紅外焦平面陣列探測(cè)器的研究進(jìn)展

（華中光電技術(shù)研究所-武漢光電國家研究中心 武漢 430223）

1 引言

地球乃至整個(gè)宇宙空間所釋放的能量主要集中在紅外波段，其波長(zhǎng)介于可見光與微波之間，波長(zhǎng)范圍為0.76 μm～1000 μm，它蘊(yùn)含著人類周圍豐富的信息。紅外探測(cè)器是一種基于熱電效應(yīng)而制成的電子元器件，靠周圍物體發(fā)出的紅外輻射來工作。1917年，世界上第一個(gè)光導(dǎo)型紅外探測(cè)器由美國人Case[1]研制出來，當(dāng)時(shí)由于性能不穩(wěn)定、信噪比低等原因，項(xiàng)目曾一度擱淺。直至20世紀(jì)30年代，美國無線電公司發(fā)明了顯像管，使得紅外探測(cè)器的應(yīng)用前景得到拓展。第二戰(zhàn)世界大戰(zhàn)期間，紅外技術(shù)首次在軍事進(jìn)行了應(yīng)用，促使人們普遍意識(shí)到它的重要性。20世紀(jì)90年代，Lawson等[2]成功合成了HgCdTe材料，該事件具有里程碑的歷史性意義，指導(dǎo)了后來紅外探測(cè)器的進(jìn)一步發(fā)展。紅外探測(cè)器的發(fā)展歷史進(jìn)程如圖1所示[3]。隨著紅外探測(cè)器技術(shù)的不斷進(jìn)步，以及人類對(duì)其應(yīng)用領(lǐng)域的持續(xù)探索，如今已經(jīng)廣泛應(yīng)用于軍事、工業(yè)、交通、安防監(jiān)控、氣象、醫(yī)學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域。隨著光電技術(shù)的不斷發(fā)展以及人類不斷地對(duì)紅外信息的探測(cè)和智能感知能力提出更高的要求，當(dāng)前紅外探測(cè)器技術(shù)正處于新舊更迭的時(shí)代，一大批新型紅外探測(cè)器不斷涌現(xiàn)。深入了解紅外探測(cè)器的研究現(xiàn)狀，對(duì)促進(jìn)其行業(yè)應(yīng)用及預(yù)測(cè)未來發(fā)展趨勢(shì)具有極其重要的意義。

2 紅外探測(cè)器的分類及各自特點(diǎn)

如今，紅外探測(cè)器的研發(fā)在蓬勃發(fā)展，各大廠商紛紛推出了各類型的紅外探測(cè)器。紅外探測(cè)器的分類方法種類繁多，根據(jù)工作溫度的不同，可以將其分類為非制冷型和制冷型兩種，對(duì)于后者，常常采用半導(dǎo)體制冷方式和液氮制冷方式。根據(jù)探測(cè)器的結(jié)構(gòu)組成差異，可將其分為焦平面、線陣和單元紅外探測(cè)器。此外，還可以根據(jù)其對(duì)不同波長(zhǎng)光譜的響應(yīng)情況，將其分為近紅外、中紅外、遠(yuǎn)紅外和極遠(yuǎn)紅外探測(cè)器等。本文主要以探測(cè)器工作溫度為依據(jù)進(jìn)行分類。

圖1 紅外探測(cè)器的發(fā)展歷史

對(duì)于非制冷型紅外探測(cè)器來說，它的顯優(yōu)勢(shì)在于對(duì)溫度沒有嚴(yán)格的要求，即可以在常溫下工作。但是它具有諸多缺陷，比如不能對(duì)整個(gè)光譜進(jìn)行相應(yīng)，探測(cè)靈敏度低，響應(yīng)慢。由于少了體積龐大的制冷系統(tǒng)，一般來說，非制冷型紅外探測(cè)器具有結(jié)構(gòu)緊湊、穩(wěn)定性高、成本低優(yōu)點(diǎn)。然而，制冷型紅外探測(cè)器的工作溫度一般在80K～200K。由于低溫使得暗電流較小，使得制冷型探測(cè)器的信噪比相較于非制冷型探測(cè)器高很多。鑒于上述特點(diǎn)，非制冷型紅外探測(cè)器較多地應(yīng)用在民用領(lǐng)域，諸如工業(yè)生產(chǎn)、監(jiān)控安防和醫(yī)療衛(wèi)生等；而制冷型紅外探測(cè)器則更多地應(yīng)用在軍事領(lǐng)域，如夜視偵查、精確制導(dǎo)和目標(biāo)瞄準(zhǔn)等。

