红外探测器技术的发展

努力加以改进，可望与碲镉汞探测器一争高低。

　　3、新技术飞速发展促进红外探测器更新换代

　　60年代以前多为单元探测器扫描成像，但灵敏度低，二维扫描系统结构复杂笨重。增加探测元，例如有N元组成的探测器，灵敏度增加N1/2倍，一个M×N阵列，灵敏度增长（M×N）1/2倍。元数增加还将简化光机扫描机构，大规模凝视焦平面阵列，不再需要光机扫描，大大简化整机系统。现代探测器技术进入第二、第三代，重要标志之一就是元数大大增加。另一方面是开发同时覆盖两个波段以上的双色和多光谱探测器。所有进展都离不开新技术特别是半导体技术的开发和进步。几项具有里程碑意义的技术有：

　　（1）半导体精密光刻技术 使探测器技术由单元向多元线列探测器迅速发展，即后来称为第一代探测器。

　　（2）Si集成电路技术 Si读出电路与光敏元大面阵耦合，诞生了所谓第二代的大规模红外焦平面阵列探测器 。更进一步有Z平面和灵巧型智能探测器等新品种。此项技术还诱导产生非制冷焦平面阵列 ，使一度冷落的热探测器重现勃勃生机。

　　（3）先进的薄层材料生长技术 分子束外延、金属有机化学汽相淀积和液相外延等技术可重复、精密控制生长大面积高度均匀材料，使制备大规模红外焦平面阵列成为可能。也是量子阱探测器出现的前提。

　　（4）微型制冷技术 高性能探测器低温要求驱动微型制冷机的开发，制冷技术又促进了探测器的研制和应用。

　　我国红外探测器研制从1958年开始，至今已40多年。先后研制过PbS、PbSe、Ge:Au、Ge:Hg 、InSb、PbSnTe、HgCdTe、PtSi/Si、GaAs/AlGaAs量子阱和热释电探测器等。 随着低维材料出现，纳米电子学、光电一体化等技术日新月异，21世纪红外探测器必有革命性的进展。物理学及材料科学是现代技术发展的主要基础，现代技术飞速发展对物理学研究 又有巨大的反作用。

　　4、高性能红外探测器-碲镉汞探测器

　　1959年，英国Lawson等首先制成可变带隙Hg1－xCdxTe固溶体合金，提供了红外探测器设计空前的自由度。

碲镉汞有三大优势：

　　1）本征激发、高的吸收系数和高的量子效率（可超过80％）且有高的探测率；

　　2）其最吸引人的特性是改变Hg、Cd配比调节响应波段，可以工作在各个红外光谱区段并获得最佳性能。而且晶格参数几乎恒定不变，对制备复合禁带异质结结构新器件特别重要

　　3）同样的响应波段，工作温度较高，可工作的温度范围也较宽。

　　碲镉汞中，弱Hg－Te键（比Cd－Te键弱约30％），可通过热处理或特定途径形成P或N型，并可完成转型。其电学性质如1载流子浓度低，2少数载流子寿命长，3电子空穴有效质量比大（～10.0），电子迁移率高，4介电常数小等有利于探测器性能。

　　第一代碲镉汞探测器主要是多元光导型，美国采用60、120和180元光导探测器作为热像仪通用组件，英国则以70年代中期开发的SPRITE为通用组件。SPRITE是一种三电极光导器件，利用半导体中非平衡载流子扫出效应，当光点扫描速度与载流子双极漂移速度匹配，使探测器在完成辐射探测的同时实现信号的时间延迟积分功能。8条SPRIET的性能可相当100元以上的多元探测器。结构、制备工艺和后续电子学大大简化。现有技术又克服了高光机扫描速度和空间分辨率受限制等两个缺陷。

　　1992年诞生了第一台国产化通用组件高性能热像仪，SPRITE探测器研制成功是关键。到90年代初，第一代碲镉汞光导探测器纷纷完成技术鉴定，性能达到世界先进水平。

　　兵器工业211所的SPRITE、32和60元探测器已实用化并投入批量生产，规模和市场不断扩大。国外在80年代就已大批量生产。由于电极、杜瓦瓶设计和制冷机方面的重重困难，第一代碲镉汞探测器元数一般无法超过200。大的碲镉汞光敏阵列和Si读出集成电路分别制备并最佳化，然后两者进行电学耦合和机械联结形成混合式焦平面阵列，就是第二代碲镉汞探测器。

　　目前国际上已研制出256×256甚至640×480规模的长波IRFPA。中波红外已有用于天文的1024×1024的规模，现阶段典型产品是法国的4N系列288×4扫描式FPA。国内仍处于研制开发阶段。晶体碲镉汞材料也有鲜明的弱势：

　　1）相图液线和固线分离大，分凝引起径向、纵向组分不均匀；

　　2）高Hg压使大直径晶体生长困难，晶格结构完整性差；

　　3）重复生产成品率低。薄膜材料的困难在于难以获得理想的CdZnTe衬底材料。

人们致力于研究替代衬底，如PACE（Producible Alternative to CdTe for Epitaxy ）－ I （ HgCdTe / CdTe/ 宝石），PACE－II（HgCdTe/C dTe/GaAs）和PACE－III（HgCdTe/CdTe/Si）。日本和法国还报道Ge衬底，目标是与MCT的晶格 匹配并有利于与Si读出线路的耦合。