半導(dǎo)體光電探測器的新進(jìn)展

1、半導(dǎo)體光電探測器的新進(jìn)展摘要半導(dǎo)體光電探測是半導(dǎo)體光電子學(xué)的重要部分，半導(dǎo)體光電探測器在光纖通信，紅外遙感等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。本文介紹了幾種最新的半導(dǎo)體光電探測器結(jié)構(gòu)，旨在探討國內(nèi)外當(dāng)前半導(dǎo)體光電探測器的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢。關(guān)鍵詞：光電探測器，位敏探測器，紅外探測器AbstractSemiconductorphotoelectricdetectionisanimportantpartofthesemiconductoroptoelectronics,semiconductorphotodetectorarewidelyusedinthefieldofopticalfibercommunicat

2、ions,infraredremotesensing.Thisarticledescribesseveralnewsemiconductorphotodetectorstructure,aimstoexplorethecurrentstatusanddevelopmenttrendsofthesemiconductorphotodetector.Keywords:Photodetector,Positionsensitivedetector,Infrareddetectors一、引言半導(dǎo)體光電探測器是利用半導(dǎo)體材料的光電效應(yīng)來接收和探測光信號的器件，它通過吸收光子產(chǎn)生電子-空穴對，從而在外電路

3、產(chǎn)生與入射光強(qiáng)度成正比的光電流以方便測量入射光。半導(dǎo)體光電探測器由于體積小，重量輕，響應(yīng)速度快，靈敏度高，易于與其他半導(dǎo)體器件集成，是光源的最理想探測器，可廣泛用于光通信、信號處理、傳感系統(tǒng)和測量系統(tǒng)。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是光電子技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代武器裝備的精度和性能有了很大的提高，使現(xiàn)代戰(zhàn)爭具備了新的特點(diǎn)。半導(dǎo)體光電探測器是軍用光電子設(shè)備和系統(tǒng)的關(guān)鍵器件，已廣泛用于軍事領(lǐng)域。軍用光電子設(shè)備是指利用半導(dǎo)體光電探測器探測、變換、傳輸、存儲(chǔ)、處理光和輻射的各種軍事裝置，半導(dǎo)體光電探測器技術(shù)在軍事上的應(yīng)用，大大擴(kuò)展了作戰(zhàn)的時(shí)域、空域和頻域，影響和改變了傳統(tǒng)的作戰(zhàn)方式和效率，并在許多方面提高了武

4、器的威力、作戰(zhàn)指揮、戰(zhàn)場管理能力。半導(dǎo)體光電探測器器件在新型武器系統(tǒng)中起著不可替代的作用。目前，半導(dǎo)體光電探測器已有很大進(jìn)展，這將大大提高軍用光電子裝備的性能和競爭力。在軍事領(lǐng)域中，最為廣泛應(yīng)用的半導(dǎo)體光電探測器是光電探測器（PD）、位敏探測器（PSD）和紅外探測器。二、光電探測器最新進(jìn)展近年來光電探測器的研究引起人們的重視，在標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝下的Si光電探測器的發(fā)展更是取得了矚目的結(jié)果。2005是CMOS發(fā)表的量較大的時(shí)期，同時(shí)在這一階段的光電探測器的發(fā)展也呈現(xiàn)逐年上升趨勢，光電探測器的的應(yīng)用范圍也在逐步的擴(kuò)大，為我們以后的研究開發(fā)奠定了一定的發(fā)展空間。在現(xiàn)在這個(gè)注重創(chuàng)新與節(jié)能的時(shí)代，光電探

5、測器的有著不可替代的作用，在工業(yè)及軍事等各個(gè)領(lǐng)域都有著廣闊的發(fā)展前景。2.1 硅基光電探測器1本節(jié)介紹PIN光電探測器、N阱/P襯底光電探測器、P+/N阱/P襯底雙光電探測器和空間調(diào)制探測器。其中，響應(yīng)度高響應(yīng)速度快的PIN光電探測器雖然是硅基光電探測器，但是由于其中加入了本征層，不能與標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝兼容。1、PIN光電探測器在光電探測器的P型區(qū)域和N型區(qū)域之間加入一層本征層就形成了PIN光電探測器，由于本征層的加入耗盡區(qū)的寬度大大提高，進(jìn)而提高了PIN光電探測器的性能，下面介紹的PIN光電探測器的PN結(jié)是橫向的，所以稱為橫向PIN光電探測器。制作橫向PIN光電探測器的Si襯底是未摻雜的，所

