红外探测器简介

红外探测器

设计研发部-李平

一、红外探测器市场以及应用领域

红外探测技术目前主要分为近红外、中红外和远红外三种研究领域。其中，中红外探测技术由于中红外线的高强度和高穿透性，应用最为广泛，研究也最为成熟；远红外的主要优点就是其穿透性，可用于探测、加热等，应用也比较广泛。近红外，由于其包含氢氧键、碳氢键、碳氧键等功能键的特征吸收线。大气中的水气、二氧化碳、大气辉光等也集中在这个波段。特有的光谱特性使得短波红外探测器可以在全球气候监测、国土资源监测、天文观测、空间遥感和国防等领域发挥重大作用。红外探测器广泛应用于军事、科学、工农业生产和医疗卫生等各个领域，尤其在军事领域，红外探测器在精确制导、瞄准系统、侦察夜视等方面具有不可替代的作用。随着红外探测技术的飞速发展，红外探测器在军事、民用等诸多领域都有着日益广泛的应用。作为高新技术的红外探测技术在未来的应用将更加广泛，地位更加重要。

小型红外探测器是受价格驱动的商品市场，而中型和大型阵列探测器则是受成本和性能驱动的市场，并且为新产品提供了差异化的空间。但是在每种红外探测器技术（如热电/热电偶/微测辐射热计）之间存在着巨大的障碍。由于这些技术都是基于不同的制造工艺，如果没有企业合并或收购，很难从一种技术转换到另外一种技术。

红外探测器已进入居民日常安防中，其中主动式红外探测器遇到树叶、雨、小动物、雪、沙尘、雾遮挡则不应报警，人或相当体积的物品遮挡将发生报警。主动红外探测器技术主要采用一发一收，属于线形防范，现在已经从最初的单光束发展到多光束，而且还可以双发双收，最大限度地降低误报率，从而增强该产品的稳定性，可靠性。据美国相关公司市场调研分析师预测，全球军用红外探测器需求额有望在2020年达到163. 5亿美元，复合年均增长率为7. 71%。

红外探测器按探测机理可分为热探测器和光子探测器，按其工作中载流子类型可以分为多数载流子器件和少数载流子器件两大类，按照探测器是否需要致冷，分为致冷型探测器和非致冷型探测器。非致冷探测器目前主要是非晶硅、氧化钒和InGaAs等探测器，致冷型探测器主要包括碲镉汞三元化合物、量子阱红外光探测器Ⅱ类超晶格等。在过去的几十年里，大量的新型材料、新颖器件不断涌现，红外光电探测器完成了第一代的单元、多元光导器件向第二代红外焦平面器件的跨越，目前正朝着以大规模、高分辨力、多波段、高集成、轻型化和低成本为特征的第三代红外焦平面技术的方向发展。

二、焦平面红外探测器应用现状

热探测器的应用早于光子探测器。热探测器包括热释电探测器、温差电偶探测器、电阻测辐射热计等。热探测器具有宽谱响应、室温工作的优点，但是它响应时间较慢、高频时探测率低，目前主要应用于民用领域。光子探测器是基于光电效应制备的探测器，通过配备致冷系统，具有高量子效率、高灵敏度、低噪声等效温差、快速响应等优点。在军事领域，光子探测器占据主导地位。常用的光子探测器有碲镉汞( HgCdTe) 、InGaAs、InAs /InGaSb Ⅱ类超晶格、GaAs /AlGaAs量子阱等。近年来量子点红外光探测器也引起广泛关注，量子点红外光探测器在理论上具有很多优点，但实际制备的量子点红外光探测器与理论预测的还是有一定差距。常见红外探测器种类及其特点如下表所示：