3 非制冷紅外探測(cè)器

目前，非晶硅和氧化釩是非制冷型紅外探測(cè)的兩大主流敏感材料，并且后者占有絕對(duì)的主導(dǎo)地位，使用率約為75%。此外，人們對(duì)氧化釩探測(cè)器的研究要比非晶硅早十余年，技術(shù)沉淀更多。它們的技術(shù)路線的區(qū)別主要在于薄膜沉積方法、薄膜性能以及技術(shù)指標(biāo)等方面。對(duì)于氧化釩探測(cè)器的研發(fā)與生產(chǎn)，以美國DRS公司、Raytheon公司、FLIR公司，英國BAE公司、以色列SCD公司等企業(yè)為代表，其中FLIR公司的產(chǎn)品代表了目前全球最先進(jìn)技術(shù)水平；而對(duì)于非晶硅探測(cè)器的供應(yīng)商，則以法國ULIS公司、中國浙江大立公司和美國L-3公司等為代表。表1列舉了截止目前國內(nèi)外主要廠家成熟產(chǎn)品的主要性能指標(biāo)[4]。

表1 全球非制冷紅外焦平面探測(cè)器主要技術(shù)參數(shù)對(duì)比

雖然非晶硅探測(cè)器比氧化釩探測(cè)器更容易實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，但是后者的諸多項(xiàng)性能指標(biāo)均明顯優(yōu)于前者，諸如探測(cè)靈敏度和測(cè)溫精度。例如，非晶硅探測(cè)器的靈敏度通常位于50Mk附近，而氧化釩探測(cè)器則為20mK～30mK；非晶硅探測(cè)器的殘余固定圖形噪聲較大，比氧化釩探測(cè)器大一個(gè)數(shù)量級(jí)；非晶硅探測(cè)器的圖像均勻性也比氧化釩探測(cè)器差。

國內(nèi)從事非制冷紅外探測(cè)器行業(yè)的有高校、研究所和少數(shù)民營企業(yè)，下面是對(duì)國內(nèi)從事該領(lǐng)域研究的一些單位進(jìn)行介紹。

高校：主要有華中科技大學(xué)和電子科技大學(xué)。高效科研人員主要著力于材料性能的理論研究和器件生產(chǎn)新工藝的研發(fā)，并且目前還處于初步階段。

研究所：主要有兵器211所、上海技物所和電子11所，并主要從事成像模塊或整機(jī)的研發(fā)。這些單位更多側(cè)重于學(xué)術(shù)研究、新技術(shù)開發(fā)。由于體制限制等原因，產(chǎn)業(yè)化發(fā)展受限，目前暫不具備產(chǎn)品的量產(chǎn)能力。

公司：主要包括高德紅外、睿創(chuàng)微納、浙江大立和廣州颯特等。自2018年起，睿創(chuàng)微納在12μm像元尺寸非制冷紅外探測(cè)器技術(shù)的基礎(chǔ)上，開始了10μm像元尺寸產(chǎn)品的研發(fā)。據(jù)最新資料報(bào)道，該公司已經(jīng)發(fā)布了陣列規(guī)模達(dá)到1280×1024，像元間距僅為10μm，NETD優(yōu)于40mK的產(chǎn)品，并提交了兩項(xiàng)發(fā)明專利。這也標(biāo)志著中國是世界上第二個(gè)研制出10μm紅外探測(cè)器的國家（第一個(gè)是美國的DRS公司）。睿創(chuàng)微納公司生產(chǎn)的非制冷紅外探測(cè)器年出貨量達(dá)4萬支；高德紅外次之，年產(chǎn)能大約2萬支。但是，高德紅外的產(chǎn)品種類更加完備，該公司同時(shí)擁有8英寸非制冷紅外探測(cè)器和8英寸制冷型紅外探測(cè)器生產(chǎn)線。隨著國內(nèi)熱像儀應(yīng)用市場(chǎng)的擴(kuò)大，以睿創(chuàng)微納、高德紅外為代表的生產(chǎn)企業(yè)自主創(chuàng)新，量產(chǎn)出的非制冷型紅外探測(cè)器的技術(shù)指標(biāo)和國外主流產(chǎn)品的差距己經(jīng)很小了。

