦平面陣列，對整機系統的大小、重量和價格大有好處。但是由於 NETD 反比於像元面積， 因此如果像元尺寸由 50×50μm 減小至 17×17μm，而其他各項參數保持不變的情況下，NETD 就會增大約 9 倍， 這是由於像元尺寸的減小，將使得像元面積接受紅外能量減小，溫度提升降低，導致靈敏度降低。

三、主流紅外探測器類型及其特點

3.1紅外探測器發展歷程

紅外探測器的早期發展主要是熱探測器。1829 年諾比利構造了第一個熱電偶和多個熱電偶串聯而成的熱電 堆。1833 年，梅洛尼改進了設計，製造了可以探測 30 英尺以外的人體的溫度的熱電堆。1880 年，蘭利製作出 可以研究太陽的紅外光譜輻射強度和輻照度測輻射熱計，比同時代熱電堆性能 30 倍。

光子探測器晚於熱探測器出現。光電導效應發現於 1873 年史密斯的硒的海底電纜絕緣層實驗。1917 年， 凱斯發現含有鉈和硫的物質呈現出光導性，並研製出第一個紅外光電導探測器。當時，這種探測器在光照下電 阻不穩定，響應度較低、噪聲增大且可重複性差。大約從20世紀 30 年代起，光子探測器才逐漸成為了紅外探 測器發展的主流。

早期研製的紅外探測器存在波長單一、量子效率低、工作溫度低等問題，大大地限制了紅外探測器的應用。

現代紅外探測器到 20 世紀 40 年代才開始發展並投入實際應用。現代紅外探測器技術起源於第二次世界大戰， 戰爭使人們認識到紅外探測器在軍事應用中的價值。第二次世界大戰之後，紅外光子技術與半導體材料科學以 及為集成電路研發的光刻技術相結合，使紅外探測器在 20 世紀短暫的時間內取得非比尋常的發展。

20世紀 50 年代初發明電晶體以後，第一個非本徵光電導探測器就已出現，由於控制摻雜技術最先應用於 鍺，所以第一個高性能非本徵探測器是以鍺為基礎製造的，可以製成適於8~14μm長波紅外的探測器。1967 年， 索瑞夫首先報道了關於非本徵矽探測器的研究。十年之後，當波義耳與史密斯發明了電荷耦合器件(CCD)以 後，非本徵矽又重新得到重視。

在 20 世紀 50年代，與非本徵導體探測器同時，窄禁帶半導體也在快速發展。1959 年，勞森(Lawson)與 其同事的研究帶動了可變帶隙合金Hg1-xCdxTe(碲鎘汞)的發展，很快就出現了基於鎘汞材料的、響應波長達 到 12μm 的光導型和光伏型探測器。

70年代開始，藉助於晶體製備能力以及外延技術的快速發展，碲鎘汞材料研究也更加深入。人們發現通過 調節 Cd組分，HgCdTe 的帶隙可以實現在 0-1.6eV 之間的連續變化，對應的波長能夠完全覆蓋短波，中波，長 波和甚長波等整個紅外波段，碲鎘汞紅外探測器逐漸成為紅外探測器技術的首選，它在紅外探測器發展歷程中 占有重要的地位。

隨著光刻技術在 20 世紀 60 年代的實用化，人們便用這種方法來製作紅外探測器陣列。半導體紅外探測器 從出現至今可以劃分為三代:第一代是線性光導探測器陣列，線列探測器技術首先用於 PbS、PbSe 和InSb探 測器，已經得到廣泛應用;第二代是二維光伏探測器陣列，陣列包含大約106 個探測器單元，並利用集成在一 起的線路完成電子掃描;當前發展的第三代紅外光電探測器，是在第二代基礎上進一步提出了探測器高性能、 低成本的要求。

3.2製冷型紅外探測器

製冷型紅外探測器一般指的是利用半導體材料的光子效應製成的探測器，光電效應需要半導體冷卻到較低 溫度才能夠觀測，所以紅外系統需要製冷後才能使用。由於製冷型紅外探測器具有靈敏度高、能夠分辨更細微 的溫度差別、響應速度快、探測器距離遠等優點，廣泛應用於高端武器裝備中。目前，第三代製冷型紅外光電 探測器的材料主要包含 HgCdTe、量子阱光探測(QWIPs)、II 類超晶格(II-SLs)與量子點光探測(QDIPs)四種。

3.2.1碲鎘汞紅外探測器

碲鎘汞(Hg1-xCdxTe)屬於帶隙可調半導體材料，通過調節Cd組分變化，波長能夠完全覆蓋短波，中波， 長波和甚長波等整個紅外波段。碲鎘汞紅外探測器通過吸收外來光子產生的電子躍遷為帶間躍遷，材料光吸收 大，量子效率高，高達 70%~80%，器件光響應大、響應率高。另外，碲鎘汞材料電子有效質量小，遷移率高， 響應速度快，可作高頻器件，以上優點使之成為一種最重要的紅外探測器材料。