6、以襯底電阻率較Si襯底形成，由于本征襯底是未摻雜的，所以PIN電探測器具有比較寬的耗盡區(qū)，因而具有比較大的量子效率和較高的響應(yīng)度。然而，在橫向結(jié)構(gòu)的PIN探測器中，電場強(qiáng)度由表面到內(nèi)部迅速減小，也就是說探測器的表面集中了大部分的電場強(qiáng)度。在低頻下，橫向PIN測器的響應(yīng)度是比較高的，但只有在表面處生成的光生載流子才是快速載流子，可以工作在高速率下。而在襯底中產(chǎn)生的載流子因?yàn)橥ㄟ^擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)到達(dá)電極，從而很大程度上削弱了PIN光電探測器的性能。此外，由于標(biāo)CMOS工藝中的襯底材料通常為P型的，所以采用本征襯底的橫向PIN光電探測器與標(biāo)準(zhǔn)的CMOS工藝不兼容。2、N阱/P襯底光電探測器N阱/P襯底結(jié)構(gòu)的

7、光電探測器是利用N阱與P襯底形成的PN結(jié)二極管來形成光生電流信號。在入射光照射下，該光電探測器的光生電流主要由P襯底擴(kuò)散電流、N阱擴(kuò)散電流和PN結(jié)耗盡區(qū)漂移電流所構(gòu)成。對于波長為850nm的入射光，硅襯底的吸收深度約為二十微米，這導(dǎo)致襯底擴(kuò)散電流占據(jù)了總光生電流的較大比例，由于襯底深處的載流子擴(kuò)散時(shí)間過長，因而阱擴(kuò)散電流來說，由于在亞微米CMOS工藝中阱區(qū)域產(chǎn)生的光生載流子在到達(dá)耗盡區(qū)之前擴(kuò)散距離端擴(kuò)散時(shí)間少。通常來講，N阱擴(kuò)散電流的本征帶寬可達(dá)到數(shù)百兆赫茲。但與吸收深度相比，阱的阱深太淺，產(chǎn)生的光生載流子較少，因而響應(yīng)度比較低。N阱擴(kuò)散電流帶寬與漂移電流相比，N阱擴(kuò)散電流的本征帶寬仍相對較低

8、。3、叉指型P+/N阱/P襯底雙光電探測器由上一小節(jié)的敘述，由于CMOS工藝中P襯底中產(chǎn)生的載流子通過擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)達(dá)到電極，其擴(kuò)散速度和本征帶寬都非常差，因此要想提高光電探測器的本征帶寬必須將P襯底產(chǎn)生的光生載流子消除。為了避免漂移區(qū)外襯底產(chǎn)生的擴(kuò)散光生載流子的對探測器速度的影響，并且在標(biāo)準(zhǔn)CMOS下不增加工藝的復(fù)雜度。在叉指型雙光電二極管中，叉指P+區(qū)域和N阱構(gòu)成一個(gè)叉指二極管，稱為工作二極管；N阱區(qū)域和P襯底構(gòu)成一個(gè)二極管，叫做屏蔽二極管。在標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝中，不需要做任何修改就可以實(shí)現(xiàn)該光電探測器。當(dāng)雙光電探測器工作時(shí)，N阱接到接收機(jī)接收的電源電壓，P+區(qū)域和接收機(jī)的輸入端連接，而P襯底和接

9、收機(jī)的“地”連接。由于屏蔽二極管的兩個(gè)電極與接收機(jī)的電源電壓和地連接，所以產(chǎn)生在P襯底的擴(kuò)散載流子流進(jìn)了接收機(jī)的電源，沒有對光接收機(jī)的輸入光電流產(chǎn)生貢獻(xiàn)。而由P+和N阱構(gòu)成的二極管的本身響應(yīng)速度比較高，它產(chǎn)生的光電流輸入光接收機(jī)，形成光響應(yīng)。由于P+區(qū)域使用叉指形狀，能夠增加耗盡區(qū)的面積，提高工作二極管的響應(yīng)度。4、空間調(diào)制光電探測器由于CMOS工藝襯底深處的慢載流子的影響，光電探測器的響應(yīng)速度不能提高，為了提高光電探測器的響應(yīng)速度，必須抑制或去除襯底深處的慢載流子。在標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝下，空間調(diào)制光電探測器便使用了這種原理從而提高了探測器的工作速度?？臻g調(diào)制光電探測器由一個(gè)受光光電探測器和一個(gè)

