論第三代紅外探測(cè)器的需求及選擇

摘 要：在歷經(jīng)了半個(gè)多世紀(jì)的紅外光電探測(cè)器的發(fā)展研究，紅外探測(cè)器像元數(shù)目已經(jīng)從少于100元的一代發(fā)展到10萬(wàn)元的二代，再到百萬(wàn)像素的三代，在出現(xiàn)了龐大的紅外探測(cè)器器件家族之后，人們又進(jìn)入了以高探測(cè)率、大面陣、低成本、多光譜為技術(shù)特點(diǎn)的第三代。在紅外探測(cè)器技術(shù)飛速發(fā)展的時(shí)代，碲鎘汞、量子阱和II類超晶格探測(cè)器都成為了第三代紅外探測(cè)器技術(shù)的代表者，有第三代紅外探測(cè)器所共有的特征。文章分別介紹了三種代表技術(shù)，并將銻基II 類超晶格紅外探測(cè)器作為最佳選擇，分析其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和材料器件優(yōu)勢(shì)，指出了其關(guān)鍵要解決的問(wèn)題和其廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：第三代；紅外探測(cè)器；材料；器件

紅外光自被人類發(fā)現(xiàn)以來(lái)，紅外探測(cè)技術(shù)歷經(jīng)了兩個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，從第一個(gè)實(shí)用的紅外探測(cè)器研制成功之后，就廣泛應(yīng)用于軍事、民用、太空等領(lǐng)域，如：紅外成像、紅外制導(dǎo)、紅外預(yù)警等，利用其分辨率高、保密性好、抗電子干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于夜視、導(dǎo)航、預(yù)警、火控、防偽、精確打擊等。并且隨著研究的進(jìn)展，先后出現(xiàn)了兩代紅外探測(cè)器，第一代以機(jī)械掃描方式實(shí)現(xiàn)目標(biāo)成像；第二代凝視型焦平面探測(cè)器的單元數(shù)量比一代高三個(gè)數(shù)量級(jí)，進(jìn)入二十一世紀(jì)，紅外焦平面技術(shù)又發(fā)展到了第三代，它與第二代相比，更注重多色探測(cè)、高性能和低成本的特質(zhì)。由圖1所示可以看出紅外探測(cè)的發(fā)展歷程。

1 第三代紅外探測(cè)器的內(nèi)容及概況分析

碲鎘汞、量子阱和II類超晶格探測(cè)器紅外探測(cè)技術(shù)都被稱為第三代紅外探測(cè)技術(shù)，它們所共有的技術(shù)要求是：（1）高工作溫度狀態(tài)、高探測(cè)率、高量子效率；（2）多光譜、高分辨率、大面陣；（3）低成本的制備。在共有的技術(shù)要求下，涵蓋有三個(gè)方面的內(nèi)容：（1）高性能、高分辨率、多波段探測(cè)的制冷焦平面；（2）中等性能或高性能的非制冷焦平面；（3）低成本的非制冷焦平面。其中：高性能是指像元在100萬(wàn)以上；低成本是通過(guò)提高工作溫度的方法，進(jìn)一步改進(jìn)器件技術(shù)。

第三代紅外探測(cè)器中，單色探測(cè)器包括：大面陣InSb中波紅外探測(cè)器、InGaAs近紅外探測(cè)器和非制冷紅外探測(cè)器。雙色或多色紅外探測(cè)器包括：碲鎘汞、量子阱和II類超晶格探測(cè)器紅外探測(cè)技術(shù)，這三種紅外探測(cè)器技術(shù)的紅外吸收機(jī)制不同，各具優(yōu)缺點(diǎn)，也應(yīng)用于不同的領(lǐng)域，被公認(rèn)為是第三代紅外探測(cè)器技術(shù)。

2 第三代紅外探測(cè)器技術(shù)的不同性能概述

紅外探測(cè)器的制備技術(shù)發(fā)展由人工調(diào)制晶體到注入成結(jié)到外延成結(jié)的過(guò)程，第三代紅外探測(cè)技術(shù)應(yīng)用以半導(dǎo)體能帶工程為核心的外延技術(shù)，在該技術(shù)支撐下，第三代紅外探測(cè)器技術(shù)具有不同的性能和優(yōu)缺點(diǎn)。