红外探测器种类				工作原理	优点	缺点
热探测器	气动探测器			受热膨胀	简单轻便，成本低，光谱范围宽，可室温工作	无选择性 探测率较低 响应速度较慢
	温差电偶、温差电堆			温差电效应
	测辐射热计			电阻温度特性
	热释电			热释电效应
光子探测器	光电导探测器	本征型	Ⅳ-Ⅵ化合物材料	基于带间跃迁吸收光电导效应	禁带宽度窄	机械特性差 介电常数大，结电容大
			Ⅱ-Ⅵ化合物材料		应用波长范围宽 技术比较成熟	缺陷密度高 成本较高
			Ⅲ-Ⅴ化合物材料		材料性能优良 技术比较成熟	需要合适衬底
		非本征型		重掺杂杂质能级跃迁，主要应用于长波，响应波长范围宽	成本低，工艺简单，可量产，易于调节响应波长	吸收系数低，需低温工作 量子效率较低
		自由载流子		高迁移率半导体带内跃迁，载流子迁移率变化从而引起电导变化	成本低，增益高，易制备较大的二维面阵	量子效率低，需低温工作
	光伏探测器	PIN、Schottky、APD、MSM、RCE		光生载流子产生光电压	高灵敏度和响应率，噪声小，功耗低	薄膜材料生长要求较高
	量子结构探测器	量子阱探测器		半导体材料相间排列形成具有量子局限效应的势阱，子带间跃迁	波长大幅可调，技术比较成熟，容易实现多色探测	需特殊的光耦合方式 量子阱中基态电子浓度受掺杂 量子效率不高
		量子点探测器		维度很小的量子点内部电子受到局限，产生不连续电子能级，子带间跃迁	较小暗电流，较大增益，较高的工作温度	量子点尺寸、密度和均匀性的控制比较困难

国外空空导弹制导系统中，如美国的响尾蛇、英国阿斯拉姆、俄罗斯Ｒ-73、法国米卡红外型、德国依尔伊斯特、以色列“怪蛇”系列等最新型号都采用了基于焦平面红外探测的红外制导技术。国产武器装备也是如此，空空导弹中应用抗干扰型多元成像导引头，能够高离轴角发射，并具备超机动性；在防空导弹中采用红外成像导引头，较好地解决了超低空飞行引信容易误启动的情况；在反坦克导弹中使用了红外焦平面成像式自导头，配有非冷却式光电探测器，成为非致冷式红外成像制导反坦克导弹。在瞄准系统、侦察夜视领域，焦平面红外探测器也具有广泛的应用前景。据报道，一款夜间瞄准系统升级设备将用于美国海军陆战队AH-1 眼镜蛇攻击直升机，此机载夜间瞄准系统是一个光电前视红外塔楼状传感器组件，能为海军陆战队提供远程监视、跟踪、高空目标探测、测距和激光指示。美国海军战斗机专家正在更新航母起飞的F/A-18 战斗轰炸机机载前视红外瞄准系统，以达到给飞行员提供大幅增加的目标检测和识别范围、先进激光指示能力、远离海岸行驶的精确评估、光电和红外成像的目的。

三、焦平面红外探测器发展现状

1、国内研究现状

国内研制焦平面红外探测器主要研究机构有上海技术物理研究所、昆明物理研究所、重庆44所、高德红外等单位。上海技术物理研究所在碲镉汞、铟镓砷红外探测器的研制方面，包括材料生长、器件工艺设计、电路设计方面都积累了丰富的经验。目前，焦平面红外探测器产业化发展迅速，国内已有多家企业具有生产致冷型或非致冷型焦平面红外探测器的能力，其所生产的典型产品指标如表所示：

探测器类型	材料	阵列规模	像元间距（µm）	光谱范围（µm）
非制冷	非晶硅	0×480	25	8~14
	氧化钒	400×300	17	8~14
	铟镓砷	0×512	25	1~1.7
制冷	碲镉汞	0×512	15	3.7~4.8
	II类超晶格	320×256	30	3.7~4.8
	II类超晶格	320×256	15	7.4~10.5

近年来，国内已建有具有自主知识产权的8英寸0. 25µm 非致冷红外探测器生产线，新型氧化钒800×600 高分辨力非致冷焦平面红外探测器及Ⅱ类超晶格红外探测器短波、中波和长波产品均已面世，这些成果对于提升国家自主创新能力和国家战略装备的研制具有重要意义。总体来看，国产焦平面红外探测器的制造能力正在迅速提高，不仅实现了从衬底、外延、芯片、封装到致冷机的自行设计和研发，也实现了从材料到组件的全国产化。

