铟镓砷光电探测器及其焦平面阵列

第1章 空间遥感与广电探测 1.1 引言 空间遥感（space remote sensing）亦称航天遥感，顾名思义就是利用探测仪器从太空在远距离和非接触的情况下感知目标，获取其反射、辐射或散射的电磁波信息，并进行提取、处理、分析与应用。正是由于此类仪器具有探测功能，因此也被称为有效载荷，一般搭载在卫星、飞船、空间站等航天器（亦称飞行器）上，并随之发射升空。 空间遥感技术是20世纪60年代初在航空遥感技术基础上发展起来的一门新兴技术，1972年7月23日美国发射**颗陆地卫星（Landsat），标志着航天遥感时代的开始，经过半个多世纪的飞速发展，已成为一门实用的、先进的空间探测技术[1]，在气象、海洋、国土、环境等民用领域，天文观测、探月及深空探测等科学领域，以及侦察、预警等军事领域都有十分广泛的应用[2]。其主要分类及典型应用将在本章1.2节详细叙述。 目前比较成熟地用于空间遥感的探测仪器主要有微波探测和光学探测两大类型。微波探测是一种主动探测，需要微波源（如行波管）产生微波信号，照射到目标上，通过测量从目标上反射的回波进行探测。用于探测微波的检测部件是接收天线，*基本原理是将收集的电磁波转化为高频电流，便于后端的电子学系统进行数据处理等，接收天线好比人的耳朵。光学探测一般是被动探测，将目标的辐射或反射等信息，通过相应波段的探测器进行接收，将光学信号转换为电信号，并由后端的电子学系统进行数据处理等，因此通常称为光电探测。光电探测器好比人的眼睛。 光电探测器是遥感仪器的重要组成部分，也是仪器研制的关键核心技术之一。正是由于遥感仪器的广泛应用，尤其是空间遥感应用的重要需求，光电探测技术得以迅速发展，同时随着科技的进步、各种新型光电材料及其新机理的发现，以及先进材料与器件制备工艺的不断涌现，光电探测器的功能和性能都有显著提升。针对空间遥感应用的要求，由于受到大气透射窗口的影响，遥感仪器内部用于透射、折射或反射的光学材料及光学薄膜材料的性质所限，结合光电探测器自身的特点，一般是按探测波段对光电探测器进行选择。目前应用较为普遍的光电探测器按照工作波段从短波长到长波长来分类的话，主要包括射线探测器、紫外探测器、可见光探测器、（近、短波、中波、长波、甚长波、远）红外探测器等。如果按照光电探测器的工作原理来分类的话，包括热探测器、光子型探测器和气体探测器[3]。如果按照光电探测器响应像元的元数及规格来分类，又包括单元探测器、多元探测器和焦平面（线列和面阵）探测器等，面阵探测器也称为成像型探测器。本章1.3节将详细介绍光电探测的原理、器件种类及其典型空间应用。 从仪器设计的角度，如何选择光电探测器，是一个重要且复杂的问题，需要综合考虑应用需求、光机电各部分的性能、探测器的现有能力与水平、资源约束（体积、重量、功耗）、寿命和可靠性以及成本等。但从技术角度，波段的考虑和仪器的功能是选择光电探测器*关键的要素。本章1.4节将简要归纳空间遥感对光电探测器的选择需要考虑的主要因素。 短波红外波段是指1～3μm 的红外波段，与0.7～2.5μm 的近红外波段有重叠，是大气透射的重要窗口之一，在该波段中很多物质具有独*的光谱特性。由于采用与磷化铟（InP）衬底晶格匹配外延生长的铟镓砷（InGaAs）材料制备的光电探测器，在1～2.5μm 波段具有量子效率高、灵敏度高、近室温工作、抗辐射性能好等优点[45]，是为实现遥感仪器小型化、低功耗要求而极具竞争力的选择，因而在空间遥感领域备受关注。本章1.5节将重点介绍铟镓砷光电探测器及其空间应用。 由于空间遥感和光电探测涉及的面非常广，但其原理基本相同，因此除了一般性介绍时会尽量覆盖到全部波段或所有类型外，本章中以红外探测及空间遥感领域应用为典型进行阐述。 