红外传感器原理与应用

第2章红外探测器的分类和非制冷IRFPA开发的变迁 2.1红外探测器的分类 红外探测器的分类 红外探测器的历史是从1800年由Herschel发现红外线[5]开始的。在他的实验里，使用了利用液体热膨胀的玻璃温度计检测红外线。自红外线发现以来，至今巳开发了各种各样的红外探测器。红外探测器大体分为热型和量子型两种，根据各种观点可以进一步细分。图2.1展示的是用于IRFPA的红外探测器的分类示例。 图2.1红外探测器的分类 热型红外探测器是通过检测吸收了红外线后发生变化的传感器的温度来探测红外线的。这种红外探测器如图2.1所示，一般是按照使用的温度传感器的种类进行分类的，例如，铁电探测器（ferroelectric detector)、电阻测辅射热计(resistance bolometer)、热释电探测器（pyroelectric detector)、二极管探测器（diode detector)等。只要热型红外探测器的温度传感器具有温度依赖性，无论使用哪种都可以。 自从Herschel发现红外线后，*先开发出来的热型红外探测器采用的是热电偶温度传感器。热电偶温度传感器在电气连接两个不同导体时，根据出现的塞贝克效应（Seebeck effect)检测温度差[2]。热电偶（thermocouple)不仅是在红外探测器中，在接触型温度传感器中也被广泛使用。红外探测器一般使用将热电偶串联的热电堆（thermopile)来提高灵敏度。 1881年Langley制作了铂电阻测辐射热计m。金属具有正的电阻温度系数(temperature coefficient of resistance，TCR)，随着温度上升电阻增大。金属的正TCR，反映了高温下载流子的散射概率增加的特性。半导体和金属一样，也可以用作电阻测辐射热计。半导体与金属不同，具有负的电阻温度系数。半导体的TCR为负，是因为半导体的电阻是由载流子数和移动度决定的。一般，半导体电阻测辐射热计的TCR比金属的TCR要大10倍，大多数的非制冷IRFPA使用的是半导体电阻测辐射热计。至此研究开发了各种材料的电阻测辐射热计。 热释电探测器和介质辐射热计是用铁电材料制成的。热释电效应以前就有所了解，但对于该效应的原理性理解是进人19世纪以后[4]。热释电红外探测器利用自发极化的温度依赖性检测温度变化，这种方式的单像素红外传感器得到了广泛普及。通过测量以热释电材料作为绝缘体的电容的充放电电流，检测自发极化的变化。Hanel发现铁电材料的介电常数在居里温度附近展现出明显的温度依赖性，提出了一种利用铁电材料的介电常数的温度依赖性的温度传感器一介质辐射热计[4]。 二极管的电流-电压特性的温度依赖性可以用于温度传感器。二极管可以通过Si大规模集成（large scale integration，LSI)技术制造，容易集成化。有些小组关注到这一特点，考虑到Si二极管适用于非制冷IRFPA的温度传感器，正在推进二极管非制冷IRFPA的开发[6]。 热型红外探测器有着在室温下可以工作的特点，而20世纪90年代前期研究开发的中心主题是在低温下工作的量子型红外探测器，这是因为当时的红外摄像装置采用的是单像素探测器的机械扫描系统，机械扫描系统无法实现热型红外探测器所要求的灵敏度和响应速度。 量子型红外探测器是由人射光子激发半导体材料中的电子（或者空穴），改变能量分布。能量分布的变化会引起电阻变化或超越能障的载流子的流动，通过这种变化探测出红外线。从原理上来看，量子型红外探测器灵敏度高、工作速度快。 作为量子型红外探测器材料，初期研究开发的半导体材料是铅的硫族化合物(PbS、PbSe、PbTe)⑴。这类半导体材料是利用了带间跃迁的本征型材料，主要用于单像素光敏器件。20世纪50年代，单晶InSb被用作本征型量子型红外探测器材料。由于InSb在77K时带隙能量为0.23eV，截止波长为5.5pm，所以MWIR波长范围的红外探测是可行的。进人20世纪60年代，InSb的结晶品质得到改善，有助于InSb红外探测器的性能提高。 