0 引言

紅外探測器技術是紅外技術的核心，紅外探測器的發展引領也制約著紅外技術的發展。紅外探測器的發展起源于1800年英國天文學家威廉·赫胥爾對紅外線的發現，隨后出現了熱電偶、熱電堆、測熱輻射計等熱電、熱探測器。1917年美國人Case研制出第一支硫化鉈光電導紅外探測器，19世紀30年代末，德國人研制出硫化鉛（PbS）光電導型紅外探測器，紅外探測器的發展歷程如圖1所示。二次世界大戰加速了紅外探測器的發展，使人們認識到紅外探測器在軍事應用中的價值。二次世界大戰后半導體技術的發展進一步推動了紅外技術的發展，先后出現了PbTe、InSb、HgCdTe、Si摻雜、PtSi等探測器。早期研制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。1959年英國Lawson發明碲鎘汞紅外探測器，紅外探測器的發展由此呈現出蓬勃發展的局面。碲鎘汞紅外探測器自發現以來一直是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。美國、英國、法國德國、以色列以及中國等國家的紅外研究工作者對碲鎘汞紅外探測器的發展投入了極大的精力，并持續不斷地進行研究和改進；同時，碲鎘汞材料與器件存在的不足也不斷激發研究者對紅外新材料和新器件技術發展的熱潮。碲鎘汞紅外探測器幾乎成為一個標準，每種新材料和新器件技術的出現與存在，首先是要與碲鎘汞進行比較，并在某方面具備明顯的優勢。低維量子阱紅外探測器技術、Ⅱ類超晶格紅外探測器技術的發展就是最好的實例。由于材料設計的靈活性，材料生長和器件制備技術的成熟性，這兩類材料克服了大面陣碲鎘汞材料和器件技術上存在的不均勻性及穩定性問題，在短短20多年的發展中獲得了廣泛的應用，在國際上被認為是與碲鎘汞并存的三代紅外探測器技術。

圖1 紅外探測器的發展歷程

何謂第三代紅外探測器技術，目前國際上并沒有一個非常明確的定義。波蘭Rogalski分析總結了當前對紅外探測器發展的需求，提出了第三代紅外探測器包含的3部分內容，具體如下：

1）高性能、高分辨力具有多波段探測的制冷焦平面；

2）中等性能或高性能的非制冷焦平面；

3）成本非常低的非制冷焦平面。

以上3項內容其實質體現了對探測器高性能、低成本的要求。高性能的具體要求是：大面陣，像元為100萬以上；另外，在F#＝2的條件下，三代紅外探測器性能（典型值為噪聲等效溫差）比二代紅外探測器高一個量級；雙色和多色探測是三代紅外探測器的一個顯著特征，主要是為了提高對復雜背景或偽裝目標的識別率。低成本的要求一直是紅外探測器的一個主要發展內容，在二代紅外探測器的發展基礎上，通過改進器件技術、提高工作溫度等方法將進一步降低制造成本，達到可作為耗費品使用的成本。以上3項內容為“或”的關系，只要滿足了一條就能稱為第三代紅外探測器技術。理由很簡單，由于在不同的條件下，應用需求各有不同、各有側重，需要的探測器功能和種類也就不同。目前不同的國家對第三代紅外探測器的選擇主要是出于自身的發展與應用需求，對材料和器件技術進行有選擇的發展，最終目的是為了實現高性能、低成本的紅外探測器。

