什么是紅外焦平面探測器 制冷紅外焦平面探測器的工作原理

紅外線是電磁波的一種，其波長范圍介于可見光與無線電波之間，為0.76～1000μm。根據(jù)大氣窗口、紅外應(yīng)用和探測器響應(yīng)等，紅外線可以進(jìn)一步劃分為近紅外線（0.76～1.4μm）、短波紅外線（1.4～3μm），中波紅外線（3～8μm）、長波紅外線（8～15μm）、遠(yuǎn)紅外線（15～1000μm）。

紅外探測器作為紅外技術(shù)的核心部件，可以靈敏地吸收特定波段的紅外線，并將其轉(zhuǎn)化為可被測量的信號。根據(jù)能量轉(zhuǎn)換方式的不同，紅外探測器可分為光熱型和光子型。光熱型紅外探測器利用紅外輻射特有的熱效應(yīng)，將紅外輻射轉(zhuǎn)換為材料的溫度變化，導(dǎo)致材料的結(jié)構(gòu)或物理特性發(fā)生變化，從而探測變化的物理量并將其轉(zhuǎn)換成電信號輸出。

光子型紅外探測器通過光電效應(yīng)改變材料的電子狀態(tài)，探測效率高，響應(yīng)速率快。光子型紅外探測器又可分為光導(dǎo)型和光伏型，前者是吸收光子能量后將電子從半導(dǎo)體價帶轉(zhuǎn)移到導(dǎo)帶上，由此改變探測材料的電導(dǎo)率；后者是將光子能量轉(zhuǎn)化為電子能量，造成半導(dǎo)體的電子-空穴分離態(tài)，從而產(chǎn)生電壓信號。因此，當(dāng)光子能量大于半導(dǎo)體的帶隙（導(dǎo)帶-價帶能量差）時，便可引發(fā)電子躍遷，即探測器對該輻射波長產(chǎn)生響應(yīng)。換言之，半導(dǎo)體的帶隙決定了材料可以吸收的紅外光的范圍。另外，光子型紅外探測器工作時往往處于較低溫度狀態(tài)，屬于制冷紅外焦平面探測器。

有代表性的光子型紅外探測器為銻化銦（InSb）材料探測器、碲鎘汞（HgCdTe）材料探測器和銻化物超晶格材料探測器。它們根據(jù)半導(dǎo)體帶隙寬度來探測不同波段的電磁輻射。圖1-2展示了多種材料紅外探測器的不同波長對應(yīng)的探測率。

大多數(shù)紅外技術(shù)的應(yīng)用需要穿過空氣，而紅外輻射在空氣中會因吸收或散射而衰減。地球大氣在紅外波段有很多強吸收帶，處于這些強吸收帶之外的大氣透過率較高的譜段為大氣吸收窗口。在海平面以上2km高度的長水平路徑上測得的大氣光譜透過率曲線如圖1-3所示?？梢源致缘卣J(rèn)為，地球大氣有1～3μm、3～5μm和8～14μm三個紅外窗口，它們在多個領(lǐng)域有重要的作用。通常，8～14μm的長波（LWIR）窗口是高性能熱成像的首選，因為長波能夠有效衍射，具有更好的透射率。3～5μm的中波（MWIR）窗口因其具有高對比度和更高的分辨率而受到青睞。

不同類型的目標(biāo)發(fā)出的紅外光有其特定的波段，因此可以利用特定波段的紅外探測器對目標(biāo)進(jìn)行探測。探測人眼不可見的紅外光并將其轉(zhuǎn)換為可識別的圖像的技術(shù)就是紅外探測技術(shù)。按照紅外芯片工作溫度的不同，可將紅外探測器分為制冷型和非制冷型。制冷紅外探測器因其高靈敏度、低噪聲、等效溫差等特性，在高精度、高分辨率觀測及弱光環(huán)境中，相對于非制冷紅外探測器具有優(yōu)勢，在軍事、安防等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

制冷紅外焦平面探測器的工作原理是利用入射光子流與探測器材料的電子之間的相互作用。由于入射的光子產(chǎn)生內(nèi)光子效應(yīng)，因此制冷紅外焦平面探測器也稱紅外光子探測器。制冷紅外焦平面探測器的核心部件是紅外焦平面芯片，一般由紅外焦平面陣列和讀出電路兩部分組成，如圖1-4所示。按照紅外焦平面陣列不同的工作原理，可將制冷紅外焦平面探測器簡單分為基于光電導(dǎo)效應(yīng)的光導(dǎo)型探測器和基于光伏效應(yīng)的光伏型探測器。

利用半導(dǎo)體材料的光電導(dǎo)效應(yīng)制成的探測器稱為光導(dǎo)型探測器，簡稱PC探測器。所謂光電導(dǎo)效應(yīng)，就是由于入射光輻射，使材料產(chǎn)生本征吸收或雜質(zhì)吸收，從而引起電導(dǎo)率發(fā)生改變的物理現(xiàn)象。光導(dǎo)型探測器是目前種類最多、應(yīng)用最廣泛的一類制冷紅外探測器。半導(dǎo)體器件工作時，通常要對其附加外部影響（如光場、電場、磁場等），然后觀察半導(dǎo)體中載流子的產(chǎn)生、擴(kuò)散、漂移、復(fù)合等過程所產(chǎn)生的結(jié)果，如電壓、電流等。

