一、紅外探測器發(fā)展歷史

16世紀牛頓光學推測了紅外輻射的存在，但整個世紀都未得到證實，直到1 800年英國天文學家威廉·赫謝爾（1781年研制反射望遠鏡發(fā)現(xiàn)天王星）完成了著名的太陽光譜熱效應實驗。赫謝爾最初的目的是研究太陽光中不同顏色對人眼的危險熱效應和各種顏色濾波片的效力問題。因此他作出著名實驗以表明用棱鏡產生的太陽光譜各部分的熱效應強弱。實驗中赫謝爾的探測器是簡單涂黑了的球狀物溫度計，由Glasgaw的天文學教授Alexander Wilson.M.D.制造，在光譜中測量的標準溫度升高為1～10℉之間，精度接近1/4℉，溫度計的響應時間是5min。在光的波粒二象性未得到證明的情況下，該溫度計算是第1支紅外探測器。在19世紀以后，紅外熱探測器逐步得到較大發(fā)展（詳見表1）。

二、紅外探測器分類

紅外光與可見光有諸多相似特性，但其不能被人眼看見，需要用對紅外敏感的紅外探測器探測?，F(xiàn)在按照探測原理的不同，紅外探測器主要分為2大類：紅外熱探測器（紅外熱效應原理），紅外光子型探測器（光電效應原理）。

紅外熱探測器接收到紅外輻射能量使熱敏元件溫度上升，根據熱敏元件材料對溫度敏感的特性建立其溫度與電參數(shù)的關系，即可將熱敏材料的溫度變化相應轉化成易于檢測的電信號。常見的熱探測器有以下幾種：熱敏電阻，利用輻射熱效應引起電阻變化（熱阻效應）；溫差電偶，利用材料兩端溫差產生電壓（熱伏效應）；氣動探測器，利用氣體受熱膨脹原理（熱氣動效應）；熱釋電探測器，利用自發(fā)極化隨溫度升降而發(fā)生變化的原理（熱釋電效應）；以及超導體在Tc溫度附近升高溫度電阻急劇變化等等。熱探測器是非選擇性探測器，熱敏元件的溫度變化與紅外輻射的波長沒有關系，僅與吸收的熱輻射能量相關，所以熱探測器的光譜范圍較寬廣平坦，并且不需要制冷。熱探測器的缺點則是靈敏度低、響應時間偏長，最快的響應時間也在毫秒量級探測率較低（108量級），因此不適用于高頻或高靈敏需求的應用中。

紅外光子型探測器是利用紅外光的光電效應設計制備的。光電效應又可細分為：外光電效應，光照下光電子逸出材料表面，即光電子發(fā)射效應；內光電效應，光電子在材料內部產生于遷移，即光電導效應、光生伏特效應、光電磁效應，半導體材料則具有明顯的內光電效應。其特點是響應快，吸收輻射產生信號需要的時間短，一般為納秒到皮秒量級；探測率為1010量級以上。

三、國內外紅外探測器應用市場及技術現(xiàn)狀

目前紅外探測器主要應用于軍事上的夜視、狙擊、偵察、報警、前視、制導、火控、跟蹤、觀瞄、光電對抗等現(xiàn)代武器裝備上，以及工業(yè)（航空）檢測、醫(yī)療檢測、警用、安防等民用領域。

國際上能成功進行制冷型紅外焦平面探測器研發(fā)和生產的機構和公司主要來自北美和歐洲發(fā)達國家。但由于制冷型紅外產品的敏感性及軍事保密的原因，美國、以色列等國都在禁止、或者限制出口該類產品。目前，只有法國、瑞典2國采取較為寬松的出口政策。國產設備所裝配的QWIP制冷型紅外熱像儀芯片大多全部來自于國外公司。

四、紅外QWIP-LED探測器

1.紅外QWIP-LED技術介紹

紅外焦平面技術特別是其核心的紅外探測器技術一直是國際上關注的焦點。近年來，由于半導體材料和工藝的快速發(fā)展，紅外探測器技術也取得了長足的進步。在不斷提高已有各種探測器性能的同時，涌現(xiàn)了各種新材料、新器件，這其中包括被人們廣泛關注的長波紅外探測領域的量子阱紅外探測器（QWIP）[1]，詳見圖1所示。

量子阱紅外探測器（QWIP）通過控制勢阱和勢壘的寬度，可以調節(jié)量子阱基態(tài)和激發(fā)態(tài)之間的能級間隔，從而控制吸收的光波波長適應于某個波段，QWIP的工作波段通常在中紅外和遠紅外波段。在紅外輻射下，電子從基態(tài)被激發(fā)到高激發(fā)態(tài)，由于高激發(fā)態(tài)的上電子遷移率和基態(tài)不同，會產生探測器光電導的差異。量子阱探測器的躍遷模式可以分為：束縛態(tài)到束縛態(tài)躍遷電子吸收光輻射能量后從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，通過隧穿作用進入導帶，在外加電場作用下形成光電流；束縛態(tài)到連續(xù)態(tài)躍遷，減小量子阱寬度，使第一激發(fā)態(tài)處在高于勢壘進入連續(xù)態(tài)，導帶中電子吸收光輻射能量直接進入到導帶，有效的降低了偏置電壓，從而降低暗電流；束縛態(tài)到準束縛態(tài)躍遷，設計量子阱使第一激發(fā)態(tài)為接近勢壘高度的準束縛態(tài)，進一步降低器件的暗電流；束縛態(tài)到微帶躍遷，量子阱中激發(fā)態(tài)與超晶格的微帶重合，光激發(fā)載流子就在微帶中輸運。