1.2 空间遥感及其应用 1.2.1 电磁波谱及其波段划分 电磁波的波谱范围非常广，波长*短的约百分之一埃（10－12 m），*长的可达数千米（103 m），或者频率*快的达万亿亿赫兹（1020 Hz），*慢的约100 kHz（105 Hz），跨度在15个数量级以上，因此其特性差异很大，研究的手段和应用场景也十分丰富。一般地，电磁波谱划分为γ射线、X 射线、紫外线（UV）、可见光（VIS）、红外线、微波和无线电波七个大类[6]，如图1.2.1所示。 表1.2.1给出了各频段电磁波产生的主要机理、关键特征、探测手段及其典型应用[3]。 为便于表述，不同领域对各大类谱段划分的边界不是很严格，基本上都会有重叠，如紫外线的长波段在400 nm，进入了可见光的短波段380 nm。表中笔者试图按照每个波段专业研究人士各自的表述来划分，如无线电波是按照日常生活中认识来划分的，微波的波段是以微波研究或应用领域来定义的。可见光的波长范围是380～780 nm，是按照人眼可以感知的电磁波谱部分来定义的，而实际上没有精确的范围，大都人的眼睛可以感知的电磁波的波长在400～760 nm 之间，随着微电子技术的发展，用于探测可见光的Si 探测器[电荷耦合器件（CCD）或互补金属氧化物半导体（CMOS）]的截止波长在1.1μm，为了适应人眼感知的视觉效果或者仪器设计的需要，一般通过滤光技术使得Si 探测器的光谱响应范围落在400～900 nm，这个范围也称为可见光波段。 图1.2.1 电磁波谱示意图，包括空间遥感领域和光谱学领域的两种常见波段划分和单位换算对应关系，下部为对数坐标下的水汽吸收光谱（彩图见书末） 表1.2.1 电磁波谱的分类、主要特征及其应用 随着科技的发展和应用的需要，科学家通过研究会发现新的波段并加以冠名。如在20世纪80年代中期之前，在红外波段波长大于30μm（进入远红外波段）的研究受到光学领域的光源和探测器方面的科学与技术的局限，而在微波波段频率高于3000 GHz（称为亚毫米波、超微波等）的研究也受到电子学领域的振荡电路和检测器方面的科学与技术的限制，人们对这个波段的研究难以突破，认识非常有限，但随后逐渐显现出该段电磁波具有许多新的独*的优点，是一个非常重要的交叉前沿领域，给科学技术创新、经济社会发展和国家安全提供了一个非常诱人的机遇。因此人们将频率为0.1到10 THz（或波长在30～3000μm）的位于红外和微波之间的电磁波段称为太赫兹（tera hertz，THz）波段。 另外，即使在同一个波段，由于实际研究和应用的需要，也会进行波段的细分。如在红外线波段，一般被分为近红外（NIR）0.7～2.5μm、短波红外（SWIR）1～3μm、中波红外（MWIR）3～5μm、长波红外（LWIR）8～14μm、远红外（FIR）25～1000μm 等不同区域。随着航天应用的发展，红外波段的研究十分活跃，综合考虑大气窗口的影响、技术的发展和应用的需要，迄今为止，红外波段通常又进一步细分为近红外短波端的0.75～1.7μm、短波红外（SWIR）波段1～3μm、中波红外（MWIR）波段3～5μm、水汽红外（VIR）波段5～8μm、长波红外（LWIR）波段8～14μm、甚长波红外（VLWIR）波段14～20μm 和远红外（FIR）波段25～1000μm 等，而波长大于30μm 的远红外波段已进入后来被命名的太赫兹波段。以上不同波段的电磁波在空间遥感中都有相应的广泛应用。 1.2.2 大气层及其透射窗口 空间遥感中*重要的应用是对地遥感，即通过空间与地面之间电磁波信号的传输和探测来实现对地物目标的感知。由于地球外围被一层很厚的大气层包围，电磁波信号要在大气中传播相当远的距离才能到达探测系统，因此需要考虑大气层对电磁波信号的影响。 