20世紀 60 年代末 70 年代初，出現了第一代HgCdTe光導探測器。元數在 103 元以下，有線列和小面陣結 構，其代表產品有:美國的 60 元、120 元、180 元光導 HgCdTe 器件，法國5×11元光伏 HgCdTe 器件，英國 4 條(或 8 條)掃積型 HgCdTe 器件等。線陣列HgCdTe光導探測器使得長波紅外前視系統可以只用一級製冷引 擎工作，系統緊湊、輕便而且能量消耗相當小。

20世紀 70 年代末以及整個 80 年代，紅外探測器逐漸向低功耗、高阻抗、大陣列等方向發展，在美國出現 基於 LADAI、LADA II、LADA III型陣列發展起來的第二代紅外焦平面陣列系統。該系統可提供較大的二維 陣列，規模在 103~106 元，不僅可以用於線陣掃描成像，而且可以用於方形和矩形陣列。代表產品有:4×240 元、4×480 元、256×256 元和 320×240元碲鎘汞紅外探測器等。

碲鎘汞紅外探測器缺點也是非常明顯的。碲鎘汞是一種主要由離子鍵結合的三元半導體材料，離子鍵互作 用力小。元素汞非常不穩定，容易從碲鎘汞材料中逸出從而造成材料的缺陷、材料的不均勻以及器件性能的不 均勻，這一缺點在長波應用時尤其突出。另外一個主要問題是碲鎘汞薄膜材料生長的外延襯底問題，獲得更大 尺寸的襯底和碲鎘汞材料，必須考慮替代襯底以及晶格不匹配帶來的質量問題。

隨著技術升級，分子束外延法或金屬有機化合物氣相沉積法等技術可以製得複雜的 HgCdTe 多層異質結材 料，這更有利於第三代雙色、多色紅外光電探測器以及新結構探測器的發展。國際上知名的紅外光電探測器研 究機構包括美國 DRS、雷神(Raytheon)、法國 LETI 以及 Sofradir、英國 SELEX和德國 AIM 等。目前，HgCdTe 紅外探測器在軍用的預警衛星、偵察、制導，民用的遙感探測以及科學研究要求的天文探測等領域得到了廣泛 應用。

3.2.2量子阱紅外探測器(QWIPs)

量子阱紅外探測器的名稱來源於其構成材料在能帶結構上構成電子或空穴勢阱。外來光子引起的電子或空 穴躍遷屬於子帶間躍遷，在外加電場的作用下載流子被收集形成光電流。20 世紀80年代，美國貝爾實驗室的 的 B.F.Levine 等人最早報道的應用GaAs/AlGaAs量子阱材料製備的紅外探測器，掀起了對量子阱紅外探測 器的研究熱潮，在近二十多年的發展中取得長足的發展。

這種探測器使用帶隙比較寬(GaAs 為 1.43eV)的III-V族材料，主要有光導型量子阱材料(GaAs/AlGaAs) 和光伏型量子阱材料(InAs/InGaSb、InAs/InAsSb)兩種類型。與傳統的HgCdTe探測器相比，量子阱紅外探測 器具有更低的暗電流、更高的響應度等優越性。當然量子阱也具有其局限性:由於躍遷選擇定則，量子阱不能 直接探測垂直入射輻射，並且具有比較窄的紅外響應波段。

儘管由於量子阱紅外探測器的的量子效率比較低，歸功於成熟的 GaAs 製造工藝，生產出的量子阱紅外探 測器具有更好的均勻性，並且很容易製造出大陣面紅外探測器，此外，量子阱紅外探測器的無光譜串擾性，在 甚長波紅外探測和多色探測等領域有著特有的優勢，很好地符合第三代紅外探測器對大面陣、多色(波段)探 測、低成本的要求，因此在第三代紅外探測器領域中占有重要地位。

隨著量子阱紅外探測器技術的不斷完善，構成探測器的材料也出現了多樣化，目前市面上的量子阱紅外探 測器主要有 GaAs/AlGaAs、InGaAs/InAlAs 組成，少量的器件是由 InGaAs/InP 和 InGaAsP/InP 構成，極個別的 器件由 SiGe/Si 構成。

3.2.3 II 類超晶格紅外探測器(II-SLs)

超晶格的概念是在 1977 年由 Esaki L 和 Tsu R 提出的，其是由兩種或者兩種以上的半導體材料周期性結構 組成的。結構與量子阱結構類似，不同之處在於超晶格的勢阱和勢壘層都非常薄，約為幾個單分子層厚度(對 於中波探測材料，約 2~3nm)。