10、非受光光電探測器組成，由于襯底產(chǎn)生的低速載流子被探測器通過光電流之差消除，所以空間調(diào)制探測器的工作速度得到了明顯的提高?？臻g調(diào)制光電探測器的結(jié)構(gòu)能夠兼容與商用CMOS工藝。2.2常見的標(biāo)準(zhǔn)CMOS光電探測器23常見的光電探測器均是基于PN結(jié)來構(gòu)造的，其原理是利用型半導(dǎo)體區(qū)域形成的PN結(jié)耗盡區(qū)（即光電二極管）來進(jìn)行光信號探測。1、N+/PWELL光電探測器常見的標(biāo)準(zhǔn)CMOS光電探測器原理是減小P-SUB區(qū)慢擴(kuò)散光生載流子的影響，利用PWELL形成的PN結(jié)耗盡區(qū)來形成具有較高本征帶寬的光生電流信號，但由于是制作在P-SUBP-SUB都是/PWELL光電探測器不能實(shí)現(xiàn)與P-SUB有效隔離，即P-SU

11、BPWELL形成的PN結(jié)耗盡區(qū)并形成光生電流，因而本征帶寬不是很高。2、P/NWELL/P-SUBCMOS雙光電探測器當(dāng)該雙光電探測器處于工作狀態(tài)時(shí)，P+區(qū)的引出電極為輸出端，NWELL的引出電極連接電源（VDD）,P-SUB的引出電極則連接至地（GND）。此時(shí)兩個(gè)二極管均處于反偏狀態(tài)。由于電源和地均等效為交流地，故在交流狀態(tài)下NWELL/P-SUB屏蔽二極管完全被短路至交流地。由于P-SUB區(qū)光生載流子完全被屏蔽二極管所吸收，不能擴(kuò)散到工作二極管區(qū)域，因而P-SUB區(qū)光生載流子形成的擴(kuò)散電流完全被短路至交流地，從而徹底消除了P-SUB區(qū)慢擴(kuò)散載流子對光電探測器響應(yīng)速度的限制。此外，該雙光電探

12、測器還利用插指型P+區(qū)使工作二極管的PN耗盡區(qū)最大化，從而可迅速地收集工作二極管區(qū)域內(nèi)的光生載流子，使光電探測器的響應(yīng)度和本征帶寬得到了進(jìn)一步提高。3、差分光電探測器該全差分光電探測器由兩個(gè)形狀和尺寸完全相同且對稱的方形P+/NWELL/P-SUB雙光電二極管組成，且每個(gè)雙光電二極管的受光區(qū)域面積為總受光區(qū)域面積的一半。由P/NWELL/P-SUBCMOS雙光電探測器的工作原理可得該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是避免慢光生載流子大大降低光電探測器的本征帶寬和光信號探測速度。提高了響應(yīng)度。但不足之處是設(shè)計(jì)較為簡單，不能達(dá)到較好的全差分特性。2.3諧振腔增強(qiáng)型光電探測器451、PINRCE光電探測器該類型的探測器能

13、夠成為高速光電探測的首要選擇的器件，主要基于其噪聲小、暗電流特性好。工作波長在1.55卩左右，入射光垂直進(jìn)入器件，上下反射鏡都是由Brag反射鏡構(gòu)成，合理的優(yōu)化設(shè)計(jì)反射鏡的堆棧結(jié)構(gòu)，調(diào)整頂部反射鏡、底部反射鏡的反射率，以及諧振腔腔體的尺寸厚度，使得器件的量子效率達(dá)到最大值。2、RCE肖特基光電探測器RCE肖特基光電探測器是首批被報(bào)道的RCE器件之一。光從頂層入射時(shí)金屬層的透光較差，所以頂層應(yīng)換成半透明層肖特基接觸。近年來諧振腔增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的光電探測器是光電子器件的主要新種類，它很好的解決了普通光電二極管量子效率和帶寬間相互約束的關(guān)系，所以RCE光電探測器對肖特基型光電檢測器具有很大的影響力?，F(xiàn)已報(bào)