2.1 碲鎘汞探測(cè)器

碲鎘汞是適用于紅外3-20um波段的紅外探測(cè)器。它是一種直接帶隙半導(dǎo)體材料，具有質(zhì)量小、遷移率高、響應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)，它對(duì)于電子吸收外來(lái)光子從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，材料吸光系數(shù)大，量子效率高達(dá)90%以上，同時(shí)，調(diào)節(jié)碲鎘材料中的Cd組份，碲鎘汞材料的禁帶寬度也隨之變化。

缺點(diǎn)：（1）碲鎘汞材料主要由離子鍵結(jié)合，構(gòu)成元素汞的穩(wěn)定性差，極易從材料中析出，這造成了該材料的不均勻性和不穩(wěn)定性。（2）由于它的器件響應(yīng)波長(zhǎng)是根據(jù)Cd元素的組分變化而變化的，這就使得碲鎘汞材料的器件性能更為不穩(wěn)定，因而，也不適用于截止波長(zhǎng)為7um的中波紅外探測(cè)器。（3）伴隨該材料器件的響應(yīng)波長(zhǎng)增加，一些暗電流機(jī)制也呈幾何級(jí)數(shù)增加，而該材料并沒(méi)有相應(yīng)的控制手段。這些缺陷導(dǎo)致碲鎘汞材料的器件制備成本較高，無(wú)法滿足第三代紅外探測(cè)器的技術(shù)要求。

2.2 量子阱材料

由于該材料在能帶結(jié)構(gòu)上形成對(duì)電子或空勢(shì)阱，在外加電場(chǎng)的作用下，光生載流子被收集形成光電流，故而得名：量子阱材料。目前主要采用的是：GaAs/A1GaAs量子阱紅外探測(cè)器，這是在III-V族生長(zhǎng)技術(shù)和器件工藝技術(shù)成長(zhǎng)起來(lái)的材料，其成品的襯底尺寸可達(dá)6in（1in=2.54cm）以上，可以生成大面積、均勻度極高的量子阱材料，與碲鎘汞材料不同，量子阱材料不僅可以改變材料組份，而且可以改變材料厚度、能級(jí)位置，器件響應(yīng)波長(zhǎng)也可以從中波3um到更長(zhǎng)的30um。其材料結(jié)構(gòu)如圖2所示。

該材料具有的優(yōu)點(diǎn)：（1）均勻度高。它適用于長(zhǎng)波段，成品可以進(jìn)行大面積制備，目前已經(jīng)制備出1024×1024像元的長(zhǎng)波、中波紅外探測(cè)器和1024×1024像元的中長(zhǎng)波雙色焦平面探測(cè)器。（2）由于該材料可以調(diào)節(jié)組份、厚度，因而易于制備大面陣紅外探測(cè)器，實(shí)現(xiàn)雙色或多色探測(cè)，具有良好的器件性能。

該材料存在的不足：它只適用于響應(yīng)要求不快的場(chǎng)合，這是由它的工作方式所決定的。影響因素一：量子阱材料吸收光子是子帶間躍遷，數(shù)量級(jí)比價(jià)帶提供的電子差了3-4個(gè)量級(jí)；影響因素二：該材料只能吸收平行于表面的入射光，這對(duì)探測(cè)器的要求更為精細(xì)，增加了工藝難度同時(shí)也降低了器件的量子效率。它的量子效率為8%，遠(yuǎn)低于碲鎘汞材料。另外，一個(gè)對(duì)制冷系統(tǒng)的制約性要求則是：量子阱材料的響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，就要求器件有較低的暗電流性能，而這無(wú)疑對(duì)制冷系統(tǒng)提出了更高的要求，量子阱材料要求較低的65-73K的工作溫度，這就增加了系統(tǒng)的功耗。