4 制冷型紅外探測(cè)器

相比于非制冷型紅外探測(cè)器，制冷型紅外探測(cè)器具有響應(yīng)速度更快、靈敏度更高、探測(cè)距離更遠(yuǎn)及性能更穩(wěn)定等諸多優(yōu)點(diǎn)，但是需在低溫環(huán)境下才能體現(xiàn)性能優(yōu)勢(shì)。目前，其發(fā)展方向主要在提高工作溫度、減小暗電流、小型化、多波長(zhǎng)探測(cè)以及系統(tǒng)集成等方面。適用于低溫紅外探測(cè)器的材料一般有三種，包括碲鎘汞（HgCdTe）、量子阱（QWIPs）和Ⅱ型超晶格。

4.1 碲鎘汞紅外探測(cè)器

提高性能、縮小體積和降低成本是目前碲鎘汞探測(cè)器的三大研究方向。在過去的十余年，碲鎘汞紅外探測(cè)技術(shù)迅速發(fā)展，西方發(fā)達(dá)國家首先提出了一個(gè)全新的名詞，為SWaP（Size，Weight and Pow?er）；而后 SWaP又逐漸演變?yōu)镾WaP-C（SWaP and Cost）及SWaP3（SWaP and Performance，Price）。針對(duì)高性能的碲鎘汞紅外探測(cè)器，SWaP可以在保證探測(cè)器良好性能的前提下，降低系統(tǒng)的體積、重量、功耗和價(jià)格，同時(shí)提升探測(cè)器的穩(wěn)定性。如此一來，可以進(jìn)一步擴(kuò)展其應(yīng)用范圍，包括在瞄準(zhǔn)系統(tǒng)、無人機(jī)等方面的使用。實(shí)現(xiàn)SWaP的途徑有兩種：一是提高工作溫度HOT；二是減小像元的中心距離，更優(yōu)的方式是把兩者完美的地結(jié)合起來。

HOT探測(cè)器是歐美各大廠商共同追求的目標(biāo)，在紅外探測(cè)領(lǐng)域的受重視程度日益增加。美國Teledyne公司和法國Sofradir公司均采取p-on-n的技術(shù)路線，Teledyne則利用基于LPE或MBE技術(shù)的As摻雜雙層異質(zhì)臺(tái)面結(jié)工藝，而Sofradir采用基于LPE技術(shù)的As注入平面結(jié)工藝。美國DRS公司、英國Selex公司和德國AIM公司采用的則是另一種技術(shù)路線n-on-p，其中DRS采用基于非本征摻雜HDVIP（High Density Vertically Integrated Photodi?ode）工藝，Selex采用基于非本征摻雜MOVPE技術(shù)的異質(zhì)臺(tái)面結(jié)工藝，而AIM使用基于非本征Au摻雜LPE的平面結(jié)工藝。

對(duì)于國內(nèi)碲鎘汞紅外探測(cè)器的研發(fā)情況，研究單位不多，主要包括昆明物理研究所、高德紅外。昆明物理所從2006年就開始著手碲鎘汞中波紅外探測(cè)器的研發(fā)工作，并于2010年實(shí)現(xiàn)了量產(chǎn)，其陣列規(guī)模為320×256。通過對(duì)該材料非本征摻雜的繼續(xù)探索，并對(duì)器件生產(chǎn)過程中的干法刻蝕、表面鈍化等方面的逐步改進(jìn)，昆明物理所取得了一些重大的進(jìn)步，并陸續(xù)發(fā)布了陣列規(guī)模為640×512（15μm、20μm、25μm）及1280×1024（15μm）的碲鎘汞中波探測(cè)器產(chǎn)品。2015年，量產(chǎn)的640×512中波紅外探測(cè)器實(shí)現(xiàn)了在溫度為110K，NETD為19.7mK，有效像元率為99.33%的技術(shù)指標(biāo)，標(biāo)志著我國中波探測(cè)器性能指標(biāo)基本達(dá)到同一時(shí)期發(fā)達(dá)國家的技術(shù)水平[5]。

根據(jù)最新資料顯示，國內(nèi)最新款制冷型碲鎘汞中波紅外探測(cè)器CB12M MWIR，其面陣規(guī)格為1280×1024，像元尺寸為 12μm，NETD小于 20Mk（F2/F4）[6]。