在第三代紅外探測器中單色探測器主要有大面陣InSb中波紅外探測器、InGaAs近紅外探測器以及非制冷紅外探測器。InSb紅外探測器用于中波3～5μm，具有量子效率高、可靠性好、均勻性好的優勢，目前最大的探測器規格已達到2k×2k。存在的主要問題是波長不可調，器件工作溫度低，在77K工作。InGaAs近紅外探測器工作波段為0.9～1.7μm，作為波長擴展，長波方向可達到2.6μm，短波方向延伸到可見光，其探測器規格也達到1k×1k。InGaAs近紅外探測器量子效率高，器件性能好，室溫下探測率達到1014 cmHz1/2W－1。存在的問題是與InSb探測器類似，InGaAs近紅外探測器覆蓋的工作波段僅限于近紅外波段，不能跨越到中波和長波，只能作為大面陣單色器件，目前已獲得了大量、廣泛的應用。非制冷紅外探測器作為第三代低成本紅外探測器的選擇，主要有氧化釩、非晶硅非制冷紅外探測器，在成本、體積、重量及應用的便利性、可靠性等方面具有明顯的優勢。隨著非制冷紅外探測器物理、材料和器件技術的不斷提高，其器件性能不斷提高，目前報道的實用化探測器的最好水平是：在像元中心距離為17μm的條件下，其噪聲等效溫差已經達到30mk國際上還在進行進一步縮小中心距離的研發工作。在美國期望的成本目標是對于小型640×480氧化釩非制冷探測器熱像儀，系統成本不高于500美元。

雙色或多色紅外探測器通過同時提取目標光譜信息和溫度信息，降低誤警率，提高識別率。在第三代紅外探測器中雙色和多色紅外探測器目前只有碲鎘汞、量子阱和Ⅱ類超晶格紅外探測器，前者通過調節組分，后兩者通過調節組分、厚度或應變實現雙色或多色紅外探測，這三者同時也能實現高性能大面陣的紅外探測器，故在國際上被公認為第三代紅外探測器的候選。三種紅外探測器實現紅外吸收的物理機制不同，導致三種器件的性能各具優缺點，其應用領域也各有不同。文章主要結合碲鎘汞、量子阱和Ⅱ類超晶格紅外探測器的能帶結構、材料生長、器件性能以及應用進行討論，以深入地理解這三種紅外探測器存在的優缺點，為第三代紅外探測器的發展、選擇以及應用提供參考。

1三種主要的三代紅外探測器

在半導體物理學中，從外來光子引起的載流子躍遷方式來看，碲鎘汞、量子阱和Ⅱ類超晶格紅外探測器分別屬于帶間躍遷、子帶間躍遷以及微帶間躍遷，其示意圖分別如圖2中的(a)、(b)、(c)所示。不同的躍遷方式決定了其材料主要的屬性——量子效率大小。另外，這三類材料構成元素間的互作用不同，導致了材料的均勻性、穩定性和牢固性不同，以及在器件性能方面顯著的差異。

1.1碲鎘汞紅外探測器

碲鎘汞紅外探測器屬于直接帶隙半導體材料，吸收外來光子產生的電子躍遷為帶間躍遷，即電子從價帶躍遷到導帶，這種躍遷方式的優點是材料光吸收大，量子效率高，高達70%～80%，器件光響應大、響應率高。其次，碲鎘汞材料通過調節Cd組分的數值大小，碲鎘汞材料的禁帶寬度隨之變化，從HgTe半金屬變到禁帶寬度約1.5eV的CdTe半導體，對應的響應波長連續可調，如圖3所示，圖中給出了碲鎘汞在Γ點的禁帶寬度以及截止波長隨Cd組分的變化關系。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。碲鎘汞材料具有的以上優點使之成為一種最重要的紅外探測器材料。相對優點而言，其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，碲和鎘、碲和汞之間通過離子鍵的方式連接，其互作用力小。構成元素汞非常不穩定，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，這是碲鎘汞材料固有的問題，在長波應用時尤其突出。因為在長波領域由于組分變化導致的器件響應波長變化更大。如圖4所示，對于截止波長為15μm的探測器，其組分變化?x＝0.002，截止波長變化約0.56μm；而對于截止波長為7μm的中波紅外探測器，其組分變化?x＝0.002，截止波長僅變化約0.12μm，兩者變化速率接近5倍。隨著器件響應波長的變化，器件暗電流也隨之發生較大的變化。由此可見，對長波探測器而言，由于碲鎘汞組分的不均勻導致的器件性能不均勻性更嚴重。另外，對于碲鎘汞長波探測器，其禁帶寬度變小，帶間隧穿電流大，暗電流大，器件性能惡化。為了獲得好的器件性能，對材料生長質量以及器件工藝要求更加嚴格，導致成品率低，器件成本更高。

