文章來源：半導體全解

原文作者：圓圓De圓

紅外輻射是波長介于可見光與微波之間的電磁波，人眼察覺不到，紅外探測器是可以將入射的紅外輻射信號轉變成電信號輸出的器件，幫助人們看見未知的世界。本文將從分類、波段、材料等方面帶大家詳細了解紅外探測器。

什么是紅外輻射

為什么人們沐浴在陽光下，就會感覺到溫暖?答案是紅外輻射效應。早在1800年，來自英國的天文學家Mr.William Herschel用棱鏡將太陽光分成七個單色光時，發現在紅色光外的黑暗區域，溫度反而更高，反復實驗證明，在紅外光一側，存在一種肉眼不可見的“熱線”，后來稱為紅外線，也就是紅外輻射，英文名“infrared”。

至此，人類對電磁波波段的認知又增加了非常寬的范圍，它存在于可見光和微波波段之間，介于0.75-1000μm的波長范圍，與γ射線、X射線、紫外線、可見光、微波、以及無線電波等共同構成電磁波帶。

當溫度(紅外輻射)從天空照射到地面時，需穿透大氣中的氣體，包裹地球的大氣主要由氣體(N2、O2、CO2、H2O、CH4、CO、O3……)、懸浮的各種尺度微粒塵埃、水滴等組成氣溶膠，并對在大氣層中傳輸的某些特定波段的電磁波產生反射、散射和吸收作用，使得電磁波輻射出現衰減。

各電磁波衰減的程度不盡相同，透射率也不同，把受到大氣衰減作用小，電磁波透過率高的波段叫做大氣窗口。

上圖顯示了紅外波段不同波長的電磁輻射在大氣中傳輸的透射率。1.4-2.5μm的短波紅外，3.0-5.0μm的中波紅外和8.0-14.0μm的長波紅外窗口，是紅外探測最重要的三個大氣窗口，在紅外探測和遙感中應用廣泛。

紅外探測器分類

如果人類的眼睛可以感知紅外光，那么這個世界會呈現出可見光條件無法發現的各種特征，眼睛可輕易看清一片漆黑中的人和物，體溫較高的人可瞬間被眼睛識別，物體結構中的薄弱位置也會被眼睛發現。

實際上，人類的眼睛只能感知可見光，需要借助紅外輻射能量的轉化器才能看清紅外光，這就是紅外探測器，它用于將紅外輻射中的能量轉換為可測量的形式。現代紅外探測器利用的主要是紅外熱效應和光電效應。

2.1 熱敏型紅外探測器

F.W.赫歇耳在發現紅外輻射時已經使用了最原始的熱敏型紅外探測器，即水銀溫度計。

1829年，諾比利(L.Nobili)利用當時新發現的溫差電效應，又稱Seebeck效應，制成了一種以半金屬Bi和Sb為溫差電偶的熱敏型探測器，稱作溫差電型紅外探測器，也稱真空溫差電偶，并將眾多熱電偶串連在一起，發明了第一個熱電堆。

1880年，朗利(Samuel Pierpont Langley)利用金屬的電阻隨溫度變化的特性制成另一種熱敏型紅外探測器，稱為測輻射熱計，這是最早的Bolometer測輻射熱計，在此基礎上發展得到的微輻射熱計MicroBolometer是最早進入商用領域的紅外探測器。

上世紀40年代，高萊發明了一種利用氣體熱膨脹制成的氣動型紅外探測器，又稱高萊管，同期，采用半導體材料制作的測輻射熱計和溫差電型紅外探測器使探測器的性能得到進一步改進。60年代中期，出現了熱釋電探測器，如氧化釩(VOx)，它具有高的電阻溫度系數，被廣泛應用于非制冷型的紅外探測及成像領域。

2.2 光子型紅外探測器

光子型紅外探測器是利用半導體的光電效應制成的紅外探測器，20世紀中期，紅外探測材料得以大量開發，如硫化鉛(PbS)、硒化鉛(PbSe)、碲化鉛(PbTe)和銻化銦(InSb)紅外探測器。

50年代末，多元化合物紅外探測材料使得頻帶間隙調節成為可能，其中II-VI族碲鎘汞(Mercury Cadmium Telluride, HgCdTe, MCT)紅外探測器因帶隙可調，以禁帶直接躍遷方式響應紅外輻射使其對紅外光高度敏感，紅外吸收效率很高，在其被發明至今，一直是紅外探測器制造的首選。

近三十年，半導體材料科學的發展以及半導體微細加工技術的進步，推動了紅外探測技術的快速發展，全新的量子調控概念被應用到新型的探測器材料中，如量子阱紅外探測器(Quantum Well Infrared Photodetector, QWIP)和InAs/GaSb II類超晶格紅外探測器。