4.2 量子阱紅外探測(cè)器

雖然碲鎘汞探測(cè)器具有諸多優(yōu)點(diǎn)，但是碲鎘汞很難實(shí)現(xiàn)大面積陣面探測(cè)器的量產(chǎn)化；此外，由于其材料的特殊性導(dǎo)致的表面漏電流現(xiàn)象對(duì)碲鎘汞探測(cè)器的性能影響也很大。相比之下，量子阱材料卻有自己獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：比如生長(zhǎng)技術(shù)成熟，并且生長(zhǎng)面型均勻，受控性好；價(jià)格低廉、產(chǎn)量大、熱穩(wěn)定性高。

近幾年發(fā)展開來的量子阱紅外探測(cè)器（QWIP）擁有較高的熱靈敏度以及均勻性好等性能優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)其材料生長(zhǎng)和生產(chǎn)工藝比較成熟，生產(chǎn)成本適中，便于規(guī)?；b備，方便多色譜大面陣器件的單片集成。此外，可以在探測(cè)器頂端刻蝕線性光柵來獲取對(duì)紅外輻射光的偏振敏感特性，該方式比傳統(tǒng)增添偏振元件的方式更具優(yōu)勢(shì)。1998年，普林斯頓大學(xué)首次提出線性光柵量子阱紅外探測(cè)器具有偏振響應(yīng)特性這一現(xiàn)象。三年之后，美國陸軍研究實(shí)驗(yàn)室（ARL）開始進(jìn)行長(zhǎng)波偏振量子阱的研究工作，將0°和90°方向的線性光柵進(jìn)行疊加排列，得到了陣列規(guī)模為384×288的長(zhǎng)波偏振量子阱芯片。同一時(shí)期，在名為Sirus的長(zhǎng)波量子阱組件的基礎(chǔ)上，THALES公司進(jìn)行了四象限偏振面陣探測(cè)器的研究工作，并通過一系列的對(duì)道路、汽車、建筑物等人工物體目標(biāo)的探測(cè)實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了該探測(cè)器的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

對(duì)于國內(nèi)的情況，昆明物理研究所在2017年公布了陣列規(guī)模為640×512、中心距為20μm的偏振長(zhǎng)波量子阱紅外探測(cè)器的研發(fā)成果[7]。在探測(cè)器的偏振焦平面上使用2×2的子單元設(shè)計(jì)，然后每個(gè)子單元中的每個(gè)像素單元分別被刻蝕方向?yàn)?°、45°、90°以及 135°的四種類型的一維線性光柵，以獲取不同偏振角度入射光的信息。這種方案解決了長(zhǎng)波量子阱材料外延和器件研制等方面的難題，并成功制備出紅外面陣探測(cè)器芯片。配合制冷器組件的使用，長(zhǎng)波偏振量子阱探測(cè)器組件的NETD低于30mK。由于該探測(cè)器不但擁有較高的物理分辨率，同時(shí)可以獲取被測(cè)物的偏振信息，這對(duì)探測(cè)能力的提升起到重要的促進(jìn)作用。

4.3 Ⅱ類超晶格紅外探測(cè)器

量子阱探測(cè)器的結(jié)構(gòu)特殊性使得正入射光無法很好地被探測(cè)器吸收，致使量子阱探測(cè)器的量子效率并理想。但是，硒化物Ⅱ型超晶格卻不存在這種問題，它可以很好地吸收正入射光而不需要任何光柵，因此它擁有較高的探測(cè)靈敏度，幾乎可以與碲鎘汞相媲美。和帶間吸收一樣，通過光學(xué)吸收機(jī)制，Ⅱ類超晶格探測(cè)器可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)81%的量子效率。同時(shí)，它的隧穿電流和暗電流均較小，對(duì)工作溫度的要求相對(duì)寬松。Ⅱ類超晶格探測(cè)器材料使用Ⅲ族和Ⅳ族元素，采用光伏原理制成。作為新一代的光電器件，Ⅱ類超晶格擁有無限的發(fā)展?jié)摿蛷V闊的應(yīng)用前景。

