红外焦平面阵列探测器的研究进展

（华中光电技术研究所-武汉光电国家研究中心 武汉 430223）

1 引言

地球乃至整个宇宙空间所释放的能量主要集中在红外波段，其波长介于可见光与微波之间，波长范围为0.76 μm～1000 μm，它蕴含着人类周围丰富的信息。红外探测器是一种基于热电效应而制成的电子元器件，靠周围物体发出的红外辐射来工作。1917年，世界上第一个光导型红外探测器由美国人Case[1]研制出来，当时由于性能不稳定、信噪比低等原因，项目曾一度搁浅。直至20世纪30年代，美国无线电公司发明了显像管，使得红外探测器的应用前景得到拓展。第二战世界大战期间，红外技术首次在军事进行了应用，促使人们普遍意识到它的重要性。20世纪90年代，Lawson等[2]成功合成了HgCdTe材料，该事件具有里程碑的历史性意义，指导了后来红外探测器的进一步发展。红外探测器的发展历史进程如图1所示[3]。随着红外探测器技术的不断进步，以及人类对其应用领域的持续探索，如今已经广泛应用于军事、工业、交通、安防监控、气象、医学等各个领域。随着光电技术的不断发展以及人类不断地对红外信息的探测和智能感知能力提出更高的要求，当前红外探测器技术正处于新旧更迭的时代，一大批新型红外探测器不断涌现。深入了解红外探测器的研究现状，对促进其行业应用及预测未来发展趋势具有极其重要的意义。

2 红外探测器的分类及各自特点

如今，红外探测器的研发在蓬勃发展，各大厂商纷纷推出了各类型的红外探测器。红外探测器的分类方法种类繁多，根据工作温度的不同，可以将其分类为非制冷型和制冷型两种，对于后者，常常采用半导体制冷方式和液氮制冷方式。根据探测器的结构组成差异，可将其分为焦平面、线阵和单元红外探测器。此外，还可以根据其对不同波长光谱的响应情况，将其分为近红外、中红外、远红外和极远红外探测器等。本文主要以探测器工作温度为依据进行分类。

图1 红外探测器的发展历史

对于非制冷型红外探测器来说，它的显优势在于对温度没有严格的要求，即可以在常温下工作。但是它具有诸多缺陷，比如不能对整个光谱进行相应，探测灵敏度低，响应慢。由于少了体积庞大的制冷系统，一般来说，非制冷型红外探测器具有结构紧凑、稳定性高、成本低优点。然而，制冷型红外探测器的工作温度一般在80K～200K。由于低温使得暗电流较小，使得制冷型探测器的信噪比相较于非制冷型探测器高很多。鉴于上述特点，非制冷型红外探测器较多地应用在民用领域，诸如工业生产、监控安防和医疗卫生等；而制冷型红外探测器则更多地应用在军事领域，如夜视侦查、精确制导和目标瞄准等。

3 非制冷红外探测器

目前，非晶硅和氧化钒是非制冷型红外探测的两大主流敏感材料，并且后者占有绝对的主导地位，使用率约为75%。此外，人们对氧化钒探测器的研究要比非晶硅早十余年，技术沉淀更多。它们的技术路线的区别主要在于薄膜沉积方法、薄膜性能以及技术指标等方面。对于氧化钒探测器的研发与生产，以美国DRS公司、Raytheon公司、FLIR公司，英国BAE公司、以色列SCD公司等企业为代表，其中FLIR公司的产品代表了目前全球最先进技术水平；而对于非晶硅探测器的供应商，则以法国ULIS公司、中国浙江大立公司和美国L-3公司等为代表。表1列举了截止目前国内外主要厂家成熟产品的主要性能指标[4]。

表1 全球非制冷红外焦平面探测器主要技术参数对比

虽然非晶硅探测器比氧化钒探测器更容易实现大规模生产，但是后者的诸多项性能指标均明显优于前者，诸如探测灵敏度和测温精度。例如，非晶硅探测器的灵敏度通常位于50Mk附近，而氧化钒探测器则为20mK～30mK；非晶硅探测器的残余固定图形噪声较大，比氧化钒探测器大一个数量级；非晶硅探测器的图像均匀性也比氧化钒探测器差。

国内从事非制冷红外探测器行业的有高校、研究所和少数民营企业，下面是对国内从事该领域研究的一些单位进行介绍。

高校：主要有华中科技大学和电子科技大学。高效科研人员主要着力于材料性能的理论研究和器件生产新工艺的研发，并且目前还处于初步阶段。

研究所：主要有兵器211所、上海技物所和电子11所，并主要从事成像模块或整机的研发。这些单位更多侧重于学术研究、新技术开发。由于体制限制等原因，产业化发展受限，目前暂不具备产品的量产能力。