圖2 (a)碲鎘汞帶間躍遷，(b)量子阱子帶間躍遷，(c)超晶格形成的微帶間躍遷的示意圖

碲鎘汞紅外探測器存在的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，與碲鎘汞晶格匹配的襯底是碲鋅鎘襯底，但目前市售的碲鋅鎘襯底最大直徑大約為?90mm，而且成本昂貴。欲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，對于長波紅外探測器而言，替代襯底上生長的長波碲鎘汞材料質量仍然需要進一步改進和提高。

綜合碲鎘汞的優點和缺點可見，實現高性能、低成本的碲鎘汞長波紅外探測器技術難度非常大，尤其在國內，比較現實的發展及應用是中波和短波碲鎘汞紅外探測器。

圖3碲鎘汞在Γ點的禁帶寬度以及截止波長隨Cd組分的變化關系

圖4 碲鎘汞組分變化0.002 時截止波長的變化

1.2量子阱紅外探測器

量子阱紅外探測器的名稱來源于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于子帶間躍遷，在外加電場的作用下光生載流子被收集形成光電流，其工作原理見圖5。

圖5 量子阱紅外探測器工作原理示意圖

目前已經獲得穩定生產并廣泛應用的量子阱紅外探測器主要是GaAs/AlGaAs量子阱紅外探測器。GaAs/AlGaAs量子阱紅外探測器基于成熟的Ⅲ-Ⅴ族材料生長技術和器件工藝技術，通過分子束外延（MBE）或有機化學汽相沉積（MOCVD）薄膜材料生長系統進行材料生長，采用GaAs襯底，沒有晶格不匹配問題，襯底尺寸目前可以達到6英寸（150mm），可生長大面積、均勻性好的量子阱材料；構成元素Ga、As與Al、As之間是共價鍵結合，互作用力大，材料牢固穩定，可耐受天基高能離子輻射，適于制備天基紅外探測器。通過改變材料組分、厚度可方便地調節勢阱內的能級位置，器件響應波長從中波

3μm到甚長波30μm連續可調，按照理論計算，量子阱探測器能夠響應長至200多微米的太赫茲波段。量子阱紅外探測器工藝成熟，大面陣器件性能均勻、穩定，適于產業化。

與碲鎘汞長波紅外探測器相比，量子阱長波紅外探測器突出的優勢就是大面積量子阱材料均勻性好，制備的長波紅外探測器均勻性好、成品率高、可靠性好，經過后續讀出電路簡單的處理，即能獲得非常均勻的成像畫面，目前已制備出1 k×1 k 的長波、中波紅外探測器以及1k×1 k 中長波雙色焦平面探測器[13]，其中1k×1k的長波量子阱焦平面探測器已經有市售產品。國內的研究團隊采用長波量子阱材料在較短時間內也研制出具有較好性能的320×256量子阱焦平面探測器，并獲得了較好的成像效果，圖6給出了在晚上10點對1km、6.8km處建筑物的成像效果，圖像沒有經過任何增強處理，6.8km處的高塔及建筑物細節仍清晰可見，充分體現了量子阱探測器優越的產業化優勢。量子阱紅外探測器的另外一個優勢在于便于制備雙色或多色大面陣紅外探測器，通過生長材料時調節材料組分、厚度，可依次生長不同波段的紅外探測器材料實現雙色或多色探測。目前世界上最多的多色探測就是采用量子阱材料，實現了四色探測，面陣規模達到640×512，獲得了比較好的成像效果，如圖7所示。

量子阱紅外探測器存在的不足之處來源于量子阱紅外探測器的工作方式，因為是子帶間躍遷，導帶基態的載流子完全靠外部摻雜提供，通常其數量級最多為1018～1019cm－3，與價帶提供的電子相比，數量級差3～4個量級。另外，由于躍遷矩陣元的選擇定則，只有平行于表面的入射光才能被量子阱材料吸收，以上兩個原因導致了量子阱紅外探測器量子效率低，約為8%，遠遠小于碲鎘汞材料，因此在相同的積分時間和光學系統條件下，量子阱長波紅外探測器性能比碲鎘汞長波紅外探測器低。為了提高其性能，只有通過延長積分時間，犧牲響應時間，所以量子阱長波紅外探測器可以廣泛地應用到響應不要求很快的場合。量子阱紅外探測器存在的另外一個問題是，為了降低暗電流獲得較好的器件性能，量子阱紅外探測器通常在較低的溫度下工作，工作溫度一般在65～73K范圍，導致的問題是提高了制冷要求，相應地增加了系統的功耗、降低了制冷機的壽命。

