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目录：

• 一、红外基本概念及其主要应用
• 二、红外探测器原理与核心指标
• 三、主流红外探测器类型及其特点
• 四、红外探测器制造企业及其技术路线

报告内容：

一、红外基本概念及其主要应用

1.1 红外线不为人眼所见但却无处不在

红外线是一种肉眼不可见的光线，在 1800 年被英国天文学家威廉·赫谢尔发现，又称为红外热辐射。红外 辐射本质是一种电磁辐射，在物理学上定义波长在 0.75~1000μm 的电磁波。红外辐射的波长介于可见光和微波 之间，其短波与可见光波段的红光相邻，长波段与微波相接。

根据红外辐射的产生机理、红外辐射的应用和发展情况并结合考虑了红外辐射在地球大气层中的传输特性， 进一步将 0.75~1000μm的红外辐射划分为四个波段:(1)近红外或短波红外，波长范围为0.75~3μm;(2)中 红外或中波红外，波长范围为3~6μm;(3)远红外或长波红外，波长范围为 6~15μm;(4)极远红外，波长 范围为 15~1000μm。

红外辐射虽然不能直接被人眼感知，但它却是自然界中最广泛存在的辐射之一。任何温度在绝对零度(-273.15°C)以上的物体都会源源不断的向外辐射包括红外辐射在内的全谱段辐射信号，辐射能力的大小与物 体表面的温度和材料的特性有关，温度越高，辐射的能量越大。

1.2红外探测可实现夜视、测温、穿透云雾等功能，军民两用空间广阔

红外热成像仪运用光电技术以被动的方式探测物体所发出的红外辐射，算出物体表面每一点的温度，以不 同的颜色来显示不同的温度，从而转换为可供人类视觉分辨的图像和图形。红外热成像仪可以突破人类视觉障 碍，能在完全黑暗的环境下探测到物体，即使在有烟雾、粉尘的情况下也可实现探测，且不需要光源照明，因 此可以全天候使用。由于红外热成像具有隐蔽性好、抗干扰性强、目标识别能力强、全天候工作等特点，在军 事和民用领域都发挥着越来越重要的作用。

红外热成像仪主要应用类型可以分为昼夜观察和热目标探测两大类，最早运用在军事领域，从上世纪 70-80 年代就逐步应用于海陆空战场，应用场景包括军事侦察、监视和制导等方面，经过多年的技术迭代及产品换代， 目前红外产品在美国、法国等发达国家军队的普及率较高，红外成像、红外侦察、红外跟踪、红外制导、红外 预警、红外对抗等在现代战争中是很重要的战术和战略手段。

随着红外成像技术的发展与成熟，各种适于民用的低成本红外像设备出现，在民用领域得到了广泛的应用。

目前，红外热像仪行业已充分实现市场化竞争，各个企业向市场不断推出价格更低、性能更好的非制冷型红外 热成像仪，在电力、建筑、执法、消防、车载等行业的应用领域不断的扩大。

1.3短/中/长波红外探测适用场景各不相同

当红外线在大气层内或穿透大气层时，会受到来自大气层对辐射传输的影响，而造成光的能力衰减，这也 被称为大气消光。大气消光作用对红外辐射影响与波长有关，具有明显的选择性。红外在大气中有三个波段区 间内具有很高的透过率，被称为“大气窗口”，分别为:近红外区的 1~3μm 波段，中红外区3~5μm波段和远红 外区 8~14μm。

不同波段的红外成像在成像机理方面存在着差异，长波、中波红外成像主要是利用室温目标自身发射的热辐射，短波红外成像则主要是利用室温目标反射环境中普遍存在的短波红外辐射。

1.3.1短波红外原理及应用

短波红外与中长波红外在原理上具有明显的差异，它利用反射光成像，而不是热成像。短波红外探测依赖 非常低亮度夜间环境中来自于月光、星光、大气辉光等光线的“夜天辐射”。夜天辐射光度低于人眼视觉阈值， 难以引起人眼视觉感知。夜天辐射的大部分能量集中在 1~2.5μm短波红外波段，获取室温景物反射夜天光的短 波红外图像与可见光的结合也成为现在微光夜视系统最常用的手段。