按構成超晶格的兩種材料能帶配製情況，超晶格可以分為三類，以 GaAs/GaxAl1-xAs 為代表的第一類超晶格， 以 InAs/GaSb 為代表的第二類超晶格和以 HgTe/CdTe 為代表的第三類超晶格等。II類超晶格紅外探測器具有非 常特殊的能帶結構，其空穴勢阱位置高於電子勢阱，電子和空穴分別被限制在不同的材料層。

II類超晶格紅外探測材料的獨特的「破帶隙」能帶結構使得其具有很多優點:量子效率高，響應時間快，暗 電流小;隧穿電流小，在甚長波可獲得高的探測;電子有效質量大，在長波範圍約為碲鎘汞的三倍;帶隙可調， 光譜調節能力好，響應波長從 3μm 到 30μm 可調;雙色II類超晶格器件全部外延層的厚度不到雙色碲鎘汞器件 的三分之一，這給材料生長和器件工藝帶來許多便利，大面積材料均勻性好、成本低。以上優點使得在長波以 及甚長波範圍II類超晶格紅外探測器能夠實現更高的器件性能和工作溫度。

二類超晶格於 1987 年 Smith 和Mailhiot首次提出， InAs/GaSb 的獨特物理性質可以實現高性能的紅外探測 器。經過 30 多年的發展，利用 InAs/GaSb 二類超晶格材料實現的大面積雙色高性能紅外探測器已經問世。在理 論和實驗兩方面，II類超晶格都顯示了其優越的器件性能，作為新一代光電材料和器件，具有巨大的發展潛力 和應用前景。

3.2.4量子點紅外探測器(QDIPs)

量子點紅外探測器(QDIPs)於 1998 年首次被 Phillips 等人論證，量子點紅外探測器從結構和原理上都類 似於量子阱紅外探測器，只是量子阱被量子點取代，在全部空間方向上都有尺寸的限制。量子點紅外探測器的 工作原理正是利用了量子點的三維量子限制效應，當量子點束縛態內的電子受到光激發後，在外加偏壓形成的 電場作用下，電子將被收集形成光電流。

量子點紅外探測器(QDIPs)具備很多理論優勢。首先，量子點對電子有三維限制效應，可以對垂直入射 光響應;其次，量子點的有效載流子壽命更長，具有更長的電子弛豫時間，光激發電子更容易被收集形成光電 流，利於響應率和增益的提高;另外，QDIPs 的暗電流低，可以達到高的工作溫度、高的響應率和探測率。

量子點紅外探測器的實際性能和預期有較大差距。這主要是因為單層量子點的密度低，吸收效率不高，量 子點外延生長過程中應力的積累限制了量子點的周期數，並且外延生長的量子點尺寸、成分、摻雜的不均勻性 都降低了量子點層的吸收係數，因此 QDIPs 的量子效率低於預期理論值

3.3非製冷型紅外探測器

自 1930 年以來，光子探測器一直占據著紅外探測器發展的主導地位。然而，光子探測器所需的低溫製冷不 但使得探測器價格昂貴，也使得系統體積增大、使用不便。非製冷紅外焦平面探測器無需製冷裝置，能夠工作 在室溫狀態下，具有體積小、質量輕、功耗小、壽命長、成本低、啟動快等優點。雖然在靈敏度上不如製冷型 紅外焦平面探測器，但非製冷紅外焦平面探測器的性能已可滿足部分軍事裝備及絕大多數民用領域的技術需要。

目前，微測輻射熱計探測器的產量比所有其他紅外陣列技術的總和都要大，主導非製冷紅外探測器技術。 目前，商用測輻射熱計主要由氧化釩製造、非晶矽或矽二極體製造。短波紅外探測器也屬於非製冷型紅外探測 器的一種。

3.3.1 VOx 微測輻射熱計

VOx 的電阻溫度係數較高(一般為 2%~3%/K)，即隨著溫度的變化電阻變動的幅度較大，是目前首選的熱敏電阻型非製冷紅外焦平面探測材料。

早在 20 世紀 80年代初，美國的 Honeywell 公司在軍方的資助下，開始研究氧化釩薄膜，並於 20 世紀 80 年代末研製出非製冷氧化釩微測輻射熱計紅外焦平面陣列。在1993年就報道了 320×240 像素的微測熱輻射紅外 焦平面陣列，其像元尺寸為 50μm×50μm，噪聲等效溫差(NETD)為 100 mK(f/1:30 Hz)。