光子型紅外探測器分為光導型紅外探測器和光伏型紅外探測器兩種，光導效應被史密斯(Willoughby Smith)發現。光伏效應由貝克勒爾(Edmund Becquerel)發現。

光導型探測器的機理和光敏電阻的工作原理類似，都利用了材料的光電導效應，探測器吸收能量足夠大的入射光子，載流子從束縛態被激發，使得自由載流子濃度增加，材料的電導率改變。

光伏型探測器利用了P型和N型半導體組成PN結的光生伏特效應。能量大于禁帶寬度的紅外光子在PN結吸收區內被吸收產生電子空穴對，內建電場使電子漂移至N區，空穴漂移至P區，形成光電壓。

光伏探測器易與互補金屬氧化物半導體(Complementary Metal Oxide Semiconductor, CMOS)集成讀出電路相匹配，所以目前紅外焦平面(Infrared Focal Plane Arrays, IRFPA)探測器一般為光伏探測器，IRFPA的性能直接決定了探測系統的優劣。

紅外探測器的發展經歷了三代更迭，第一代主要是以單元、多元器件進行光機串/并掃描成像;第二代是線列或中小規模面陣焦平面;第三代紅外焦平面，以大面陣、高分辨、高靈敏、多波段為特征，正處于蓬勃發展期。

紅外探測器不同波段應用

在實際應用中，紅外探測器按探測波長一般可分為短波紅外探測器、中波紅外探測器和長波紅外探測器，三種波長的紅外探測正好覆蓋了短中長三個大氣窗口。

短波紅外探測器工作波長在1.0-3.0μm范圍，在滿月和晴朗星空條件下，月光的大部分光譜輻射亮度集中在短波紅外波段，其中包括高溫物體主動輻射和自然環境反射。短波紅外探測器可在較高溫度工作，制冷成本較低。

中波紅外探測器的探測波段在3.0-5.0μm范圍。如果溫度高于300K，一般用到中波紅外探測系統，如尾焰目標、艦載探測。

長波紅外探測器探測波長在8.0-14μm，對于目標溫度較低，大氣傳輸路徑長，大氣環境特殊的情況，長波探測更具優勢。當目標溫度在300K其黑體輻射峰值波長在10μm，并且隨著溫度降低，其峰值輻射波長更長。長波紅外探測器看自然和人為干擾的能力較強，但長波紅外焦平面探測器價格一直較為昂貴，最主要的原因是長波材料帶隙狹窄，制備長波紅外探測器工藝難度較大。

紅外探測器芯片材料介紹

4.1 碲鎘汞材料

碲鎘汞材料屬于直接帶隙半導體材料，可通過調節三種原子組份調節探測波長，覆蓋1-30μm幾乎整個紅外波段，其吸收系數和量子效率通常高于80%。

對于碲鎘汞紅外焦平面器件的生產與設計，截止波長超過12μm是一項巨大的挑戰。由于禁帶寬度較小，約為0.1eV，并且在這個波長范圍內，探測器要求低盲元率、低暗電流和低噪聲，對于這個波長，碲鎘汞材料的禁帶寬度很窄，要求使得生產的各個環節都有很高的要求，采用碲鎘汞材料生產長波紅外探測器難度大。

4.2 量子阱材料

量子阱紅外探測器材料是一種周期性異質結構材料，得益于分子束外延技術的發展，GaAs/AlGaAs量子阱材料得到廣泛和深入的研究。量子阱是通過結構設計和周期厚度變化來實現對探測波長的調節，材料生長缺陷密度低，探測器制備工藝穩定，目前某些長波量子阱焦平面探測器已經商用化。但量子阱的光譜呈窄譜吸收，光躍遷屬帶內子帶躍遷，只對平行于生長面的光響應，吸收系數和量子效率均較低。

4.3 InAs/GaSb II類超晶格材料

InAs/GaSb II類超晶格是一種周期性的低維量子結構材料，具有能帶靈活可調的特點，可以覆蓋3-30μm中波至遠紅外波段。該紅外探測器芯片工藝建立在較為成熟的III-V族化合物半導體技術之上，可以實現高性能的紅外焦平面制備，特別是在長波和甚長波波段，具有優越的材料和器件均勻性，成為很有希望的紅外探測技術，是當前紅外焦平面技術研究的熱點。

室溫下，InAs的禁帶寬度約為0.35eV，GaSb的禁帶寬度約0.73eV，價帶不連續性大于0.5eV，因此InAs和GaSb組合具有十分特別的能帶排列，InAs的導帶底位于GaSb的價帶頂之下，構成“破帶隙”II類超晶格。

當周期生長納米厚度的InAs和GaSb時，即形成InAs/GaSb II類超晶格材料，其電子和空穴在空間上分離，電子限制在InAs層中，空穴在GaSb層中，芯片結構如下圖所示。

審核編輯：湯梓紅