红外探测器的发展历史

红外技术发展的先导是红外探测器的发展，一个国家红外探测器的技术水平代表着其红外技术发展的水平。最早的红外探测器是1800年英国天文学家威廉·赫歇耳发明的水银温度计，随后发明了热电偶、热电堆，1880年美国的Langley发明了测热辐射计。最初的红外探测器主要是热电探测器，直至1917年Case研制出第一只硫化铊光电导探测器，这种探测器比热电探测器灵敏度高，响应也快。第二次世界大战，人们认识到了红外技术在军事应用中的巨大潜力，开始对红外技术极为重视，寻找新的材料和制作方法。19世纪40年代初，以PbS为代表的光电型红外探测器问世，随后又出现了硒化铅、碲化铅探测器。二次大战后，半导体技术的发展推动了红外探测技术的发展，先后出现了InSb、HgCdTe、掺杂Si、PtSi。InSb的灵敏度较高，但是带隙只有0.22eV，所以只能探测低于5.6μm。PtSi由于它的高均匀性和可生产性，可以做成大的焦平面阵列,但是其截至波长为5.7μm，也只能用于中短波范围，而且量子效率很低。同时InSb和PtSi都没有波长可调性和多色探测能力。掺杂Si有很宽的光谱带宽，但是也不具备波长可调性，而且必须工作在很低的温度。1959年Lawso研制出碲镉汞（HgxCd1-xTe）的长波长红外探测器，这是红外技术史上的一次重要进展。它是目前性能最好，也是最广泛应用的II－VI族红外探测器。它是利用带间吸收，因此具有极高的探测率和量子效率。通过调节Hg的组分x可以实现带隙从0­-0.8eV的连续可调。因此它所能探测的波长范围覆盖了中波红外（3-5μm）和长波红外（8-14μm）两个波段。

   而利用MBE生长的III－V族材料体系制成的量子阱材料正好可以弥补碲镉汞方面的不足，III－V族材料生长、器件制作工艺成熟，适于制作大面阵探测器。同时III－V族材料组分容易控制和调节，通过调节化合物的组分，可以比较容易的改变量子阱的阱宽、垒高等参数，进而可以调节探测波长。可以覆盖三个主要的大气窗口。因此III－V族材料在实现多色探测方面也有很大的优势。因此有望与HgxCd1-xTe材料并驾齐驱，在军事上和民用上都发挥重要的应用。以下图1为红外探测器研究的发展史。

图1 红外探测器发展历史   表1列出了几种常用红外探测器材料及他们的响应波段

范围	探测器材料
近红外(0.7～1.1μm)	硅光电二极管 (Si)
短波红外(1～3 μm)	铟镓砷(InGaAs)、硫化铅探测器(PbS)
中波红外(3～5 μm)	锑化铟(InSb)、碲镉汞探测器(HgCdTe)、量子阱探测器(QWIP)
长波红外、热红外(8～14 μm)	碲镉汞探测器(HgCdTe)、量子阱探测器(QWIP)
远红外(16 μm以上)	量子阱探测器(QWIP)

 

表1.几种常用的红外探测器及它们的响应波段

红外探测器的应用前景

    由于MCT材料制备困难、制备周期长、成本高、均匀性差等缺点，使得在制备红外焦平面阵列时失去了优势，这时III－V族量子阱红外探测器开始崭露头角。特别是GaAs/AlGaAs等材料系，由于用该类材料的光电子和高速微电子器件已大批量投放市场，直到6英寸的大面积GaAs衬底已可商用，其材料生长及器件制作工艺十分成熟，材料的均匀性好（美国的Gunapala MBE方法生长的外延片所制成的256*256的手持照相机在65536个像素中只有10个盲点）。器件成品率高，可大大降低红外探测器的成本。

（a）军事和国防领域

    红外探测器的发展得益于战争尤其是二次大战的刺激。随后的冷战时期，到现今的局部战争，人们不断加深对红外探测器重要性的认识。至今，军事应用仍占整个红外敏感器市场的75%。军用红外系统通常工作在3～5μm和8～10μm两个大气窗口，它能透过烟、尘、雾、树丛等，可以实现昼夜探测。夜幕历来是战争的屏障，由于红外技术的发展，掌握红外探测优势的一方具有单向透明的优

 
图2 中波1024×1024 QWIP照相机的红外成像

 图3 长波1024×1024 QWIP照相机的红外成像
点，常规的树丛和夜色越来越不起作用。图2为长波1024×1024 QWIP照相机的红外成像，图3为四英寸GaAs片上的9个1024×1024像素的焦平面阵列。图4为用长波长量子阱红外探测器（QWIP）RADLANCE摄像机拍摄到的Delta-Ⅱ运载火箭发射过程的红外图。

图4 长波长QWIP RADLANCE摄像机拍摄到的Delta-Ⅱ运载火箭发射过程的红外图

（b）消防方面的应用

    量子阱红外探测器可以覆盖更长的波长，用它做成的量子阱红外摄像机，可以透过烟雾看清火灾滞留的高温区­——图5(b)中白的亮区（以前的红外摄像仪是难以看清的），这些滞留的高温区是消防队员们所关心的，也是很难发现的，因为这些看似已经熄灭的地方可能会突然再度燃烧起来。

 
（a）高灵敏度CCD拍的可见光图像 

 （b）256×256 QWIP 手提照相机拍的图像
 

图5 

（c）工厂机器的检测

    量子阱红外探测器还可以用来检测机器的状况。这种探测器可以检测出机器中的不正常的压力，指导人们对机器的维修和保养，如图6所示。

 
 （a）正常的操作条件

 （b）受压力不正常条件下的图象 
      图6   

（d）医疗上的应用

    人身体上有病变的组织和正常组织的温度会有所不同，利用QWIP可以区分出他们之间的微小差别，因而可以很方便的探测到人体组织的病变部位，如图7所示。

 
（a）显示出鼻尖由于皮肤癌新陈代谢快而导致温度比周围健康组织高 

 （b）正常鼻子的图象，通常鼻子耳朵是脸上凸出部位而比其它地方要稍冷些
图7

    除了上面所说的几方面外，量子阱红外探测器还在气候监测、资源勘探、天文观测等很多方面有着重要的应用。