什么是红外焦平面探测器 制冷红外焦平面探测器的工作原理

红外线是电磁波的一种，其波长范围介于可见光与无线电波之间，为0.76～1000μm。根据大气窗口、红外应用和探测器响应等，红外线可以进一步划分为近红外线（0.76～1.4μm）、短波红外线（1.4～3μm），中波红外线（3～8μm）、长波红外线（8～15μm）、远红外线（15～1000μm）。

红外探测器作为红外技术的核心部件，可以灵敏地吸收特定波段的红外线，并将其转化为可被测量的信号。根据能量转换方式的不同，红外探测器可分为光热型和光子型。光热型红外探测器利用红外辐射特有的热效应，将红外辐射转换为材料的温度变化，导致材料的结构或物理特性发生变化，从而探测变化的物理量并将其转换成电信号输出。

光子型红外探测器通过光电效应改变材料的电子状态，探测效率高，响应速率快。光子型红外探测器又可分为光导型和光伏型，前者是吸收光子能量后将电子从半导体价带转移到导带上，由此改变探测材料的电导率；后者是将光子能量转化为电子能量，造成半导体的电子-空穴分离态，从而产生电压信号。因此，当光子能量大于半导体的带隙（导带-价带能量差）时，便可引发电子跃迁，即探测器对该辐射波长产生响应。换言之，半导体的带隙决定了材料可以吸收的红外光的范围。另外，光子型红外探测器工作时往往处于较低温度状态，属于制冷红外焦平面探测器。

有代表性的光子型红外探测器为锑化铟（InSb）材料探测器、碲镉汞（HgCdTe）材料探测器和锑化物超晶格材料探测器。它们根据半导体带隙宽度来探测不同波段的电磁辐射。图1-2展示了多种材料红外探测器的不同波长对应的探测率。

大多数红外技术的应用需要穿过空气，而红外辐射在空气中会因吸收或散射而衰减。地球大气在红外波段有很多强吸收带，处于这些强吸收带之外的大气透过率较高的谱段为大气吸收窗口。在海平面以上2km高度的长水平路径上测得的大气光谱透过率曲线如图1-3所示。可以粗略地认为，地球大气有1～3μm、3～5μm和8～14μm三个红外窗口，它们在多个领域有重要的作用。通常，8～14µm的长波（LWIR）窗口是高性能热成像的首选，因为长波能够有效衍射，具有更好的透射率。3～5µm的中波（MWIR）窗口因其具有高对比度和更高的分辨率而受到青睐。

不同类型的目标发出的红外光有其特定的波段，因此可以利用特定波段的红外探测器对目标进行探测。探测人眼不可见的红外光并将其转换为可识别的图像的技术就是红外探测技术。按照红外芯片工作温度的不同，可将红外探测器分为制冷型和非制冷型。制冷红外探测器因其高灵敏度、低噪声、等效温差等特性，在高精度、高分辨率观测及弱光环境中，相对于非制冷红外探测器具有优势，在军事、安防等领域得到广泛应用。

制冷红外焦平面探测器的工作原理是利用入射光子流与探测器材料的电子之间的相互作用。由于入射的光子产生内光子效应，因此制冷红外焦平面探测器也称红外光子探测器。制冷红外焦平面探测器的核心部件是红外焦平面芯片，一般由红外焦平面阵列和读出电路两部分组成，如图1-4所示。按照红外焦平面阵列不同的工作原理，可将制冷红外焦平面探测器简单分为基于光电导效应的光导型探测器和基于光伏效应的光伏型探测器。

利用半导体材料的光电导效应制成的探测器称为光导型探测器，简称PC探测器。所谓光电导效应，就是由于入射光辐射，使材料产生本征吸收或杂质吸收，从而引起电导率发生改变的物理现象。光导型探测器是目前种类最多、应用最广泛的一类制冷红外探测器。半导体器件工作时，通常要对其附加外部影响（如光场、电场、磁场等），然后观察半导体中载流子的产生、扩散、漂移、复合等过程所产生的结果，如电压、电流等。