14、道光電二極管的3dB響應(yīng)帶寬可做到100GHz,其采用的諧振腔結(jié)構(gòu)。采用分子束外延法MBE來生長反射鏡結(jié)構(gòu)，頂層反射鏡為Au接觸層，在Au接觸層上再淀積一層Si3N4增透膜來增加透光，底層反射鏡是由AlAs-GaAs材料組成DBR反射鏡結(jié)構(gòu)。并通過合理的優(yōu)化設(shè)計(jì)InGaAs吸收層在諧振腔腔體中的位置，使得光生載流子的輸運(yùn)時(shí)間最短，從而提高探測器的響應(yīng)速率。3、金屬/半導(dǎo)體/金屬（MSM）結(jié)構(gòu)的RCE光探測器MSM結(jié)構(gòu)基于其平面配置結(jié)構(gòu)電極，本身電容較小，極易獲得高的響應(yīng)帶寬（2050GHz），諧振微腔的引入，進(jìn)一步縮小了器件的響應(yīng)光譜寬1nm）。雖然響應(yīng)帶寬較高，但量子效率仍然不高。4、RCE

15、雪崩光電二極管（APD）RCE雪崩光電二極管的結(jié)構(gòu)也得到很大的關(guān)注和研究，并有相應(yīng)的成果展。電子在躍遷的過程中得到足夠多的能量，同時(shí)在電場的作用力下加速，形成碰撞電離，形成的電子-空穴對在電場的作用下加速，進(jìn)而產(chǎn)生更多的電子-空穴對，這就是二極管的雪崩倍增效應(yīng)，使得光電二極管在低壓下即可獲得較大增益，增益區(qū)電場強(qiáng)度得到了增強(qiáng)，器件可在小功率下工作?，F(xiàn)在，已報(bào)道的實(shí)際測得的RCE光電探測器最好的性能指標(biāo)為：量子效率73%，光譜響應(yīng)半峰寬為1.7nm，接近理論上的極值，很難在保持量子效率很高的同時(shí)獲得窄的譜線寬。另外，由于駐波效應(yīng)的影響，吸收層的位置也會(huì)對量子效率造成影響。當(dāng)吸收層非常薄時(shí)（200

16、nm），可采用改變諧振腔的腔長或者材料來進(jìn)行調(diào)諧時(shí)，吸收層位置的微小移動(dòng)將會(huì)影響吸收層中的光電場分布在最值的之間波動(dòng)，影響器件的量子效率。5、SOI基CMOSRCE光電探測器普通的RCE光電探測器利用VCSEL激光器提供光源，其入射光方式都是垂直入射，在襯底上依次生長底層DBR層、吸收層、頂層DBR。為了結(jié)構(gòu)的簡單，有些頂層DBR直接利用空氣與半導(dǎo)體界面的反射，其反射率約為34%。SOI基CMOSRCE光探測器的DBR頂鏡反射鏡采用Si組成，底部反射鏡由材料本身的埋氧化層厚度決定，PN結(jié)的耗盡區(qū)作為器件的吸收層，來設(shè)計(jì)850nm通信波段的RCE光探測器。入射光透過頂部反射鏡進(jìn)入諧振腔，在上下反

17、射鏡構(gòu)成的諧振腔作用下光在其中來回的行進(jìn)，若腔體設(shè)計(jì)合理，可使得光波得到諧振增強(qiáng)，耗盡層中吸收的光能量轉(zhuǎn)化為電信號輸出。目前，隨著光纖通信、紅外遙感和軍事應(yīng)用需求的不斷增長促進(jìn)了半導(dǎo)體光電器件及其光電路的發(fā)展。圍繞著光電系統(tǒng)開展各種關(guān)鍵技術(shù)研究，以實(shí)現(xiàn)具有高集成度、高性能、低功耗和低成本的光電探測器。光電探測器作為光纖通信中解復(fù)用接受技術(shù)的關(guān)鍵器件之一，未來應(yīng)該具有一些鮮明的特點(diǎn)：信道中心波長位置可以調(diào)諧、高速、單片集成，相應(yīng)的其他一些特點(diǎn)也應(yīng)該具有：信道波長的分辨能力強(qiáng)、調(diào)諧時(shí)間短、溫度穩(wěn)定性高、結(jié)構(gòu)密集，成本低等。響應(yīng)度與量子效率之間相互約束的問題不僅在RCE光電探測器這種結(jié)構(gòu)的器件上得以