Honeywell公司這種原創技術授權給了美國的幾家公司，用於發展和生成商業及軍用非製冷焦平面。1994 年，美國 DRS 公司獲得Honeywell技術許可。兩年後，DRS 發明了「傘狀」像元結構專利，「傘狀」結構由吸收介 質薄膜構成，與下面的絕緣體一起可以使輻射吸收最大化。其「傘狀」結構可以調節從而對其熱道和熱容進行控 制，使工作波段的紅外吸收得到最大，實現最佳響應度和響應時間。

美國雷聲視覺系統(RVS)在 1999 年的研究表明，延長支撐腿的長度是提高靈敏度的有效方法之一，並在 此基礎上對像元結構進行了一些改進，開發了一種多層微輻射熱計像元結構，將熱絕緣支撐腿和VOx 測輻射熱 計放置在不同的平面上。

2004年，日本 NEC 提出了一種帶有屋檐結構的改進像元結構。該像元是三層結構，最上層是採用 SiN 制 成的屋檐結構，VOx 測輻射熱計薄膜、隔膜以及製成位於中間層。最下面是一個反射層，與處於中間層的隔膜 形成光學諧振吸收器。

其他西方國家也緊隨其後，相繼研發出結構類似性能相當的紅外焦平面探測器。這些公司在上付出了大量 的努力，通過減小像元尺寸、增加表面吸收以及改進 CMOS 的讀出，使得VOx 測輻射熱計在更多方面的應用成 為可能。

3.3.2非晶矽微輻射測熱計

非晶矽的電阻溫度係數(4%/K)與 VOx 的相當，也是一種具有前途的微測輻射熱計材料。法國非製冷紅 外探測器研究機構主要是在法國原子能委員會與信息技術實驗室/紅外實驗室(CEA-Leti-LIR)，從 1992 年就開 始研究非晶矽探測器，現已成熟。索弗雷德公司(Sofradir)下屬的優利斯公司(ULIS)負責將技術轉化為大規 模的生產。

美國國防高級研究計劃局(DARPA)也在投資研究非晶矽，目的是把像素尺寸縮小到約15μm，噪聲等效 溫差達到 10mK，而成本降至現有產品的十分之一。

VOx材料的最大缺陷就是不能與標準矽集成電路工藝兼容，選用非晶矽作為熱敏材料可以很好的解決這個 問題。除此之外，由於非晶矽與矽材料類似，結構設計容易，通過布局簡單的像元結構可以保證探測器更高的 響應速度，而且非晶矽的均勻性較好，製作工藝簡單，成本較低。但是由於由於非晶矽是無定形結構，呈現的 電流噪聲比 VOx 要高，所以 NETD 通常不如VOx 材料，具體表現為圖像有蒙紗感，紅外圖像感觀不夠銳利通 透。

3.3.3短波紅外傳感器

短波紅外波段的探測器在空間遙感、夜視、溫度測量等領域具有重要的應用價值和前景目前，該波段範圍 的探測器除了使用傳統的碲鎘汞和銻化物紅外材料以外，銦鎵砷(InGaAs)材料被認為是製作短波紅外探測器 的優良材料，採用它製作的短波紅外探測器截止波長約為 1.7μm，具有高吸收係數、高遷移率和高探測率等優 勢。

美國的 Goodrich(SUI，Sensors Unlimited,Inc)公司是近紅外(NIR)和短波紅外(SWIR)器件的著名制 造商，公司 InGaAs 紅外探測器已經形成系列產品，在國際上一直處於領先地位。公司把 InGaAs 焦平面探測器 應用在武器的雷射跟蹤和通信系統、軍用夜視、工業過程、安全監測及科學研究等領域。美國 FLIR 下屬的 Indigo 子公司、日本濱松光子、XenICs 等也都研製出了不同的 InGaAs 焦平面陣列。

國內也有很多機構從事 InGaAs 探測器研究，包括中科院上海技術物理研究所、中科院長春光學精密機械與 物理研究所、中科院上海微系統與信息技術研究所、中科院電子科技集團第44所、洛陽光電技術發展中心和昆 明物理研究所等，也有國惠光電、立鼎光電等公司進行短波紅外探測器的研發生產，雖然國內起步較晚，但是 近幾年取得了很大的進步，與國外的差距逐漸縮小。

3.4未來發展趨勢

1999年由唐納德•里高等人提出了第三代探測器的 SWaP(Size，Weight，and Power，Performance and Price) 概念。在該概念發展的驅使下，紅外探測器的發展主要集中在大規格、小型化、多色化(multi-color)、智能 化和高溫工作等前沿領域方面。高性能是核心，重點是提高光譜、空間、時間的解析度和輻射探測器的靈敏度; 而在實際應用時，則涉及 SWaP3 概念的各個方面，需要權衡權衡尺寸、重量、功耗、應用成本等。

四、紅外探測器製造企業及其技術路線：略

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（報告來源：中信建設證券；分析師：黎韜揚、鮑學博）