摘 要：在歷經了半個多世紀的紅外光電探測器的發(fā)展研究，紅外探測器像元數(shù)目已經從少于100元的一代發(fā)展到10萬元的二代，再到百萬像素的三代，在出現(xiàn)了龐大的紅外探測器器件家族之后，人們又進入了以高探測率、大面陣、低成本、多光譜為技術特點的第三代。在紅外探測器技術飛速發(fā)展的時代，碲鎘汞、量子阱和II類超晶格探測器都成為了第三代紅外探測器技術的代表者，有第三代紅外探測器所共有的特征。文章分別介紹了三種代表技術，并將銻基II 類超晶格紅外探測器作為最佳選擇，分析其獨特的結構和材料器件優(yōu)勢，指出了其關鍵要解決的問題和其廣闊的應用前景。

關鍵詞：第三代；紅外探測器；材料；器件

紅外光自被人類發(fā)現(xiàn)以來，紅外探測技術歷經了兩個多世紀的發(fā)展，從第一個實用的紅外探測器研制成功之后，就廣泛應用于軍事、民用、太空等領域，如：紅外成像、紅外制導、紅外預警等，利用其分辨率高、保密性好、抗電子干擾能力強的優(yōu)點，廣泛用于夜視、導航、預警、火控、防偽、精確打擊等。并且隨著研究的進展，先后出現(xiàn)了兩代紅外探測器，第一代以機械掃描方式實現(xiàn)目標成像；第二代凝視型焦平面探測器的單元數(shù)量比一代高三個數(shù)量級，進入二十一世紀，紅外焦平面技術又發(fā)展到了第三代，它與第二代相比，更注重多色探測、高性能和低成本的特質。由圖1所示可以看出紅外探測的發(fā)展歷程。

1 第三代紅外探測器的內容及概況分析

碲鎘汞、量子阱和II類超晶格探測器紅外探測技術都被稱為第三代紅外探測技術，它們所共有的技術要求是：（1）高工作溫度狀態(tài)、高探測率、高量子效率；（2）多光譜、高分辨率、大面陣；（3）低成本的制備。在共有的技術要求下，涵蓋有三個方面的內容：（1）高性能、高分辨率、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）低成本的非制冷焦平面。其中：高性能是指像元在100萬以上；低成本是通過提高工作溫度的方法，進一步改進器件技術。

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

2 第三代紅外探測器技術的不同性能概述

紅外探測器的制備技術發(fā)展由人工調制晶體到注入成結到外延成結的過程，第三代紅外探測技術應用以半導體能帶工程為核心的外延技術，在該技術支撐下，第三代紅外探測器技術具有不同的性能和優(yōu)缺點。

2.1 碲鎘汞探測器

碲鎘汞是適用于紅外3-20um波段的紅外探測器。它是一種直接帶隙半導體材料，具有質量小、遷移率高、響應速度快的優(yōu)點，它對于電子吸收外來光子從價帶躍遷到導帶，材料吸光系數(shù)大，量子效率高達90%以上，同時，調節(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：（1）碲鎘汞材料主要由離子鍵結合，構成元素汞的穩(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）由于它的器件響應波長是根據(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為7um的中波紅外探測器。（3）伴隨該材料器件的響應波長增加，一些暗電流機制也呈幾何級數(shù)增加，而該材料并沒有相應的控制手段。這些缺陷導致碲鎘汞材料的器件制備成本較高，無法滿足第三代紅外探測器的技術要求。

2.2 量子阱材料

由于該材料在能帶結構上形成對電子或空勢阱，在外加電場的作用下，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量子阱紅外探測器，這是在III-V族生長技術和器件工藝技術成長起來的材料，其成品的襯底尺寸可達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、能級位置，器件響應波長也可以從中波3um到更長的30um。其材料結構如圖2所示。

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

該材料存在的不足：它只適用于響應要求不快的場合，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)量級比價帶提供的電子差了3-4個量級；影響因素二：該材料只能吸收平行于表面的入射光，這對探測器的要求更為精細，增加了工藝難度同時也降低了器件的量子效率。它的量子效率為8%，遠低于碲鎘汞材料。另外，一個對制冷系統(tǒng)的制約性要求則是：量子阱材料的響應時間較長，就要求器件有較低的暗電流性能，而這無疑對制冷系統(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材料

在InSb體晶生長加工技術和芯片背減薄技術的不斷完善下，銻化物分子束外延技術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。它有獨特的斷代能帶結構，可以生成導帶勢阱、價帶勢阱、電子和空穴。另外，電子有效質量輕，具有微帶構造。這些特殊的能帶結構使其具有較多的優(yōu)點：（1）量子效率高；（2）該材料可以調節(jié)其應變及其能帶結構，使重輕空穴分離大，降低了俄歇復合及有關的暗電流，提高了焦平面的工作溫度；（3）帶隙可調，隧穿電流小，可以在超長波段獲得較高的探測率，并實現(xiàn)從短波到超長波段的連續(xù)可調。（4）均勻度好，可以大面積生長材料，具有成本低的特質。

該材料的缺點：（1）目前，該材料的量子率已經達到60%，具有較高的量子效率，但是，還需要研究在復雜的材料結構和高量子效率之間的折衷與均衡。（2）該材料在生長之時對于界面設計和控制非常敏感，這不利于高質量材料的生長。（3）該材料極易氧化，使表面粗糙，增加了表面的非輻射復合；并且，器件表面與電極之間有導電通道，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的發(fā)展。

3 銻基II類超晶格紅外探測器，是第三代紅外探測器的最佳選擇

美國的量子器件中心、德國的IAF、AIM等機構都對銻基II類超晶格探測器進行了物理特性、器件性能等方面的研究，銻基II類超晶格材料被國外視為第三代探測的最佳選擇，在突破了高量子效率的材料生長技術之后，銻基II類超晶格探測獲得了飛速的發(fā)展。德國研制成功了高性能的中波單色和雙色II類超晶格焦平面探測器。圖3中充分體現(xiàn)了其在中、長波的高性能和高溫下的技術優(yōu)勢，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類超晶格探測材料的實用性能。

總之，在關于第三代紅外探測技術的研究方面，國內外都進行了高度的關注，高性能的紅外光電探測器的發(fā)展已經步入了第三代，將極大地拓展應用于現(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的第三代紅外探測材料，都面臨各自的技術挑戰(zhàn)。新型低維結構的銻基II超晶格材料成為了最優(yōu)選的材料，在現(xiàn)代也出現(xiàn)了明顯的產業(yè)化趨勢，未來可以預見，高溫型的銻基II類超晶格紅外探測器具有廣闊的發(fā)展前景。

參考文獻

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