公司：主要包括高德红外、睿创微纳、浙江大立和广州飒特等。自2018年起，睿创微纳在12μm像元尺寸非制冷红外探测器技术的基础上，开始了10μm像元尺寸产品的研发。据最新资料报道，该公司已经发布了阵列规模达到1280×1024，像元间距仅为10μm，NETD优于40mK的产品，并提交了两项发明专利。这也标志着中国是世界上第二个研制出10μm红外探测器的国家（第一个是美国的DRS公司）。睿创微纳公司生产的非制冷红外探测器年出货量达4万支；高德红外次之，年产能大约2万支。但是，高德红外的产品种类更加完备，该公司同时拥有8英寸非制冷红外探测器和8英寸制冷型红外探测器生产线。随着国内热像仪应用市场的扩大，以睿创微纳、高德红外为代表的生产企业自主创新，量产出的非制冷型红外探测器的技术指标和国外主流产品的差距己经很小了。

4 制冷型红外探测器

相比于非制冷型红外探测器，制冷型红外探测器具有响应速度更快、灵敏度更高、探测距离更远及性能更稳定等诸多优点，但是需在低温环境下才能体现性能优势。目前，其发展方向主要在提高工作温度、减小暗电流、小型化、多波长探测以及系统集成等方面。适用于低温红外探测器的材料一般有三种，包括碲镉汞（HgCdTe）、量子阱（QWIPs）和Ⅱ型超晶格。

4.1 碲镉汞红外探测器

提高性能、缩小体积和降低成本是目前碲镉汞探测器的三大研究方向。在过去的十余年，碲镉汞红外探测技术迅速发展，西方发达国家首先提出了一个全新的名词，为SWaP（Size，Weight and Pow⁃er）；而后 SWaP又逐渐演变为SWaP-C（SWaP and Cost）及SWaP3（SWaP and Performance，Price）。针对高性能的碲镉汞红外探测器，SWaP可以在保证探测器良好性能的前提下，降低系统的体积、重量、功耗和价格，同时提升探测器的稳定性。如此一来，可以进一步扩展其应用范围，包括在瞄准系统、无人机等方面的使用。实现SWaP的途径有两种：一是提高工作温度HOT；二是减小像元的中心距离，更优的方式是把两者完美的地结合起来。

HOT探测器是欧美各大厂商共同追求的目标，在红外探测领域的受重视程度日益增加。美国Teledyne公司和法国Sofradir公司均采取p-on-n的技术路线，Teledyne则利用基于LPE或MBE技术的As掺杂双层异质台面结工艺，而Sofradir采用基于LPE技术的As注入平面结工艺。美国DRS公司、英国Selex公司和德国AIM公司采用的则是另一种技术路线n-on-p，其中DRS采用基于非本征掺杂HDVIP（High Density Vertically Integrated Photodi⁃ode）工艺，Selex采用基于非本征掺杂MOVPE技术的异质台面结工艺，而AIM使用基于非本征Au掺杂LPE的平面结工艺。

对于国内碲镉汞红外探测器的研发情况，研究单位不多，主要包括昆明物理研究所、高德红外。昆明物理所从2006年就开始着手碲镉汞中波红外探测器的研发工作，并于2010年实现了量产，其阵列规模为320×256。通过对该材料非本征掺杂的继续探索，并对器件生产过程中的干法刻蚀、表面钝化等方面的逐步改进，昆明物理所取得了一些重大的进步，并陆续发布了阵列规模为640×512（15μm、20μm、25μm）及1280×1024（15μm）的碲镉汞中波探测器产品。2015年，量产的640×512中波红外探测器实现了在温度为110K，NETD为19.7mK，有效像元率为99.33%的技术指标，标志着我国中波探测器性能指标基本达到同一时期发达国家的技术水平[5]。

根据最新资料显示，国内最新款制冷型碲镉汞中波红外探测器CB12M MWIR，其面阵规格为1280×1024，像元尺寸为 12μm，NETD小于 20Mk（F2/F4）[6]。

4.2 量子阱红外探测器

虽然碲镉汞探测器具有诸多优点，但是碲镉汞很难实现大面积阵面探测器的量产化；此外，由于其材料的特殊性导致的表面漏电流现象对碲镉汞探测器的性能影响也很大。相比之下，量子阱材料却有自己独特的优点：比如生长技术成熟，并且生长面型均匀，受控性好；价格低廉、产量大、热稳定性高。

近几年发展开来的量子阱红外探测器（QWIP）拥有较高的热灵敏度以及均匀性好等性能优点，同时其材料生长和生产工艺比较成熟，生产成本适中，便于规模化装备，方便多色谱大面阵器件的单片集成。此外，可以在探测器顶端刻蚀线性光栅来获取对红外辐射光的偏振敏感特性，该方式比传统增添偏振元件的方式更具优势。1998年，普林斯顿大学首次提出线性光栅量子阱红外探测器具有偏振响应特性这一现象。三年之后，美国陆军研究实验室（ARL）开始进行长波偏振量子阱的研究工作，将0°和90°方向的线性光栅进行叠加排列，得到了阵列规模为384×288的长波偏振量子阱芯片。同一时期，在名为Sirus的长波量子阱组件的基础上，THALES公司进行了四象限偏振面阵探测器的研究工作，并通过一系列的对道路、汽车、建筑物等人工物体目标的探测实验，证实了该探测器的实际应用价值。