短波红外更像增强的视力，它所成的像与人眼看到的非常类似。这在其很多应用方面具有很强的优势，例如减少潜在的友军误伤、可以看到舰船的名字等海上目标的重要特征，以及在安防应用中的面孔识别等。除此 之外，短波红外成像还有一个其他技术无可比拟的主要优点，即它能够透过挡风玻璃进行成像，常常用于武装 运输车驾驶间内的增强夜视系统。

1.3.2中长波原理及应用

中长波红外主要是探测的目标物体自身辐射的红外光谱，受目标物性、应用场景等多因素影响，中长波红外探测器各有优劣。

目标温度是影响探测器选择的主要因素之一，不同温度物体的红外辐射在不同波段的能量密度具有显著差 异。从 220K到 380K，目标在长波波段的有效辐射都远大于中波波段的辐射;随着目标温度的升高，中波的绝 对辐射量很快增加，有效辐射比例迅速上升。

环境因素也是探测器选择的主要考量因素之一，不同的波段的红外光谱具有不同的适用性。例如中波在雨 天、雾天等湿度大的气候条件下穿透性尤其强，而长波红外在沙尘条件下穿透距离较其他波段更长。对于具体 的应用场景，要综合考虑探测器材料、目标辐射、背景辐射和成本等多个影响，选择合适波段的探测器。

对湿度较高环境，如舰载光电系统，探测目标的温度大多在 300K 以上，具有一定的中波辐射，且这种环 境下中波辐射的大气透过率比长波高，应优先选择使用中波探测系统。对于地对地远距离观察红外系统，背景 辐射大多比较复杂，大气传输路径较长，如果环境湿度较高，一般采用中波探测，如果环境湿度较低，可以考 虑采用长波探测。

对于空对地、空对空和地对空等远距离观察的红外系统，如果探测温度在 300K 以下的低温目标，且传输 路径中水汽较少、透过率较高则应该优先选择长波探测系统;如果探测高温目标，如飞机喷射管、排气管、尾 焰等，应优先选择中波探测系统。若红外系统自身在高速运动，如导弹探测系统、机载光电侦查系统等，由于 其窗口玻璃需要承载很大的风压和气动加热，目前没有合适的长波光学材料，因此也应该采用中波探测系统。

对于探测器距离要求较近的应用环境，如红外安防监控系统、手持红外望远镜或头盔等，探测距离在几十 米到 2km以内，应该优先选择成本低、体积小、重量轻和功耗低的非制冷长波红外探测器。对于森林火灾等大 面积高温目标的红外系统，由于目标会产生大面积的强烈红外辐射，完全覆盖了中波和长波波段，即使使用非 制冷长波红外探测器，探测距离也可以到十几千米以上。

1.4红外探测器是红外产业链的核心

红外热像仪是一种二维平面成像的红外系统，用来探测目标物体的红外辐射，并通过光电转换、电信号处 理等手段，将目标物体的温度分布转换成灰度分布，以视频或图像的形式输出。红外热像组成部件及技术包括 了红外光学系统、红外焦平面探测器、后续电路以及图像处理软件，这四部分的性能与设计水平直接影响了红 外热像仪的成像质量与稳定性。

“一代器件，一代整机，一代装备”，红外探测器是红外产业链的核心。红外探测器性能高低直接决定了红 外成像的质量。红外探测器在红外成像系统中的地位类似于人视觉系统中的视网膜，将从环境中检测的红外辐 射的信号，转变为机器可以识别的电流或电压的信号，是探测、识别和分析目标物体红外信息的关键。

二、红外探测器原理与核心指标

2.1热探测器和光子探测器

红外探测器是红外系统的核心，是探测、识别和分析物体红外信息的关键部件。据具体的需求和应用，红 外探测器会有不同的分类方式来强调某一方面的特性。根据能量转换方式，红外探测器可以分为热探测器和光 子探测器两大类;根据工作温度和制冷需求，分为制冷红外探测器和非制冷红外探测器。

热探测器的工作机理就是基于入射辐射的热效应引起探测器材料温度变化。探测器材料某些物理性质会随 着温度变化发生改变，通过测量这些物理性质的变化就可以测出材料吸收辐射的大小。热探测器利用的热效应， 热吸收与入射辐射的波长无关，热敏单元的温度变化较慢，室温环境下就可以观测到热敏单元的温度变化。