大气层的厚度约1000 km，从地球表面向外可分为对流层（约20 km 处）、平流层（约50 km 处）、中间层（约85 km 处）、热层（约500 km 处）和外大气层（约1000 km 处），之外即进入星际空间。大气层随高度不同表现出不同的特点，空气密度随高度而减小，越高空气就越稀薄。大气层的成分主要有：氮气占78.1％；氧气占20.9％；氩气占0.93％；还有少量的二氧化碳、稀有气体（氦气、氖气、氩气、氪气、氙气、氡气）和水蒸气等，这些都会对电磁波的传输产生反射、吸收和散射，其中吸收是影响传播的主要因素，而那些透射率高的波段称为大气窗口。遥感应用一般选择在大气窗口波段。 大气窗口主要包括可见光、红外、微波和无线电等不同的波段，如图1.2.1所示。遥感领域所采用的波段基本上也是依据大气窗口来划分或进一步细分的，图1.2.2给出了太阳光在海平面大气中通过1海里（约1852 m）水平路径的红外波段透过光谱的合成曲线，图中下面部分表示水蒸气、二氧化碳和臭氧分子所形成的吸收带[7]。常见的红外波段大气窗口有：0.95～1.05μm、1.15～1.35μm、1.5～1.8μm、2.1～2.4μm、3.3～4.2μm、4.5～5.1μm 和8～13μm。一般也粗略地划分为短波红外（1～3μm）、中波红外（3～5μm）和长波红外（8～14μm）三个大气窗口波段。一般空间遥感应用的红外仪器或红外系统的工作波段大都在这三个窗口之内，但也有利用吸收带进行探测的情况。 图1.2.2 海平面大气的透射光谱和对应的主要分子吸收位置 1.2.3 空间遥感技术及其应用 空间遥感技术一般是按照应用领域来进行分类的，在民用领域包括气象卫星、海洋卫星、资源卫星、环境卫星等，在科学研究领域包括天文观测卫星和月球、太阳、火星、小行星等深空探测卫星，在军事领域包括侦察卫星、导弹预警卫星等。由于受到卫星及有效载荷的寿命限制，以及随着科学技术的不断发展和应用需求的不断提升，各国大都是按照各自的系列批次和代际的规律不断发展的。 尽管以美国1972年7月23日发射的**颗陆地卫星为航天遥感时代开始的标志，实际上早在1957年10月4日苏联发射的世界上**颗人造地球卫星上就搭载了一台辐射计数器[8]。1958年1月31日发射的美国**颗人造地球卫星也携带了气象仪器，早在1960年4月1日美国就首先发射了**颗试验型气象卫星。1970年4月24日发射的中国**颗人造地球卫星搭载了热敏探测器，为我国后续空间遥感技术尤其是气象卫星的发展打下了良好的基础。因此气象卫星的发展在空间遥感技术领域发挥了重要的作用。 气象卫星的应用已经远远超出传统的天气预报，在生态环境、灾害监测以及海洋、农业、渔业、航空、航海等方面都有广泛的用途，是世界上应用*广的卫星系列之一，美国、苏联／俄罗斯、法国和中国等众多国家都发射了气象卫星。气象卫星包括极轨气象卫星（Polar OrbitMeteorological Satellite）和静止轨道气象卫星（Geostationary Meteorological Satellite）两大系列，极轨气象卫星的轨道与太阳同步，轨道高度在650～1500 km，亦称太阳同步轨道气象卫星，可以获取全球观测数据。静止轨道气象卫星是在赤道上空与地球同步，轨道高度约3.6万km，相对地球是静止的，亦称地球同步轨道气象卫星，可以观测地球表面约三分之一的固定区域，对同一目标地区进行持续观测。 表1.2.2和表1.2.3分别列出了主要国家极轨气象卫星和静止轨道气象卫星的研制和应用概况[8]。 表1.2.2 主要国家极轨气象卫星发展概况 表1.2.3 主要国家静止轨道气象卫星发展概况