对于国内的情况，昆明物理研究所在2017年公布了阵列规模为640×512、中心距为20μm的偏振长波量子阱红外探测器的研发成果[7]。在探测器的偏振焦平面上使用2×2的子单元设计，然后每个子单元中的每个像素单元分别被刻蚀方向为0°、45°、90°以及 135°的四种类型的一维线性光栅，以获取不同偏振角度入射光的信息。这种方案解决了长波量子阱材料外延和器件研制等方面的难题，并成功制备出红外面阵探测器芯片。配合制冷器组件的使用，长波偏振量子阱探测器组件的NETD低于30mK。由于该探测器不但拥有较高的物理分辨率，同时可以获取被测物的偏振信息，这对探测能力的提升起到重要的促进作用。

4.3 Ⅱ类超晶格红外探测器

量子阱探测器的结构特殊性使得正入射光无法很好地被探测器吸收，致使量子阱探测器的量子效率并理想。但是，硒化物Ⅱ型超晶格却不存在这种问题，它可以很好地吸收正入射光而不需要任何光栅，因此它拥有较高的探测灵敏度，几乎可以与碲镉汞相媲美。和带间吸收一样，通过光学吸收机制，Ⅱ类超晶格探测器可以实现高达81%的量子效率。同时，它的隧穿电流和暗电流均较小，对工作温度的要求相对宽松。Ⅱ类超晶格探测器材料使用Ⅲ族和Ⅳ族元素，采用光伏原理制成。作为新一代的光电器件，Ⅱ类超晶格拥有无限的发展潜力和广阔的应用前景。

InAs/GaSbII类超晶格材料自1987年就开始被应用于红外探测，它具有量子效率高，器件均匀性好，暗电流低以及覆盖光谱范围广（3μm～30μm）等优点。2006年，AIM和IAF公司开发出了384×288的II类超晶格中波双色探测器，其工作谱段为3μm～4μm和4μm～5μm，NETD分别达到12mK和22mK[8]。2009年，美国Raytheon和JPL研发了阵列规模为1024×1024的II类超晶格长波红外探测器，其探测率达到1.1×1011[9]。美国西北大学在 2012 年研发出了阵列规模为1024×1024的II类超晶格长波红外探测器，在温度为68mK时NETD达到22.5mK，量子效率约为78%。中国科学院半导体所等单位研制了640×512的II类超晶格长波红外探测器，其截止波长为10μm和16μm[10]；西安电子科技大学在2016年研究出了阵列规模为128×128的短波红外探测器[11]；上海技术物理研究所的陈建新、周易等研究人员也研制出了截止波长为12.50μm的长波InAs/GaSbⅡ类超晶格红外探测器[12]。上述研究结果表明，II类超晶格探测器在中波和长波红外谱段均具有低暗电流和高工作温度的优点，对于研制高灵敏度的长波红外探测系统具有及其重要的作用。其中，以上海技术物理研究所研制的II类超晶格长波红外探测器为例，其关键技术如表2所示。

表2 II类超晶格长波红外探测器的技术指标

5 结语

自20世纪90年代开始，非制冷红外热像仪相较于制冷型红外热像仪，具有低成本、低功耗、小型化、易使用、易维护等优点迅速进入军用和民用领域。至今，非制冷焦平面产品已发展到中、大规模640×512、1024×768、2048×1536阵列，像素尺寸缩小到12μm甚至到10μm，噪声等效温差（NETD）降低到小于30mK@F/1以下，帧频提高到60Hz（640×512规格），以及宽波段（中波和长波）、120Hz高帧频的非制冷探测器也逐渐形成产品。在未来几年，高性能非制冷器件主要指标将达到2K×2K阵列、200Hz帧频以上、小于20mK、像素小于8μm等，将替换部分制冷型产品；同时价格低廉的中小规模非制冷探测器将大量进入民用市场或大批量装备部队。

随着非制冷红外技术的不断进步，各种武器装备广泛的应用牵引，非制冷红外探测器也在朝着高性能、低成本及高集成度三个方向突飞猛进的发展。同时，非制冷探测器生产模式也朝着更为规模化生产、制造外包等方式调整。非制冷器件、机芯、系统等产业链的垂直整合也在悄然发生。

随着IC设计、加工、封装技术的发展，以及红外图像处理算法的日渐成熟，使得探测器研制生产能够采用3D封装技术、专用红外图像处理芯片、视觉处理单元（Vision Processing Unit，VPU），以及3D IC有效降低规模化生产成本，同时先进图像算法处理集成到探测器层面成为可能，如超分辨率、精密降噪滤波、局部图像增强、图像融合等算法，同时为客户预留部分资源，可在此基础上进一步开发人工智能等特定功能，提供智能化的红外成像解决方案。

今后，非制冷红外焦平面器件将和CMOS图像传感器一般，实现高集成度、低成本及模组化标准产品，极大提升用户群体及扩张应用方向。