2.3 銻化物超晶格紅外探測(cè)材料

在InSb體晶生長(zhǎng)加工技術(shù)和芯片背減薄技術(shù)的不斷完善下，銻化物分子束外延技術(shù)提高了該材料的高溫工作性能，成為了以InAs/GaSb超晶格材料為核心的6.1A族材料。它有獨(dú)特的斷代能帶結(jié)構(gòu)，可以生成導(dǎo)帶勢(shì)阱、價(jià)帶勢(shì)阱、電子和空穴。另外，電子有效質(zhì)量輕，具有微帶構(gòu)造。這些特殊的能帶結(jié)構(gòu)使其具有較多的優(yōu)點(diǎn)：（1）量子效率高；（2）該材料可以調(diào)節(jié)其應(yīng)變及其能帶結(jié)構(gòu)，使重輕空穴分離大，降低了俄歇復(fù)合及有關(guān)的暗電流，提高了焦平面的工作溫度；（3）帶隙可調(diào)，隧穿電流小，可以在超長(zhǎng)波段獲得較高的探測(cè)率，并實(shí)現(xiàn)從短波到超長(zhǎng)波段的連續(xù)可調(diào)。（4）均勻度好，可以大面積生長(zhǎng)材料，具有成本低的特質(zhì)。

該材料的缺點(diǎn)：（1）目前，該材料的量子率已經(jīng)達(dá)到60%，具有較高的量子效率，但是，還需要研究在復(fù)雜的材料結(jié)構(gòu)和高量子效率之間的折衷與均衡。（2）該材料在生長(zhǎng)之時(shí)對(duì)于界面設(shè)計(jì)和控制非常敏感，這不利于高質(zhì)量材料的生長(zhǎng)。（3）該材料極易氧化，使表面粗糙，增加了表面的非輻射復(fù)合；并且，器件表面與電極之間有導(dǎo)電通道，增加了暗電流，這些器件性能的提高都有待于表面鈍化技術(shù)的發(fā)展。

3 銻基II類超晶格紅外探測(cè)器，是第三代紅外探測(cè)器的最佳選擇

美國(guó)的量子器件中心、德國(guó)的IAF、AIM等機(jī)構(gòu)都對(duì)銻基II類超晶格探測(cè)器進(jìn)行了物理特性、器件性能等方面的研究，銻基II類超晶格材料被國(guó)外視為第三代探測(cè)的最佳選擇，在突破了高量子效率的材料生長(zhǎng)技術(shù)之后，銻基II類超晶格探測(cè)獲得了飛速的發(fā)展。德國(guó)研制成功了高性能的中波單色和雙色I(xiàn)I類超晶格焦平面探測(cè)器。圖3中充分體現(xiàn)了其在中、長(zhǎng)波的高性能和高溫下的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，更為突出的是，銻基II類超晶格材料由于其自身優(yōu)異的材料特性，背景限溫度高，器件可以在高于77k的高溫下工作，制冷功率極大降低，同時(shí)由于工作溫度高而引起的晶格失配和材料缺陷也將明顯減少，極大地提高了銻基II類超晶格探測(cè)材料的實(shí)用性能。

總之，在關(guān)于第三代紅外探測(cè)技術(shù)的研究方面，國(guó)內(nèi)外都進(jìn)行了高度的關(guān)注，高性能的紅外光電探測(cè)器的發(fā)展已經(jīng)步入了第三代，將極大地拓展應(yīng)用于現(xiàn)代軍事裝備及信息化工業(yè)，碲鎘汞、量子阱和銻化物II類超晶格紅外材料是世界公認(rèn)的第三代紅外探測(cè)材料，都面臨各自的技術(shù)挑戰(zhàn)。新型低維結(jié)構(gòu)的銻基II超晶格材料成為了最優(yōu)選的材料，在現(xiàn)代也出現(xiàn)了明顯的產(chǎn)業(yè)化趨勢(shì)，未來(lái)可以預(yù)見(jiàn)，高溫型的銻基II類超晶格紅外探測(cè)器具有廣闊的發(fā)展前景。

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