紅外線是電磁波的一種，其波長范圍介于可見光與無線電波之間，為0.76～1000μm。根據大氣窗口、紅外應用和探測器響應等，紅外線可以進一步劃分為近紅外線（0.76～1.4μm）、短波紅外線（1.4～3μm），中波紅外線（3～8μm）、長波紅外線（8～15μm）、遠紅外線（15～1000μm）。

紅外探測器作為紅外技術的核心部件，可以靈敏地吸收特定波段的紅外線，并將其轉化為可被測量的信號。根據能量轉換方式的不同，紅外探測器可分為光熱型和光子型。光熱型紅外探測器利用紅外輻射特有的熱效應，將紅外輻射轉換為材料的溫度變化，導致材料的結構或物理特性發生變化，從而探測變化的物理量并將其轉換成電信號輸出。

光子型紅外探測器通過光電效應改變材料的電子狀態，探測效率高，響應速率快。光子型紅外探測器又可分為光導型和光伏型，前者是吸收光子能量后將電子從半導體價帶轉移到導帶上，由此改變探測材料的電導率；后者是將光子能量轉化為電子能量，造成半導體的電子-空穴分離態，從而產生電壓信號。因此，當光子能量大于半導體的帶隙（導帶-價帶能量差）時，便可引發電子躍遷，即探測器對該輻射波長產生響應。換言之，半導體的帶隙決定了材料可以吸收的紅外光的范圍。另外，光子型紅外探測器工作時往往處于較低溫度狀態，屬于制冷紅外焦平面探測器。

有代表性的光子型紅外探測器為銻化銦（InSb）材料探測器、碲鎘汞（HgCdTe）材料探測器和銻化物超晶格材料探測器。它們根據半導體帶隙寬度來探測不同波段的電磁輻射。圖1-2展示了多種材料紅外探測器的不同波長對應的探測率。

大多數紅外技術的應用需要穿過空氣，而紅外輻射在空氣中會因吸收或散射而衰減。地球大氣在紅外波段有很多強吸收帶，處于這些強吸收帶之外的大氣透過率較高的譜段為大氣吸收窗口。在海平面以上2km高度的長水平路徑上測得的大氣光譜透過率曲線如圖1-3所示。可以粗略地認為，地球大氣有1～3μm、3～5μm和8～14μm三個紅外窗口，它們在多個領域有重要的作用。通常，8～14μm的長波（LWIR）窗口是高性能熱成像的首選，因為長波能夠有效衍射，具有更好的透射率。3～5μm的中波（MWIR）窗口因其具有高對比度和更高的分辨率而受到青睞。

不同類型的目標發出的紅外光有其特定的波段，因此可以利用特定波段的紅外探測器對目標進行探測。探測人眼不可見的紅外光并將其轉換為可識別的圖像的技術就是紅外探測技術。按照紅外芯片工作溫度的不同，可將紅外探測器分為制冷型和非制冷型。制冷紅外探測器因其高靈敏度、低噪聲、等效溫差等特性，在高精度、高分辨率觀測及弱光環境中，相對于非制冷紅外探測器具有優勢，在軍事、安防等領域得到廣泛應用。

制冷紅外焦平面探測器的工作原理是利用入射光子流與探測器材料的電子之間的相互作用。由于入射的光子產生內光子效應，因此制冷紅外焦平面探測器也稱紅外光子探測器。制冷紅外焦平面探測器的核心部件是紅外焦平面芯片，一般由紅外焦平面陣列和讀出電路兩部分組成，如圖1-4所示。按照紅外焦平面陣列不同的工作原理，可將制冷紅外焦平面探測器簡單分為基于光電導效應的光導型探測器和基于光伏效應的光伏型探測器。

利用半導體材料的光電導效應制成的探測器稱為光導型探測器，簡稱PC探測器。所謂光電導效應，就是由于入射光輻射，使材料產生本征吸收或雜質吸收，從而引起電導率發生改變的物理現象。光導型探測器是目前種類最多、應用最廣泛的一類制冷紅外探測器。半導體器件工作時，通常要對其附加外部影響（如光場、電場、磁場等），然后觀察半導體中載流子的產生、擴散、漂移、復合等過程所產生的結果，如電壓、電流等。