光子探测器是基于入射光子流与探测器材料的相互作用产生光电效应。探测器通过测量光电效应的大小可 以计算得到吸收辐射的大小。光电效应是半导体中电子吸收光子而产生的效应，通常情况下，必须将半导体冷 却到较低温度才能够观测到光电效应。同时，入射光子能量要大于一定值时才能产生光电效应，所以光子探测 器具有截止波长。

2.2 单元数日益增加，红外焦平面探测器已是主流

对于一个红外敏感单元，即单元红外探测器，在其他条件不变的情况下，减少单元探测器的敏感元面积， 可以提高单元探测器的信噪比。但是如果要求红外系统既要有足够大的视场、又保证足够高的信噪比，单元探 测器组成的红外系统则无法同时满足，需要发展多元探测器阵列组成的红外系统。

早期的多元探测器阵列属于分立元件组装形式，一般元数都在 200 元以下。为了保证低温工作环境，探测 器芯片需要封装在高真空的杜瓦瓶中，每个探测单元的光电信号，最少有两条信号引出线。如果探测器元件增 多，信号引出线也相应增加，将会使得加工难度增加。同时每一个引线都需要配备一个低噪声前置放大器，功 耗较大，因此使用非常不便。

红外焦平面阵列器材利用微电子工艺集成电路技术，集红外探测器和信号处理电路与一体。实现了几千个 甚至几百万个高密度的多元探测器阵列，同时完成光电转换和信号处理。红外焦平面阵列优化了红外系统的结 构、减小了系统的体积、降低封装难度并降低了系统的功耗，迅速取代分立组装元件成为红外探测器的主流。

按照成像的应用方式划分，焦平面红外探测器可以分为扫描式和凝视式两种。当焦平面的光敏元数目较少， 一般成线阵排列，为了满足红外系统总视野的要求，必须借助光机在水平和垂直两个方向扫描成像，被称为扫 描型焦平面探测器。如果焦平面探测器两个方向的光敏元数目都可以满足视场要求，无需光机扫描，目标空间 完全投影在焦平面范围内，即焦平面“凝视”整个视场，被称为凝视型焦平面探测器。目前市面主流产品都是凝 视型焦平面，扫描型焦平面在一些特殊应用方面仍有市场需求。

由于红外焦平面主要有探测器阵列和读出集成电路构成，而两部分对材料的要求是有所不同的。红外敏感 元部分主要着眼于材料的红外光谱响应，而信号处理部分是从有利于电荷存储与转移的角度考虑的。目前没有 一种能同时很好的满足两者要求的材料，从而导致了红外焦平面结构的多样性，分为单片式和混合式两种。

单片式焦平面将探测器阵列与信号处理和读出电路集成在同一芯片上，在同一芯片上完成所有这些功能。 混合式焦平面探测器将红外探测器阵列和信息处理电路两部分分别制作，通过镶嵌技术把二者互连在一起。目 前最常用的是倒装式混合结构，采用铟柱倒焊技术的互连方法，探测器阵列和硅多路传输器这两个芯片通过的 铟柱对接，将探测器阵列的每个探测元与多路传输器一对一地对准配接起来。另外一种比较常用的是环孔型结 构，探测器芯片和多路传输器芯片胶接在一起，通过离子注入在芯片上制作光子探测器，用离子铣穿孔形成环 孔，再通过环孔淀积金属使探测器与多路传输器电路互连，形成混合式结构。环孔互联比倒装焊有更好的机械 稳定性和热特性。

2.3阵列规模、NETD、像元间距是红外探测器的核心指标

红外探测器的性能参数主要有响应度、噪声等效功率、探测率、比探测率、光谱响应特征、响应时间、响应频率、噪声等，其中最重要的是阵列规模、NETD、像元间距。

响应率:描述红外光电探测器接受的入射红外信号与输出的电信号之间的对应关系。红外探测器的响应率 定义为单位辐射功率人射到探测器上转换为电信号的能力。响应率越大说明探测器对入射红外辐射信号的响应 程度越强烈，但是这并不能说明该探测器的探测能力或是灵敏度就越高。