18、解決，同時(shí)還使其具有量子效率高、響應(yīng)度高以及波長選擇等特性，成就了諧振腔型光電探測器的在WDM系統(tǒng)中的解復(fù)用接受應(yīng)用的理想選擇。不過，還有部分需要改進(jìn)，如可調(diào)諧、較好的通帶性能、易于集成等。所以，還是需要進(jìn)一步的研究RCE光電探測器的性能，以期這些特性的實(shí)現(xiàn)6。三、紅外探測器最新進(jìn)展紅外探測器的發(fā)展基礎(chǔ)是物理學(xué)和技術(shù)科學(xué)的進(jìn)展。HgCdTeFPA和非制冷焦平面陣列，軍事裝備和廣闊的民用市場需求推動(dòng)探測器技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展。所有物體均發(fā)射與其溫度和特性相關(guān)的熱輻射，環(huán)境溫度附近物體的熱輻射大多位于紅外波段。紅外輻射占據(jù)相當(dāng)寬的電磁波段（0.8卩m1000pm）。可知，紅外輻射提供了客觀世界的豐富信息

19、，充分利用這些信息是人們追求的目標(biāo)。將不可見的紅外輻射轉(zhuǎn)換成可測量的信號的器件就是紅外探測器。探測器作為紅外整機(jī)系統(tǒng)的核心關(guān)鍵部件，探測、識(shí)別和分析紅外信息并加以控制。熱成像是紅外技術(shù)的一個(gè)重要方面，得到了廣泛應(yīng)用，首要的當(dāng)屬軍事應(yīng)用。反之，由于應(yīng)用的驅(qū)使，紅外探測器的研究、開發(fā)乃至生產(chǎn)，越來越受重視而得以長足發(fā)展。1800年Herschel發(fā)現(xiàn)太陽光譜中的紅外線用的涂黑水銀溫度計(jì)為最早的紅外探測器，此后，尤其是二次大戰(zhàn)以來，不斷出現(xiàn)新器件?，F(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)展提供紅外探測器研制的廣闊天地，高性能新型探測器層出不窮。今天的探測器制備已成為涉及物理、材料等基礎(chǔ)科學(xué)和光、機(jī)、微電子和計(jì)算機(jī)等多領(lǐng)域的

20、綜合科學(xué)技術(shù)。3.1 物理學(xué)的進(jìn)展是紅外探測器的基礎(chǔ)7紅外輻射與物質(zhì)(材料)相互作用產(chǎn)生各種效應(yīng)。100多年來，從經(jīng)典物理到20世紀(jì)開創(chuàng)的近代物理，特別是量子力學(xué)、半導(dǎo)體物理等學(xué)科的創(chuàng)立，到現(xiàn)代的介觀物理、低維結(jié)構(gòu)物理等等，有許多而且越來越多可用于紅外探測的物理現(xiàn)象和效應(yīng)。3.2 新技術(shù)飛速發(fā)展促進(jìn)紅外探測器更新?lián)Q代760年代以前多為單元探測器掃描成像，但靈敏度低，二維掃描系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜笨重。增加探測元，例如有N元組成的探測器，靈敏度增加N1/2倍，一個(gè)MxN陣列，靈敏度增長(MxN)l/2倍。元數(shù)增加還將簡化光機(jī)掃描機(jī)構(gòu)，大規(guī)模凝視焦平面陣列，不再需要光機(jī)掃描，大大簡化整機(jī)系統(tǒng)。現(xiàn)代探測器技術(shù)