InAs/GaSbII類超晶格材料自1987年就開始被應(yīng)用于紅外探測(cè)，它具有量子效率高，器件均勻性好，暗電流低以及覆蓋光譜范圍廣（3μm～30μm）等優(yōu)點(diǎn)。2006年，AIM和IAF公司開發(fā)出了384×288的II類超晶格中波雙色探測(cè)器，其工作譜段為3μm～4μm和4μm～5μm，NETD分別達(dá)到12mK和22mK[8]。2009年，美國Raytheon和JPL研發(fā)了陣列規(guī)模為1024×1024的II類超晶格長(zhǎng)波紅外探測(cè)器，其探測(cè)率達(dá)到1.1×1011[9]。美國西北大學(xué)在 2012 年研發(fā)出了陣列規(guī)模為1024×1024的II類超晶格長(zhǎng)波紅外探測(cè)器，在溫度為68mK時(shí)NETD達(dá)到22.5mK，量子效率約為78%。中國科學(xué)院半導(dǎo)體所等單位研制了640×512的II類超晶格長(zhǎng)波紅外探測(cè)器，其截止波長(zhǎng)為10μm和16μm[10]；西安電子科技大學(xué)在2016年研究出了陣列規(guī)模為128×128的短波紅外探測(cè)器[11]；上海技術(shù)物理研究所的陳建新、周易等研究人員也研制出了截止波長(zhǎng)為12.50μm的長(zhǎng)波InAs/GaSbⅡ類超晶格紅外探測(cè)器[12]。上述研究結(jié)果表明，II類超晶格探測(cè)器在中波和長(zhǎng)波紅外譜段均具有低暗電流和高工作溫度的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于研制高靈敏度的長(zhǎng)波紅外探測(cè)系統(tǒng)具有及其重要的作用。其中，以上海技術(shù)物理研究所研制的II類超晶格長(zhǎng)波紅外探測(cè)器為例，其關(guān)鍵技術(shù)如表2所示。

表2 II類超晶格長(zhǎng)波紅外探測(cè)器的技術(shù)指標(biāo)

5 結(jié)語

自20世紀(jì)90年代開始，非制冷紅外熱像儀相較于制冷型紅外熱像儀，具有低成本、低功耗、小型化、易使用、易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)迅速進(jìn)入軍用和民用領(lǐng)域。至今，非制冷焦平面產(chǎn)品已發(fā)展到中、大規(guī)模640×512、1024×768、2048×1536陣列，像素尺寸縮小到12μm甚至到10μm，噪聲等效溫差（NETD）降低到小于30mK@F/1以下，幀頻提高到60Hz（640×512規(guī)格），以及寬波段（中波和長(zhǎng)波）、120Hz高幀頻的非制冷探測(cè)器也逐漸形成產(chǎn)品。在未來幾年，高性能非制冷器件主要指標(biāo)將達(dá)到2K×2K陣列、200Hz幀頻以上、小于20mK、像素小于8μm等，將替換部分制冷型產(chǎn)品；同時(shí)價(jià)格低廉的中小規(guī)模非制冷探測(cè)器將大量進(jìn)入民用市場(chǎng)或大批量裝備部隊(duì)。

隨著非制冷紅外技術(shù)的不斷進(jìn)步，各種武器裝備廣泛的應(yīng)用牽引，非制冷紅外探測(cè)器也在朝著高性能、低成本及高集成度三個(gè)方向突飛猛進(jìn)的發(fā)展。同時(shí)，非制冷探測(cè)器生產(chǎn)模式也朝著更為規(guī)?；a(chǎn)、制造外包等方式調(diào)整。非制冷器件、機(jī)芯、系統(tǒng)等產(chǎn)業(yè)鏈的垂直整合也在悄然發(fā)生。

隨著IC設(shè)計(jì)、加工、封裝技術(shù)的發(fā)展，以及紅外圖像處理算法的日漸成熟，使得探測(cè)器研制生產(chǎn)能夠采用3D封裝技術(shù)、專用紅外圖像處理芯片、視覺處理單元（Vision Processing Unit，VPU），以及3D IC有效降低規(guī)模化生產(chǎn)成本，同時(shí)先進(jìn)圖像算法處理集成到探測(cè)器層面成為可能，如超分辨率、精密降噪濾波、局部圖像增強(qiáng)、圖像融合等算法，同時(shí)為客戶預(yù)留部分資源，可在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步開發(fā)人工智能等特定功能，提供智能化的紅外成像解決方案。

今后，非制冷紅外焦平面器件將和CMOS圖像傳感器一般，實(shí)現(xiàn)高集成度、低成本及模組化標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，極大提升用戶群體及擴(kuò)張應(yīng)用方向。