响应时间:由于红外探测器存在惰性，因此对红外辐射的响应存在一定的滞后。当以恒定的辐照强度照射 探测时，探测器的输出信号从零开始逐渐上升，经过一段时间后才可以达到稳定值。响应时间的物理意义是: 当探测器受到红外照射时，输出信号上升到稳定值63%所需要的时间。响应时间越短，响应越快，该指标直接 影响系统设计中的帧频。当帧频对应的时间小于响应时间，新的信号还不能达到预定的稳定输出值，上一帧的 信号还没有释放完，因此不能得到准确清晰的图像。帧率是制冷型探测器和非制冷型探测器性能的主要差别之 一，制冷型探测器的帧频更高。

噪声:红外系统的探测性能受到其噪声的限制，噪声的大小决定了红外探测器性能的极限。红外焦平面探 测器的噪声包括瞬态噪声和空间噪声。瞬态噪声指的主要是器件本身的噪声，如光子噪声、暗电流噪声、以及 读出电路的噪声等;空间噪声是由于红外焦平面阵列各个像元的响应特征不一致造成的。

噪声等效功率 NEP:描述测器探测辐射的能力的下限。由于噪声存在，当辐射小到它在探测器上产生的信 号完全被探测器噪声所淹没时，探测器就无法检测辐射信号。当探测器输出信号等于探测器噪声时，入射到探 测器上的辐射功率定义为噪声等效功率。在设计系统时通常要求最低可探测功率(灵敏度)数倍于噪声等效功 率，以保证系统有较高的探测概率和较低的虚警率。

比探测率 D*:探测率 D 是噪声等效功率 NEP 的倒数，用来表示辐照在探测器上单位辐射功率所获得的信 噪比。但探测率与探测器的面积和噪声带宽有关，所以引入了比探测率 D*这一个标准化参数来度量探测器的性能。表示当探测器的敏感元有单位面积、放大器测量带宽为1Hz时，单位辐射功率所能获得的信号噪声比。比 探测率越大，探测器的探测能力越强，所以在对探测器性能进行比较时，用比探测率较为合适。

噪声等效温差 NETD:噪声等效温差是度量焦平面器件温度分辨能力能力的参数，定义为器件的输入信号 等于噪声时，入射辐射目标的温度变化。又称为红外热成像的热灵敏度，决定了热像仪区分细微温差的能力。 NETD 越小，表示器件的灵敏度越高。例如:某红外探测器在室温下的热灵敏度为50mK，表示被测物表面温度 发生 0.05°C的变化时，或者表面存在 0.05°C以上的不均匀时，就可以被红外热像仪的探测器所感应到。

盲元率:盲元率是评价一款焦平面阵列均匀程度的最直观的指标。由于制造材料、工艺等因素的影响(如 材料的不均匀性、掩膜误差、缺陷等)，在红外焦平面阵列器件中存在不可避免的非均匀性，响应度小于焦平 面器件平均响应度 1/2的像元为死像元，或盲元，像元噪声大于平均噪声的 2 倍则为过热盲元。盲元占总像元 数的百分比为盲元率。盲元的数量和分布对于红外图像的信噪比和图像质量产生很大影响，如果盲元过多或分 布过于集中，则红外图像上将出现大量的或者过于集中的坏点。

像元尺寸:描述单个成像单元的尺寸大小。在红外成像系统应用中，像元尺寸的减小，可以使得每个芯片 上制造更大规模的焦平面阵列，对整机系统的大小、重量和价格大有好处。但是由于 NETD 反比于像元面积， 因此如果像元尺寸由 50×50μm 减小至 17×17μm，而其他各项参数保持不变的情况下，NETD 就会增大约 9 倍， 这是由于像元尺寸的减小，将使得像元面积接受红外能量减小，温度提升降低，导致灵敏度降低。

三、主流红外探测器类型及其特点

3.1红外探测器发展历程

红外探测器的早期发展主要是热探测器。1829 年诺比利构造了第一个热电偶和多个热电偶串联而成的热电 堆。1833 年，梅洛尼改进了设计，制造了可以探测 30 英尺以外的人体的温度的热电堆。1880 年，兰利制作出 可以研究太阳的红外光谱辐射强度和辐照度测辐射热计，比同时代热电堆性能 30 倍。