對于QWIP，由于其工作溫度較低，器件成本過高，很大程度上制約了該器件的應用場景；另一方面，由于焦平面陣列需要與硅讀出電路互聯(lián)，不可避免地會產生熱失配、制冷功耗等一系列問題。

為了規(guī)避這些技術缺陷，1995年，加拿大國家研究院首先提出了一種新型的紅外-近紅外上轉換器件結構，即 QWIP-LED[2]。通過將QWIP與LED進行物理集成，可實現(xiàn)長波紅外向近紅外甚至可見光波段的上轉換，進而可以采用可見光或近紅外的CCD相機實現(xiàn)對紅外物體的成像。因為在可見光和近紅外波段，硅電荷耦合器件（Si CCD）已經發(fā)展為一種性能優(yōu)異、并已成熟的可見及近紅外光成像器件。對于紫外及更短波段光的探測成像，通常采取在Si CCD上涂覆合適的發(fā)光材料加以實現(xiàn)。利用QWIPLED進行實物成像的原理圖和光路示意圖分別如圖2和圖3所示。由光路示意圖可知，將QWIP-LED集成器件的QWIP光敏面置于紅外光學系統(tǒng)的焦平面處，通過合理設計器件結構，使光生電子在渡越器件和LED發(fā)光層輻射發(fā)光過程中沒有顯著的橫向擴散，在LED發(fā)光面近紅外發(fā)光將呈現(xiàn)QWIP光敏面的紅外圖樣，采用硅成像陣列對LED發(fā)光面成像，間接對紅外波進行成像。

值得指出的是，這種上轉換成像方法有許多優(yōu)點：首先，可采用常規(guī)器件制備方法制作光學上轉換器件單元，利用大尺寸（毫米量級）光學上轉換器件單元自然的載流子密度分布與Si CCD結合可直接形成上轉換成像器件，從而避免將大面積成像儀分成許多個像素并且每個都制作電極（接線柱金屬焊接）的復雜工藝流程和昂貴成本；其次，這種上轉換成像器件不需要任何特殊的混合讀出電路，成像通過充分利用高效、成熟的Si CCD實現(xiàn)；再次，由于探測器的探測波長可通過調節(jié)子帶間隔來控制，相應地，紅外成像的波段也較容易調節(jié)；最后，這種由III-V族成熟材料體系組成的系統(tǒng)又很容易通過分子束外延生長，可避免混合焊接及任何熱失配。因此，這種半導體上轉換成像方法具有簡單、成本低、響應波長可調等特點，在探測成像方面具有很大的應用潛力。

2.紅外QWIP-LED成像原理

QWIP-LED器件在原理上區(qū)別于傳統(tǒng)的非線性光子頻率上轉換過程，在傳統(tǒng)的非線性效應中人們利用的是材料的非線性吸收導致的雙光子或多光子過程來實現(xiàn)光子頻率由低頻向高頻上轉換的，這樣的紅外上轉換過程通常需要低頻紅外光的強度很強。而這種新型器件所涉及的上轉換過程是低能光子通過與電能的結合而形成的近紅外或可見的高能量光子，其能帶結構和工作原理如圖4所示。長波紅外探測器和發(fā)光二極管集成在一起，器件在正向偏壓下工作，當有紅外光照射時，QWIP部分電阻下降，同時LED上壓降增大，因此，LED的近紅外發(fā)光增強。這樣，QWIP探測到的紅外光就通過上轉換變成了LED的近紅外發(fā)光，進而可以由Si CCD探測器探測。

上轉換成像的概念原則上適用于所有波長長于Si CCD探測范圍的紅外輻射。基于光子頻率上轉換，20世紀90年代中期以來，加拿大國家研究院成功地將GaAs/AlGaAs QWIP與發(fā)光二極管（LED）串聯(lián)集成起來實現(xiàn)了中紅外光（約9μm）向近紅外光（0.8～0.9μm）的上轉換成像；同時他們還進行了近紅外（約1.5μm）向更短波長的上轉換成像研究[3]。在國內，中國科學院上海技術物理研究所也開展了中紅外QWIP與LED集成的研究，分別實現(xiàn)了p型和n型摻雜量子阱探測器2種集成器件[4]；上海交通大學在光子頻率上轉換器件方面也做了大量工作，特別是器件結構的模擬和優(yōu)化方面，包括砷化鎵（GaAs）基紅外探測及頻率上轉換器件研究、基于同質結界面功函數(shù)內光發(fā)射探測器（HIWIP）的遠紅外/THz上轉換成像器件研究等[5]。在這種紅外上轉換成像體系中，要想獲得較好的成像效果，整個光學上轉換器件的有源結構要求很薄，并且到達發(fā)光二極管表面的探測器光生載流子在垂直電場方向的運動距離以及發(fā)光二極管激活層中載流子的徑向擴散長度必須很短。根據衍射極限，上轉換器件的有源結構厚度，載流子在垂直電場方向上的運動距離，以及LED激活層中載流子的擴散長度小于所探測的紅外波長即可。由分子束外延生長的光學上轉換器件結構厚度小于4～5μm，總的有源結構更薄，而且對于長波長的紅外光，這些要求很容易滿足。