1.3Ⅱ類超晶格紅外探測器

從物理上分析，Ⅱ類超晶格紅外探測器的出現正好克服了碲鎘汞和量子阱紅外探測器存在的問題，同時具備兩者的優勢，即具有超越碲鎘汞的性能和量子阱紅外探測器的產業化優勢，成為被國際上看好的第三代紅外探測器的最佳選擇之一。Ⅱ類超晶格紅外探測器是一種低維材料體系，采用類似量子阱紅外探測器材料的生長方法進行超晶格材料生長，不同之處在于超晶格的勢阱和勢壘層都非常薄，約為幾個單分子層厚度（對于中波探測材料，約2～3nm），勢阱中的電子通過勢壘隧穿形成微帶，外來入射光子產生的躍遷在微帶之間完成，通過調節組分、厚度以及界面的應變可調節微帶的位置，從而達到調節類似材料“禁帶寬度”的效果。理論計算結果顯示Ⅱ類超晶格具有從短波到甚長波的紅外探測能力，另外，還可以用于太赫茲探測。Ⅱ類超晶格紅外探測器的能帶結構奇特，其空穴勢阱位置高于電子勢阱，電子和空穴分別被限制在不同的材料層，這種非常特殊的能帶結構被稱之為Ⅱ類能帶結構，如圖8(a)所示；與此不同的量子阱能帶結構稱之為Ⅰ類能帶結構（其電子勢阱和空穴勢阱位于同一材料層），如圖8(b)所示。Ⅱ類超晶格能帶結構形成的結果就是無需外界電注入即實現了載流子反轉；另外，電子和空穴之間的復合大大降低，這種材料特性對于制備中、長波紅外激光器是非常有利的，同時可望制備“發光-光接收”或“光接收-發光”單片集成光電器件。

與碲鎘汞材料相比，Ⅱ類超晶格材料的優勢體現在以下幾方面：第一，Ⅱ類超晶格材料的電子有效質量大，在長波范圍約為碲鎘汞的3倍，尤其在甚長波，隨著波長增長，碲鎘汞的電子有效質量變小，而Ⅱ類超晶格材料的電子有效質量卻不變。由此決定了Ⅱ類超晶格探測器帶間隧穿電流小，器件暗電流小。第二，通過應變對能帶結構的調節作用，能有效降低俄歇復合，提高載流子有效壽命，提高器件性能。圖9顯示了在相同的響應波長以及摻雜條件下，與碲鎘汞材料相比，由于重輕空穴分離，Ⅱ類超晶格材料的俄歇復合降低。以上兩個因素導致在長波以及甚長波范圍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。理論計算結果顯示在相同截止波長條件下Ⅱ類超晶格探測器的性能超越碲鎘汞紅外探測器，如果保持相同的性能，Ⅱ類超晶格長波紅外探測器將比碲鎘汞長波紅外探測器提高30℃的工作溫度，Ⅱ類超晶格中波紅外探測器比碲鎘汞中波紅外探測器將提高10℃的工作溫度。如圖10所示，圖中長波Ⅱ類超晶格紅外探測器的器件性能已經明顯超過碲鎘汞長波紅外探測器的性能，這是目前確定的唯一能超越碲鎘汞紅外探測器器件性能的探測器。圖中同時也給出了德國IAF、美國西北大學、美國海軍實驗室、TSI等報道的探測率實際測試結果，在截止波長9μm處、溫度78K下探測率平均值大于1×1011cmHz1/2W－1。實測結果與理論計算值相比，有1～2個量級的差異，說明目前Ⅱ類超晶格紅外探測器在材料設計、材料生長及器件工藝等方面還有待進一步完善，器件性能還有進一步提升的空間。第三，基于Ⅲ-Ⅴ族材料生長方式，采用先進的MBE薄膜材料生長系統進行材料生長，襯底采用晶格匹配的GaSb襯底，能夠生長大面積均勻性好的Ⅱ類超晶格紅外探測器材料，包括長波紅外探測材料；第四，Ⅱ類超晶格材料構成元素之間化學鍵強，材料穩定性好，對工藝的要求大大降低，器件產業化優勢明顯，成本可望大大低于碲鎘汞紅外探測器。另外，美國、中國也在嘗試在GaAs襯底上進行Ⅱ類超晶格材料的生長，以進一步降低成本。