光子探测器晚于热探测器出现。光电导效应发现于 1873 年史密斯的硒的海底电缆绝缘层实验。1917 年， 凯斯发现含有铊和硫的物质呈现出光导性，并研制出第一个红外光电导探测器。当时，这种探测器在光照下电 阻不稳定，响应度较低、噪声增大且可重复性差。大约从20世纪 30 年代起，光子探测器才逐渐成为了红外探 测器发展的主流。

早期研制的红外探测器存在波长单一、量子效率低、工作温度低等问题，大大地限制了红外探测器的应用。

现代红外探测器到 20 世纪 40 年代才开始发展并投入实际应用。现代红外探测器技术起源于第二次世界大战， 战争使人们认识到红外探测器在军事应用中的价值。第二次世界大战之后，红外光子技术与半导体材料科学以 及为集成电路研发的光刻技术相结合，使红外探测器在 20 世纪短暂的时间内取得非比寻常的发展。

20世纪 50 年代初发明晶体管以后，第一个非本征光电导探测器就已出现，由于控制掺杂技术最先应用于 锗，所以第一个高性能非本征探测器是以锗为基础制造的，可以制成适于8~14μm长波红外的探测器。1967 年， 索瑞夫首先报道了关于非本征硅探测器的研究。十年之后，当波义耳与史密斯发明了电荷耦合器件(CCD)以 后，非本征硅又重新得到重视。

在 20 世纪 50年代，与非本征导体探测器同时，窄禁带半导体也在快速发展。1959 年，劳森(Lawson)与 其同事的研究带动了可变带隙合金Hg1-xCdxTe(碲镉汞)的发展，很快就出现了基于镉汞材料的、响应波长达 到 12μm 的光导型和光伏型探测器。

70年代开始，借助于晶体制备能力以及外延技术的快速发展，碲镉汞材料研究也更加深入。人们发现通过 调节 Cd组分，HgCdTe 的带隙可以实现在 0-1.6eV 之间的连续变化，对应的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，碲镉汞红外探测器逐渐成为红外探测器技术的首选，它在红外探测器发展历程中 占有重要的地位。

随着光刻技术在 20 世纪 60 年代的实用化，人们便用这种方法来制作红外探测器阵列。半导体红外探测器 从出现至今可以划分为三代:第一代是线性光导探测器阵列，线列探测器技术首先用于 PbS、PbSe 和InSb探 测器，已经得到广泛应用;第二代是二维光伏探测器阵列，阵列包含大约106 个探测器单元，并利用集成在一 起的线路完成电子扫描;当前发展的第三代红外光电探测器，是在第二代基础上进一步提出了探测器高性能、 低成本的要求。

3.2制冷型红外探测器

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。

3.2.1碲镉汞红外探测器

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 LADAI、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。

3.2.2量子阱红外探测器(QWIPs)

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。

3.2.3 II 类超晶格红外探测器(II-SLs)

超晶格的概念是在 1977 年由 Esaki L 和 Tsu R 提出的，其是由两种或者两种以上的半导体材料周期性结构 组成的。结构与量子阱结构类似，不同之处在于超晶格的势阱和势垒层都非常薄，约为几个单分子层厚度(对 于中波探测材料，约 2~3nm)。

按构成超晶格的两种材料能带配制情况，超晶格可以分为三类，以 GaAs/GaxAl1-xAs 为代表的第一类超晶格， 以 InAs/GaSb 为代表的第二类超晶格和以 HgTe/CdTe 为代表的第三类超晶格等。II类超晶格红外探测器具有非 常特殊的能带结构，其空穴势阱位置高于电子势阱，电子和空穴分别被限制在不同的材料层。