2.1红外探测器的分类 本征红外探测器用的半导体材料中*重要的是HgCdTe，是Lawson等在1959年提出将它应用到红外探测上的 。这种材料的带隙能量可以通过改变组成来调整，使用HgCdTe可以制备波长在2^m到14_(*近更是扩大到长波长了）间任意截止波长的探测器。20世纪70年代后期到80年代，为了实现大型的IRFPA，开发出了耗电少、能够以高注人效率与信号读出电路（readout integrated circuit，ROIC)连接的高阻抗的HgCdTe光电探测器。 通过Si或Ge杂质态的电子（或空穴）激发探测红外线的非本征型光敏红外探测器是量子型红外探测器，即便在长波长区域也极具灵敏度。有报告指出，加压的镓掺锗非本征型光敏器件在200pm波长区域具有灵敏度m。20世纪50年代初期，开发了采用非本征型掺汞锗线性探测器阵列的LWIR摄像装置[7]。非本征型硅红外探测器的制造工艺与SiLSI工艺存在兼容性，可以高集成化，但因工作温度低，目前应用领域仅限于天文观测等。 Noble在1968年提出了金属氧化物半导体（metal oxide semiconductor，MOS)X-Y成像阵列[9]，在1970年Boyle和Smith发明了电荷耦合器件（charge-coupled device，CCD)[1°]。和可视光域一样，这些发明在红外线领域与二维凝视型图像传感器的开发相关联。采用了HgCdTe光电型探测器的二维凝视型IRFPA，被用在防卫用红外摄像系统等方面。 凝视型图像传感器可以长时间积蓄信号电荷，对红外探测器的灵敏度和响应速度的要求有所放宽，实现其高集成化和高均一性成为重要课题。因为地面红外摄像是高清背景摄像，所以二维IRFPA开发之初，红外摄像装置的重要性能指标--噪声等效温差（noise equivalent temperature difference，NETD)是由IRFPA的不均一性决定的。 通过这种状况变化，低量子效率、高均一性的Si光电子发射探测器受到了关注。肖特基势垒和异质结结构的光电子发射探测器是通过势垒分离载流子的能量来探测红外线的。PtSi肖特基势垒IRFPA是由SiLSI兼容性工艺制造的单片式结构器件。自20世纪80年代起的10多年间，PtSi肖特基势垒IRFPA维持了*高集成度。*初的具有电视分辨率的IRFPA[11]和*初的百万像素IRFPA[12]，都是由PtSi肖特基势垒技术实现的。 量子结构红外探测器（quantumstructure infrared photodetector，QSIP)属于量子型中比较新型的探测器，包括量子阱红外光电探测器（quantum well infrared photodetector，QWIP)[7]、量子点红外光电探测器（quantum dot infrared photodetector，QDIP)[13]、n类应力层超晶格（Type-nstrainedlayersuperlattice，Type-ESLS)[7]等。QWIP的光探测装置是以量子阱内的带间跃迁为基础的。以GaAs为基础的QWIP，因使用了化合物半导体中完成度*高的工艺技能，在20世纪90年代有了显著的进步。与HgCdTe相比，QWIP的量子效率和工作温度低，但在高集成化及多波长化方面具有优势。QDIP通过将QWIP的一维载流子限域变为三维限域，使垂直人射成为可能，可以实现比QWIP更高的工作温度和量子效率。Type-E超晶格是通过超晶格形成的带间跃迁探测红外线的探测器，在工作温度和量子效率方面是唯一能够与HgCdTe竞争的技术，开发变得活泛起来。 2.2非制冷丨RFPA开发的历史 如第1章所述，由热型红外探测器集聚而成的IRFPA称为非制冷IRFPA。与之相对，量子型IRFPA称为制冷型IRFPA。20世纪90年代初，IRFPA指的是量子型，所以制冷型IRFPA这个词基本没有被使用过。1992年发表了钛酸钡锶（BST)铁电非制冷IRFPA[14]和氧化钒（VOx)电阻测辐射热计非制冷IRFPA[15]，