红外探测器的发展

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1、红外技术发展的先导是红外探测器的发展，一个国家红外探测器的技术水平代表着其红外技术发展的水平。最早的红外探测器是1800年英国天文学家威廉·赫歇耳发明的水银温度计，随后发明了热电偶、热电堆，1880年美国的Langley发明了测热辐射计。最初的红外探测器主要是热电探测器，直至1917年Case研制出第一只硫化铊光电导探测器，这种探测器比热电探测器灵敏度高，响应也快。第二次世界大战，人们认识到了红外技术在军事应用中的巨大潜力，开始对红外技术极为重视，寻找新的材料和制作方法。19世纪40年代初，以PbS为代表的光电

2、型红外探测器问世，随后又出现了硒化铅、碲化铅探测器。二次大战后，半导体技术的发展推动了红外探测技术的发展，先后出现了InSb、HgCdTe、掺杂Si、PtSi。InSb的灵敏度较高，但是带隙只有0.22eV，所以只能探测低于5.6μm。PtSi由于它的高均匀性和可生产性，可以做成大的焦平面阵列,但是其截至波长为5.7μm，也只能用于中短波范围，而且量子效率很低。同时InSb和PtSi都没有波长可调性和多色探测能力。掺杂Si有很宽的光谱带宽，但是也不具备波长可调性，而且必须工作在很低的温度。1959年Lawso研

3、制出碲镉汞（HgxCd1-xTe）的长波长红外探测器，这是红外技术史上的一次重要进展。它是目前性能最好，也是最广泛应用的II－VI族红外探测器。它是利用带间吸收，因此具有极高的探测率和量子效率。通过调节Hg的组分x可以实现带隙从0-0.8eV的连续可调。因此它所能探测的波长范围覆盖了中波红外（3-5μm）和长波红外（8-14μm）两个波段。  而利用MBE生长的III－V族材料体系制成的量子阱材料正好可以弥补碲镉汞方面的不足，III－V族材料生长、器件制作工艺成熟，适于制作大面阵探测器。同时III－V族材料组

4、分容易控制和调节，通过调节化合物的组分，可以比较容易的改变量子阱的阱宽、垒高等参数，进而可以调节探测波长。可以覆盖三个主要的大气窗口。因此III－V族材料在实现多色探测方面也有很大的优势。因此有望与HgxCd1-xTe材料并驾齐驱，在军事上和民用上都发挥重要的应用。以下图1为红外探测器研究的发展史。图1红外探测器发展历史  表1列出了几种常用红外探测器材料及他们的响应波段范围探测器材料近红外(0.7～1.1μm)硅光电二极管(Si)短波红外(1～3μm)铟镓砷(InGaAs)、硫化铅探测器(PbS)中波红外(3

5、～5μm)锑化铟(InSb)、碲镉汞探测器(HgCdTe)、量子阱探测器(QWIP)长波红外、热红外(8～14μm)碲镉汞探测器(HgCdTe)、量子阱探测器(QWIP)远红外(16μm以上)量子阱探测器(QWIP) 表1.几种常用的红外探测器及它们的响应波段红外探测器的应用前景   由于MCT材料制备困难、制备周期长、成本高、均匀性差等缺点，使得在制备红外焦平面阵列时失去了优势，这时III－V族量子阱红外探测器开始崭露头角。特别是GaAs/AlGaAs等材料系，由于用该类材料的光电子和高速微电子器件已大批量投

6、放市场，直到6英寸的大面积GaAs衬底已可商用，其材料生长及器件制作工艺十分成熟，材料的均匀性好（美国的GunapalaMBE方法生长的外延片所制成的256*256的手持照相机在65536个像素中只有10个盲点）。器件成品率高，可大大降低红外探测器的成本。（a）军事和国防领域   红外探测器的发展得益于战争尤其是二次大战的刺激。随后的冷战时期，到现今的局部战争，人们不断加深对红外探测器重要性的认识。至今，军事应用仍占整个红外敏感器市场的75%。军用红外系统通常工作在3～5μm和8～10μm两个大气窗口，它能透过

7、烟、尘、雾、树丛等，可以实现昼夜探测。夜幕历来是战争的屏障，由于红外技术的发展，掌握红外探测优势的一方具有单向透明的优 图2中波1024×1024QWIP照相机的红外成像 图3长波1024×1024QWIP照相机的红外成像点，常规的树丛和夜色越来越不起作用。图2为长波1024×1024QWIP照相机的红外成像，图3为四英寸GaAs片上的9个1024×1024像素的焦平面阵列。图4为用长波长量子阱红外探测器（QWIP）RADLANCE摄像机拍摄到的Delta-Ⅱ运载火箭发射过程的红外图。图4长波长QWIPRADL

8、ANCE摄像机拍摄到的Delta-Ⅱ运载火箭发射过程的红外图（b）消防方面的应用   量子阱红外探测器可以覆盖更长的波长，用它做成的量子阱红外摄像机，可以透过烟雾看清火灾滞留的高温区——图5(b)中白的亮区（以前的红外摄像仪是难以看清的），这些滞留的高温区是消防队员们所关心的，也是很难发现的，因为这些看似已经熄灭的地方可能会突然再度燃烧起来。 （a）高灵敏度CCD拍的可见光图像  （