光伏型探測器簡稱PV探測器，一般由半導體pn結構成。其工作原理是利用結的內建電場將光生載流子掃出結區，形成信號（若光子的能量大于或等于半導體的禁帶寬度，則價帶中的電子吸收光子進入導帶，形成電子-空穴對）。在探測器受到光照時，產生正、負電荷的光生載流子會向相反方向運動，形成電信號，從而產生光伏效應。除了pn結，能夠產生光伏效應的結還有肖特基勢壘結、金屬-絕緣體-半導體結等，使用不同的結，可以制成不同類型的光伏型探測器。

PC探測器是有選擇性響應波長的，只有當入射光子能量大于光敏材料中的電子激活能時，才有響應。對于PV探測器和本征光導型探測器，電子的激活能等于半導體的禁帶寬度；對于非本征PC探測器，電子激活能等于雜質電離能。由于禁帶寬度和雜質電離能這兩個參數都有較大的選擇余地，因此，PC探測器的響應波長可以在較大范圍內進行調節。例如，用本征鍺做成的PC探測器，對近紅外輻射敏感；而用摻雜質的鍺做成的PC探測器，既能對中紅外輻射敏感（如鍺摻汞探測器），也能對遠紅外輻射敏感（如鍺摻鎵探測器）。

冷機提供深低溫（60～150K）工作環境；杜瓦則保證高真空的工作環境。制冷紅外焦平面探測器的研制涉及材料、紅外焦平面芯片、真空封裝、制冷機等多個領域，是極其復雜的系統工程。

以某型號中波制冷紅外焦平面探測器為例，該產品主要由中心距為15μm的中波640× 512 MCT紅外焦平面陣列、640×512 CMOS讀出電路、金屬杜瓦和RS058旋轉整體式斯特林制冷機等部分組成，具有3.7～4.8μm的中波紅外響應功能，主要用于夜視裝備、周視搜索、熱像觀瞄、前視預警、武器導引、防空監視、紅外識別等。

紅外敏感材料的功能是實現紅外輻射光信號轉換。制冷紅外焦平面探測器屬于PC探測器，其功能實現的原理是基于入射光子流與紅外敏感材料相互作用產生的光電效應。光電效應具有選擇性，其響應波段與紅外敏感材料的能帶結構相關?？梢酝ㄟ^對材料的帶隙設計，覆蓋整個紅外波段（1～30μm）的探測需求。按材料帶隙激發的原理不同，材料可分為本征半導體（HgCdTe、InSb等）、非本征半導體（Si:As、Si:Ga、Ge:Hg等）、自由載流子吸收半導體（PtSi、IrSi等），以及超晶格材料（GaAs/AlGaAs量子阱、InAs/GaSb二類超晶格等）四大類。

紅外焦平面陣列制備主要包括對準標記制作、離子注入、鈍化層制備、電極制備、互連銦柱制備。通過倒裝焊互連技術將紅外焦平面陣列與讀出電路進行互連，實現紅外焦平面芯片制備。隨著像元尺寸的減小和面陣規模的增大，互連的凸點尺寸在同步變小，這使得倒裝焊互連的工藝難度更大。通過采用高精度倒焊機和優化工藝能夠有效提高倒裝焊精度和倒裝焊連通率。

制冷紅外焦平面探測器的空間分辨率直接反映影像的清晰度，是其最基本的性能指標之一。提高空間分辨率有兩條途徑：增大面陣規模和減小像元尺寸。隨著半導體材料及芯片加工技術的進步，制冷紅外焦平面探測器的分辨率從單元、線列逐步發展到幾十萬，甚至上百萬像素級別。

碲鋅鎘是高性能碲鎘汞外延不可或缺的襯底材料，早期碲鎘汞紅外敏感器件受限于碲鋅鎘襯底的單晶生長與加工能力，面陣規模難以做大，像元難以做小。隨著大直徑碲鋅鎘晶錠生長技術的突破，目前生長的晶錠直徑已經突破100mm，液相外延生長應用的碲鋅鎘襯底的最大尺寸已經達到60×80mm2[6]。其研究將向大直徑晶錠定向生長、更高的單晶質量（包括低缺陷密度、高組分均勻性等）及更高的加工能力（高平整度、滿足小尺寸像元倒裝焊需求）方面發展；同時，也對液相外延生長技術在厚度、組分一致性控制方面提出更大的挑戰。

編輯：黃飛

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