II类超晶格红外探测材料的独特的“破带隙”能带结构使得其具有很多优点:量子效率高，响应时间快，暗 电流小;隧穿电流小，在甚长波可获得高的探测;电子有效质量大，在长波范围约为碲镉汞的三倍;带隙可调， 光谱调节能力好，响应波长从 3μm 到 30μm 可调;双色II类超晶格器件全部外延层的厚度不到双色碲镉汞器件 的三分之一，这给材料生长和器件工艺带来许多便利，大面积材料均匀性好、成本低。以上优点使得在长波以 及甚长波范围II类超晶格红外探测器能够实现更高的器件性能和工作温度。

二类超晶格于 1987 年 Smith 和Mailhiot首次提出， InAs/GaSb 的独特物理性质可以实现高性能的红外探测 器。经过 30 多年的发展，利用 InAs/GaSb 二类超晶格材料实现的大面积双色高性能红外探测器已经问世。在理 论和实验两方面，II类超晶格都显示了其优越的器件性能，作为新一代光电材料和器件，具有巨大的发展潜力 和应用前景。

3.2.4量子点红外探测器(QDIPs)

量子点红外探测器(QDIPs)于 1998 年首次被 Phillips 等人论证，量子点红外探测器从结构和原理上都类 似于量子阱红外探测器，只是量子阱被量子点取代，在全部空间方向上都有尺寸的限制。量子点红外探测器的 工作原理正是利用了量子点的三维量子限制效应，当量子点束缚态内的电子受到光激发后，在外加偏压形成的 电场作用下，电子将被收集形成光电流。

量子点红外探测器(QDIPs)具备很多理论优势。首先，量子点对电子有三维限制效应，可以对垂直入射 光响应;其次，量子点的有效载流子寿命更长，具有更长的电子弛豫时间，光激发电子更容易被收集形成光电 流，利于响应率和增益的提高;另外，QDIPs 的暗电流低，可以达到高的工作温度、高的响应率和探测率。

量子点红外探测器的实际性能和预期有较大差距。这主要是因为单层量子点的密度低，吸收效率不高，量 子点外延生长过程中应力的积累限制了量子点的周期数，并且外延生长的量子点尺寸、成分、掺杂的不均匀性 都降低了量子点层的吸收系数，因此 QDIPs 的量子效率低于预期理论值

3.3非制冷型红外探测器

自 1930 年以来，光子探测器一直占据着红外探测器发展的主导地位。然而，光子探测器所需的低温制冷不 但使得探测器价格昂贵，也使得系统体积增大、使用不便。非制冷红外焦平面探测器无需制冷装置，能够工作 在室温状态下，具有体积小、质量轻、功耗小、寿命长、成本低、启动快等优点。虽然在灵敏度上不如制冷型 红外焦平面探测器，但非制冷红外焦平面探测器的性能已可满足部分军事装备及绝大多数民用领域的技术需要。

目前，微测辐射热计探测器的产量比所有其他红外阵列技术的总和都要大，主导非制冷红外探测器技术。 目前，商用测辐射热计主要由氧化钒制造、非晶硅或硅二极管制造。短波红外探测器也属于非制冷型红外探测 器的一种。

3.3.1 VOx 微测辐射热计

VOx 的电阻温度系数较高(一般为 2%~3%/K)，即随着温度的变化电阻变动的幅度较大，是目前首选的热敏电阻型非制冷红外焦平面探测材料。

早在 20 世纪 80年代初，美国的 Honeywell 公司在军方的资助下，开始研究氧化钒薄膜，并于 20 世纪 80 年代末研制出非制冷氧化钒微测辐射热计红外焦平面阵列。在1993年就报道了 320×240 像素的微测热辐射红外 焦平面阵列，其像元尺寸为 50μm×50μm，噪声等效温差(NETD)为 100 mK(f/1:30 Hz)。

Honeywell公司这种原创技术授权给了美国的几家公司，用于发展和生成商业及军用非制冷焦平面。1994 年，美国 DRS 公司获得Honeywell技术许可。两年后，DRS 发明了“伞状”像元结构专利，“伞状”结构由吸收介 质薄膜构成，与下面的绝缘体一起可以使辐射吸收最大化。其“伞状”结构可以调节从而对其热道和热容进行控 制，使工作波段的红外吸收得到最大，实现最佳响应度和响应时间。