圖6國內研制的量子阱焦平面探測器成像效果：(a)1km，(b)6.8km

圖7 640×512 四色量子阱紅外探測器器件和材料結構示意圖，以及電烙鐵在4 個波段的成像效果

(a) Ⅱ類超晶格

(b)Ⅰ類量子阱

圖 8 Ⅰ類量子阱和Ⅱ類超晶格的能帶結構

圖 9 碲鎘汞和Ⅱ類超晶格材料俄歇復合示意圖

圖 10 理論計算的碲鎘汞和Ⅱ類超晶格性能比較

在實際的器件研制方面，2011年美國西北大學和美國空軍實驗室成功研制出1 k×1k 截止波長11μm的Ⅱ類超晶格長波焦平面探測器，在F#＝4、積分時間0.13ms、81K的工作溫度下NETD=23.6mK，10μm附近量子效率大于40%，對人體的成像效果如圖11所示。在甚長波方面報道了截止波長為19μm及32μm的Ⅱ類超晶格紅外探測器，在50K及32K的工作溫度下兩個探測器的探測率分別達到3.71×1010cmHz1/2W－1、1.05×1010 cmHz1/2W－1。在中波探測方面，已報道截止波長為3.7μm的Ⅱ類超晶格紅外探測器，在80K的工作溫度下探測率達到8×1013cmHz1/2W－1。國內昆明物理研究所也研制出截止波長為4.5μmⅡ類超晶格紅外探測器在77K的工作溫度下探測率達到4.7×1012cmHz1/2W－1。以上研制結果充分體現了Ⅱ類超晶格紅外探測器在中波、長波以及甚長波探測具備的高性能和高溫工作的技術優勢。

圖11 1 k×1 k 截止波長11μm的Ⅱ類超晶格紅外探測器在81 K 和68K 的成像效果

與量子阱紅外探測器相比，Ⅱ類超晶格探測器的優勢在于通過類似于帶間吸收的光學吸收機制，Ⅱ類超晶格材料可獲得高的量子效率，目前報道的量子效率最高可達到81%；另外，能夠吸收垂直材料表面的入射光，在器件工藝上不需要制備光柵。器件隧穿電流小，器件暗電流小，可在高溫工作。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。

2結語

對第三代紅外探測器的發展與選擇直接關系到未來戰場上的武器裝備水平與精確打擊能力的較量，欲做到比敵方看得清，看得遠，先發制人不被打，唯一的選擇就是盡快發展高性能第三代紅外探測器。碲鎘汞、量子阱和Ⅱ類超晶格紅外探測器作為國際上已經認可的第三代紅外探測器，在器件物理和器件性能方面各具特色，在應用方面也將形成互為補充的支撐關系。在人們特別關注的長波領域，量子阱紅外探測器具有明顯的產業化優勢，可望在國內率先實現長波大面陣的實用化，滿足國內對長波大面陣紅外探測器的應用需求。在此基礎上還可以盡快實現量子阱中長波雙色紅外探測器的實用化。長波碲鎘汞材料和器件方面存在的均勻性問題制約著其在大面陣高性能長波紅外探測器的發展，可考慮其在高性能大面陣中波、短波紅外探測器方面發展并盡快實現產業化。Ⅱ類超晶格紅外探測器作為一種新型光電材料和器件，德國在2005年已經實現了中波雙色的產品化和應用，在長波大面陣紅外探測器以及甚長波探測方面也顯示了優越的器件性能和產業化前景，可以相信，Ⅱ類超晶格紅外探測器的發展對于高性能、低成本的紅外技術應用將具有更加重要的作用。