3.當前QWIP-LED存在的一些問題

盡管已經報道了不同波長的上轉換成像器件，但在目前所實現(xiàn)的QWIP-LED集成器件中，都存在內量子轉換效率低、LED發(fā)光效率低、發(fā)光方向性差等問題，結構設計和參數(shù)優(yōu)化方面仍有較大空間。針對LED發(fā)光引出效率低，導致QWIP-LED成像積分時間長、引入額外光子散彈噪聲的技術難題。

4.解決當前QWIP-LED存在問題的設想

諧振腔的原理早在近100年前就已經被了解，其主要物理內涵是諧振腔結構能使入射光在腔體中多次反射并經過吸收區(qū)域，從而被充分吸收。目前這種諧振腔結構已經在其他許多類型的光電探測器上得以實現(xiàn)[6-7]。如果采用GaAs/（Al，Ga）As材料體系制備n型QWIP，GaAs[（Al，Ga）As]作為LED的限制層，GaAs[（In0.1Ga0.9）As]作為發(fā)光層，在QWIP和LED間插入n型（Alx，Ga1-x）As/（Aly，Ga1-y）As分布布拉格（DBR）反射鏡，提高LED發(fā)光引出效率。結合半經典自洽發(fā)射-俘獲輸運模型和經典漂移-擴散模型，系統(tǒng)研究QWIP-RCLED中電子輸運行為，優(yōu)化集成器件的內量子效率。優(yōu)化設計QWIP耦合器以及RCLED共振腔的品質因子，大幅度提高LED發(fā)光引出效率和發(fā)光的方向性，提高QWIP-RCLED的紅外光子-近紅外光子的轉換效率以及 QWIP-RCLED與硅成像陣列間的耦合效率（如圖5所示），最終實現(xiàn)有實際應用價值的QWIP-RCLED上轉換成像器件。

將DBR層引入QWIP-LED集成結構，是紅外成像中一種較新的思路，具有工藝簡單、成本低和功耗小等優(yōu)點。引入DBR和RC，將進一步提高器件的內外量子效率和出光方向性等關鍵性能參數(shù)。

5.需重點考慮及解決的技術難題

需重點考慮及解決的技術難題主要包括2方面：①如何提高QWIP的響應率是關鍵技術之一，具體涉及到器件結構設計、材料生長和工藝制備和等，特別是在工藝過程中，通過側壁鈍化步驟，阻止形成側壁漏電流通道；②如何提高集成器件的內外量子效率和出射光的方向性，具體涉及到如何設計及制備高質量的DBR層，特別是材料參數(shù)。

6.QWIP-RCLED的意義及應用前景

在8～14μm遠紅外大氣窗口，基于量子阱紅外探測器（QWIP）的焦平面陣列（FPA）在制備成本、均勻性、穩(wěn)定性和技術成熟度方面，都具有一定優(yōu)勢。將QWIP與發(fā)光二極管（LED）進行集成，利用可見光或近紅外硅CCD相機實現(xiàn)對紅外物體的成像，可大大降低QWIP的應用成本，同時避免了熱失配、封裝互聯(lián)、制冷功耗等問題。前期實現(xiàn)的QWIPLED器件，均存在LED發(fā)光引出效率低，導致成像積分時間長等技術問題。在QWIP和LED間插入n型（Alx，Ga1-x）As/（Aly，Ga1-y）As分布布拉格（DBR）反射鏡，提高LED發(fā)光引出效率，優(yōu)化集成器件的內量子效率、QWIP耦合器以及RCLED共振腔品質因子，大幅提高LED發(fā)光的引出效率、方向性和QWIP-RCLED的遠紅外光子-近紅外光子轉換效率。技術問題的解決使其在行業(yè)內將得到廣泛應用。

四、結語

本文中提出的共振腔增強LED能大幅度提高器件能量轉換效率和探測靈敏度，使所研制器件有實際應用價值。在中紅外，引入共振腔后，RCLED發(fā)光效率能夠提高近20倍，即使計及環(huán)形電極遮擋以及側面漏電流損耗，RCLED光引出效率的提高也是非?？捎^的。DBR已成功應用于垂直腔面發(fā)射激光器，另外RCLED對腔面反射率要求要低一些，實現(xiàn)RCLED在原理和工藝上都是切實可行的。

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