美国雷声视觉系统(RVS)在 1999 年的研究表明，延长支撑腿的长度是提高灵敏度的有效方法之一，并在 此基础上对像元结构进行了一些改进，开发了一种多层微辐射热计像元结构，将热绝缘支撑腿和VOx 测辐射热 计放置在不同的平面上。

2004年，日本 NEC 提出了一种带有屋檐结构的改进像元结构。该像元是三层结构，最上层是采用 SiN 制 成的屋檐结构，VOx 测辐射热计薄膜、隔膜以及制成位于中间层。最下面是一个反射层，与处于中间层的隔膜 形成光学谐振吸收器。

其他西方国家也紧随其后，相继研发出结构类似性能相当的红外焦平面探测器。这些公司在上付出了大量 的努力，通过减小像元尺寸、增加表面吸收以及改进 CMOS 的读出，使得VOx 测辐射热计在更多方面的应用成 为可能。

3.3.2非晶硅微辐射测热计

非晶硅的电阻温度系数(4%/K)与 VOx 的相当，也是一种具有前途的微测辐射热计材料。法国非制冷红 外探测器研究机构主要是在法国原子能委员会与信息技术实验室/红外实验室(CEA-Leti-LIR)，从 1992 年就开 始研究非晶硅探测器，现已成熟。索弗雷德公司(Sofradir)下属的优利斯公司(ULIS)负责将技术转化为大规 模的生产。

美国国防高级研究计划局(DARPA)也在投资研究非晶硅，目的是把像素尺寸缩小到约15μm，噪声等效 温差达到 10mK，而成本降至现有产品的十分之一。

VOx材料的最大缺陷就是不能与标准硅集成电路工艺兼容，选用非晶硅作为热敏材料可以很好的解决这个 问题。除此之外，由于非晶硅与硅材料类似，结构设计容易，通过布局简单的像元结构可以保证探测器更高的 响应速度，而且非晶硅的均匀性较好，制作工艺简单，成本较低。但是由于由于非晶硅是无定形结构，呈现的 电流噪声比 VOx 要高，所以 NETD 通常不如VOx 材料，具体表现为图像有蒙纱感，红外图像感观不够锐利通 透。

3.3.3短波红外传感器

短波红外波段的探测器在空间遥感、夜视、温度测量等领域具有重要的应用价值和前景目前，该波段范围 的探测器除了使用传统的碲镉汞和锑化物红外材料以外，铟镓砷(InGaAs)材料被认为是制作短波红外探测器 的优良材料，采用它制作的短波红外探测器截止波长约为 1.7μm，具有高吸收系数、高迁移率和高探测率等优 势。

美国的 Goodrich(SUI，Sensors Unlimited,Inc)公司是近红外(NIR)和短波红外(SWIR)器件的著名制 造商，公司 InGaAs 红外探测器已经形成系列产品，在国际上一直处于领先地位。公司把 InGaAs 焦平面探测器 应用在武器的激光跟踪和通信系统、军用夜视、工业过程、安全监测及科学研究等领域。美国 FLIR 下属的 Indigo 子公司、日本滨松光子、XenICs 等也都研制出了不同的 InGaAs 焦平面阵列。

国内也有很多机构从事 InGaAs 探测器研究，包括中科院上海技术物理研究所、中科院长春光学精密机械与 物理研究所、中科院上海微系统与信息技术研究所、中科院电子科技集团第44所、洛阳光电技术发展中心和昆 明物理研究所等，也有国惠光电、立鼎光电等公司进行短波红外探测器的研发生产，虽然国内起步较晚，但是 近几年取得了很大的进步，与国外的差距逐渐缩小。

3.4未来发展趋势

1999年由唐纳德•里高等人提出了第三代探测器的 SWaP(Size，Weight，and Power，Performance and Price) 概念。在该概念发展的驱使下，红外探测器的发展主要集中在大规格、小型化、多色化(multi-color)、智能 化和高温工作等前沿领域方面。高性能是核心，重点是提高光谱、空间、时间的分辨率和辐射探测器的灵敏度; 而在实际应用时，则涉及 SWaP3 概念的各个方面，需要权衡权衡尺寸、重量、功耗、应用成本等。

四、红外探测器制造企业及其技术路线：略

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（报告来源：中信建设证券；分析师：黎韬扬、鲍学博）