光伏型探測器簡稱PV探測器，一般由半導(dǎo)體pn結(jié)構(gòu)成。其工作原理是利用結(jié)的內(nèi)建電場將光生載流子掃出結(jié)區(qū)，形成信號（若光子的能量大于或等于半導(dǎo)體的禁帶寬度，則價帶中的電子吸收光子進(jìn)入導(dǎo)帶，形成電子-空穴對）。在探測器受到光照時，產(chǎn)生正、負(fù)電荷的光生載流子會向相反方向運動，形成電信號，從而產(chǎn)生光伏效應(yīng)。除了pn結(jié)，能夠產(chǎn)生光伏效應(yīng)的結(jié)還有肖特基勢壘結(jié)、金屬-絕緣體-半導(dǎo)體結(jié)等，使用不同的結(jié)，可以制成不同類型的光伏型探測器。

PC探測器是有選擇性響應(yīng)波長的，只有當(dāng)入射光子能量大于光敏材料中的電子激活能時，才有響應(yīng)。對于PV探測器和本征光導(dǎo)型探測器，電子的激活能等于半導(dǎo)體的禁帶寬度；對于非本征PC探測器，電子激活能等于雜質(zhì)電離能。由于禁帶寬度和雜質(zhì)電離能這兩個參數(shù)都有較大的選擇余地，因此，PC探測器的響應(yīng)波長可以在較大范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)。例如，用本征鍺做成的PC探測器，對近紅外輻射敏感；而用摻雜質(zhì)的鍺做成的PC探測器，既能對中紅外輻射敏感（如鍺摻汞探測器），也能對遠(yuǎn)紅外輻射敏感（如鍺摻鎵探測器）。

冷機(jī)提供深低溫（60～150K）工作環(huán)境；杜瓦則保證高真空的工作環(huán)境。制冷紅外焦平面探測器的研制涉及材料、紅外焦平面芯片、真空封裝、制冷機(jī)等多個領(lǐng)域，是極其復(fù)雜的系統(tǒng)工程。

以某型號中波制冷紅外焦平面探測器為例，該產(chǎn)品主要由中心距為15μm的中波640× 512 MCT紅外焦平面陣列、640×512 CMOS讀出電路、金屬杜瓦和RS058旋轉(zhuǎn)整體式斯特林制冷機(jī)等部分組成，具有3.7～4.8μm的中波紅外響應(yīng)功能，主要用于夜視裝備、周視搜索、熱像觀瞄、前視預(yù)警、武器導(dǎo)引、防空監(jiān)視、紅外識別等。

紅外敏感材料的功能是實現(xiàn)紅外輻射光信號轉(zhuǎn)換。制冷紅外焦平面探測器屬于PC探測器，其功能實現(xiàn)的原理是基于入射光子流與紅外敏感材料相互作用產(chǎn)生的光電效應(yīng)。光電效應(yīng)具有選擇性，其響應(yīng)波段與紅外敏感材料的能帶結(jié)構(gòu)相關(guān)?？梢酝ㄟ^對材料的帶隙設(shè)計，覆蓋整個紅外波段（1～30μm）的探測需求。按材料帶隙激發(fā)的原理不同，材料可分為本征半導(dǎo)體（HgCdTe、InSb等）、非本征半導(dǎo)體（Si:As、Si:Ga、Ge:Hg等）、自由載流子吸收半導(dǎo)體（PtSi、IrSi等），以及超晶格材料（GaAs/AlGaAs量子阱、InAs/GaSb二類超晶格等）四大類。

紅外焦平面陣列制備主要包括對準(zhǔn)標(biāo)記制作、離子注入、鈍化層制備、電極制備、互連銦柱制備。通過倒裝焊互連技術(shù)將紅外焦平面陣列與讀出電路進(jìn)行互連，實現(xiàn)紅外焦平面芯片制備。隨著像元尺寸的減小和面陣規(guī)模的增大，互連的凸點尺寸在同步變小，這使得倒裝焊互連的工藝難度更大。通過采用高精度倒焊機(jī)和優(yōu)化工藝能夠有效提高倒裝焊精度和倒裝焊連通率。

制冷紅外焦平面探測器的空間分辨率直接反映影像的清晰度，是其最基本的性能指標(biāo)之一。提高空間分辨率有兩條途徑：增大面陣規(guī)模和減小像元尺寸。隨著半導(dǎo)體材料及芯片加工技術(shù)的進(jìn)步，制冷紅外焦平面探測器的分辨率從單元、線列逐步發(fā)展到幾十萬，甚至上百萬像素級別。

碲鋅鎘是高性能碲鎘汞外延不可或缺的襯底材料，早期碲鎘汞紅外敏感器件受限于碲鋅鎘襯底的單晶生長與加工能力，面陣規(guī)模難以做大，像元難以做小。隨著大直徑碲鋅鎘晶錠生長技術(shù)的突破，目前生長的晶錠直徑已經(jīng)突破100mm，液相外延生長應(yīng)用的碲鋅鎘襯底的最大尺寸已經(jīng)達(dá)到60×80mm2[6]。其研究將向大直徑晶錠定向生長、更高的單晶質(zhì)量（包括低缺陷密度、高組分均勻性等）及更高的加工能力（高平整度、滿足小尺寸像元倒裝焊需求）方面發(fā)展；同時，也對液相外延生長技術(shù)在厚度、組分一致性控制方面提出更大的挑戰(zhàn)。

編輯：黃飛

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