2、国外研究现状

国外焦平面红外探测器的生产厂商主要分布在美国、英国、法国、德国、日本及以色列等国。目前国外典型的焦平面红外探测器性能指标如下表所示：

探测材料	阵列规模	像素尺寸（µm）	光谱范围	工作温度（K）
VOx	0 × 480	28 ×28	8~14	300
InGaAs	0 × 512	25×25	0.4~1.7	300
Si：As	2048×2048	18×18	5~28	7.8
InSb	1024 × 1024	15 × 15	3 ~5	77
HgCdTe	4096 × 4096	10 × 10	1. 0 ~5 4	37
HgCdTe	1280 × 1024	15 × 15	3. 4～7. 8	77～100
HgCdTe	0 × 512	15 × 15	8~10	90

    Raythen 公司已研制出一种双波段HgCdTe 红外焦平面阵列结构，而且还将会作为对现有的地基和机载战术系统进行升级的第三代产品而获得进一步的发展。在小型探测器研究领域，DARPA已成功研制了一系列像元间距为5 ~8µm的红外探测器，而作为DARPA的大口径海洋基础数据阵列计划的一部分，一种基于像元间距5µm的碲镉汞焦平面阵列的中波红外相机也已被研制出。

美国Northrop Grumman 公司研制的硒化铅探测器被认为是焦平面红外探测的一大突破，这种致冷型光子探测器具有很高的灵敏度和成像速率，但价格低廉，无需采用低温制冷装置。

法国Sofradir 公司的红外探测器产品较多，包括HgCdTe，InSb，InGaAs，QWIP以及微测辐射热计，覆盖了短波红外、中波红外、长波红外光谱。近期公司又推出了像元间距为10µm 的Daphnis系列红外探测器，该探测器是世界上第一款采用小像元间距技术制成的致冷型中波红外成像产品，非常适合电光系统研究人员用来研制陆基、机载和舰载军事系统。

早在2002年，美国传感无限公司就成功研制出高性能的InGaAs焦平面探测器产品。由于InGaAs探测器固有的价值，使得美军对此投入了大量的人力物力。2002至2015年，传感无限公司在InGaAs探测器的研制上进展迅速，短短几年内就完成了多种型号的InGaAs焦平面系列产品的研制。美国传感无限公司2012年实现了4英寸InP基工艺的量产之后，就进入到各种型号产品工程应用的发展时期。其发展历程如下图所示：

四、存在的问题及发展趋势

目前主流的焦平面红外探测器具有成像系统体积小、质量轻、功耗低、系统灵敏度高、工作帧频高等一系列优点，但其缺点也很明显，如HgCdTe 红外探测器材料均匀性相对较差，Ⅱ类超晶格探测器分子束外延生长工艺不够成熟，量子阱红外探测器不吸收正入射光，量子效率相对较低，量子点红外探测器也存在量子点材料不均匀的问题。这些探测器均存在成像非均匀性的问题，是指焦平面阵列在均匀辐射输入时，各单元输出的不一致性。红外光学系统的影响，如镜头加工精度、镜头孔径等因素影响；红外焦平面外界输入的影响；红外焦平面阵列中无效探测单元的影响； 红外焦平面阵列温度变化的影响； 读出电路本身非均匀性及读出电路与探测器耦合非均匀性的影响。非均匀性影响测量精度，特别是在弱信号探测时尤为严重。

目前的校正方法主要有两类，一类是定标类校正，另一类是场景类校正。目前在军事中广泛应用的校正方法主要是定标类校正方法。为了进一步提升红外焦平面成像的均匀性、提升武器装备中制导精度，开展红外探测器成像非均匀性参数校正的新方法研究以及探测器数据采集系统的定性检查和定量校准是迫切和必要的。

焦平面红外探测器的发展趋势主要体现在以下几个方面。首先是探测器向高集成度、小型化方向发展，这主要体现在像元间距越来越小，阵列规模越来越大。其次是非致冷型红外探测器研究热度增加，与致冷型红外探测器相比，非致冷型红外探测器探测精度略差，但是由于没有致冷系统，它具有价格低、功耗低、质量轻、体积小易于便携设计等一系列优点，此外，低温致冷系统和复杂的扫描装置是红外系统的主要故障源，所以非致冷热成像还具有可靠性高的优势。最后是多波长焦平面红外探测成为研究热点。单一波长的红外探测容易受外界环境干扰导致探测能力和准确度下降，在红外制导武器中，单一波长的红外探测器一旦受对应波段的激光武器攻击，很难避免被致盲。采用多波段探测，可以有效地避免外界干扰，降低虚警率，提高系统对假目标的鉴别能力，满足未来战场的需要。