光伏型探测器简称PV探测器，一般由半导体pn结构成。其工作原理是利用结的内建电场将光生载流子扫出结区，形成信号（若光子的能量大于或等于半导体的禁带宽度，则价带中的电子吸收光子进入导带，形成电子-空穴对）。在探测器受到光照时，产生正、负电荷的光生载流子会向相反方向运动，形成电信号，从而产生光伏效应。除了pn结，能够产生光伏效应的结还有肖特基势垒结、金属-绝缘体-半导体结等，使用不同的结，可以制成不同类型的光伏型探测器。

PC探测器是有选择性响应波长的，只有当入射光子能量大于光敏材料中的电子激活能时，才有响应。对于PV探测器和本征光导型探测器，电子的激活能等于半导体的禁带宽度；对于非本征PC探测器，电子激活能等于杂质电离能。由于禁带宽度和杂质电离能这两个参数都有较大的选择余地，因此，PC探测器的响应波长可以在较大范围内进行调节。例如，用本征锗做成的PC探测器，对近红外辐射敏感；而用掺杂质的锗做成的PC探测器，既能对中红外辐射敏感（如锗掺汞探测器），也能对远红外辐射敏感（如锗掺镓探测器）。

冷机提供深低温（60～150K）工作环境；杜瓦则保证高真空的工作环境。制冷红外焦平面探测器的研制涉及材料、红外焦平面芯片、真空封装、制冷机等多个领域，是极其复杂的系统工程。

以某型号中波制冷红外焦平面探测器为例，该产品主要由中心距为15μm的中波640× 512 MCT红外焦平面阵列、640×512 CMOS读出电路、金属杜瓦和RS058旋转整体式斯特林制冷机等部分组成，具有3.7～4.8μm的中波红外响应功能，主要用于夜视装备、周视搜索、热像观瞄、前视预警、武器导引、防空监视、红外识别等。

红外敏感材料的功能是实现红外辐射光信号转换。制冷红外焦平面探测器属于PC探测器，其功能实现的原理是基于入射光子流与红外敏感材料相互作用产生的光电效应。光电效应具有选择性，其响应波段与红外敏感材料的能带结构相关。可以通过对材料的带隙设计，覆盖整个红外波段（1～30μm）的探测需求。按材料带隙激发的原理不同，材料可分为本征半导体（HgCdTe、InSb等）、非本征半导体（Si:As、Si:Ga、Ge:Hg等）、自由载流子吸收半导体（PtSi、IrSi等），以及超晶格材料（GaAs/AlGaAs量子阱、InAs/GaSb二类超晶格等）四大类。

红外焦平面阵列制备主要包括对准标记制作、离子注入、钝化层制备、电极制备、互连铟柱制备。通过倒装焊互连技术将红外焦平面阵列与读出电路进行互连，实现红外焦平面芯片制备。随着像元尺寸的减小和面阵规模的增大，互连的凸点尺寸在同步变小，这使得倒装焊互连的工艺难度更大。通过采用高精度倒焊机和优化工艺能够有效提高倒装焊精度和倒装焊连通率。

制冷红外焦平面探测器的空间分辨率直接反映影像的清晰度，是其最基本的性能指标之一。提高空间分辨率有两条途径：增大面阵规模和减小像元尺寸。随着半导体材料及芯片加工技术的进步，制冷红外焦平面探测器的分辨率从单元、线列逐步发展到几十万，甚至上百万像素级别。

碲锌镉是高性能碲镉汞外延不可或缺的衬底材料，早期碲镉汞红外敏感器件受限于碲锌镉衬底的单晶生长与加工能力，面阵规模难以做大，像元难以做小。随着大直径碲锌镉晶锭生长技术的突破，目前生长的晶锭直径已经突破100mm，液相外延生长应用的碲锌镉衬底的最大尺寸已经达到60×80mm2[6]。其研究将向大直径晶锭定向生长、更高的单晶质量（包括低缺陷密度、高组分均匀性等）及更高的加工能力（高平整度、满足小尺寸像元倒装焊需求）方面发展；同时，也对液相外延生长技术在厚度、组分一致性控制方面提出更大的挑战。

编辑：黄飞