21、進(jìn)入第二、第三代，重要標(biāo)志之一就是元數(shù)大大增加。另一方面是開發(fā)同時(shí)覆蓋兩個(gè)波段以上的雙色和多光譜探測器。所有進(jìn)展都離不開新技術(shù)特別是半導(dǎo)體技術(shù)的開發(fā)和進(jìn)步。幾項(xiàng)具有里程碑意義的技術(shù)有：(1) 半導(dǎo)體精密光刻技術(shù)使探測器技術(shù)由單元向多元線列探測器迅速發(fā)展，即后來稱為第一代探測器。(2) Si集成電路技術(shù)Si讀出電路與光敏元大面陣耦合，誕生了所謂第二代的大規(guī)模紅外焦平面陣列探測器。更進(jìn)一步有Z平面和靈巧型智能探測器等新品種。此項(xiàng)技術(shù)還誘導(dǎo)產(chǎn)生非制冷焦平面陣列，使一度冷落的熱探測器重現(xiàn)勃勃生機(jī)。(3) 先進(jìn)的薄層材料生長技術(shù)分子束外延、金屬有機(jī)化學(xué)汽相淀積和液相外延等技術(shù)可重復(fù)、精密控制生長大面積高

22、度均勻材料，使制備大規(guī)模紅外焦平面陣列成為可能。也是量子阱探測器出現(xiàn)的前提。(4) 微型制冷技術(shù)高性能探測器低溫要求驅(qū)動(dòng)微型制冷機(jī)的開發(fā)，制冷技術(shù)又促進(jìn)了探測器的研制和應(yīng)用。我國紅外探測器研制從1958年開始，至今已40多年。先后研制過PbS、PbSe、Ge:Au、Ge:Hg、InSb、PbSnTe、HgCdTe、PtSi/Si、GaAs/AlGaAs量子阱和熱釋電探測器等。隨著低維材料出現(xiàn)，納米電子學(xué)、光電一體化等技術(shù)日新月異，21世紀(jì)紅外探測器必有革命性的進(jìn)展。物理學(xué)及材料科學(xué)是現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展的主要基礎(chǔ)，現(xiàn)代技術(shù)飛速發(fā)展對物理學(xué)研究又有巨大的反作用。3.3 高性能紅外探測器-碲鎘汞探測器81

23、959年，英國Lawson等首先制成可變帶隙HglxCdxTe固溶體合金，提供了紅外探測器設(shè)計(jì)空前的自由度。碲鎘汞有三大優(yōu)勢：1)本征激發(fā)、高的吸收系數(shù)和高的量子效率(可超過80%)且有高的探測率；2)其最吸引人的特性是改變Hg、Cd配比調(diào)節(jié)響應(yīng)波段，可以工作在各個(gè)紅外光譜區(qū)段并獲得最佳性能。而且晶格參數(shù)幾乎恒定不變，對制備復(fù)合禁帶異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)新器件特別重要，3)同樣的響應(yīng)波段，工作溫度較高，可工作的溫度范圍也較寬碲鎘汞中，弱HgTe鍵(比CdTe鍵弱約30%)，可通過熱處理或特定途徑形成P或N型,并可完成轉(zhuǎn)型。其電學(xué)性質(zhì)如1載流子濃度低，2少數(shù)載流子壽命長，3電子空穴有效質(zhì)量比大，電子遷移率高

24、，4介電常數(shù)小等有利于探測器性能。第一代碲鎘汞探測器主要是多元光導(dǎo)型，美國采用60、120和180元光導(dǎo)探測器作為熱像儀通用組件，英國則以70年代中期開發(fā)的SPRITE為通用組件。SPRITE是一種三電極光導(dǎo)器件，利用半導(dǎo)體中非平衡載流子掃出效應(yīng)，當(dāng)光點(diǎn)掃描速度與載流子雙極漂移速度匹配，使探測器在完成輻射探測的同時(shí)實(shí)現(xiàn)信號的時(shí)間延遲積分功能。8條SPRIET的性能可相當(dāng)100元以上的多元探測器。結(jié)構(gòu)、制備工藝和后續(xù)電子學(xué)大大簡化?，F(xiàn)有技術(shù)又克服了高光機(jī)掃描速度和空間分辨率受限制等兩個(gè)缺陷。1992年誕生了第一臺(tái)國產(chǎn)化通用組件高性能熱像儀，SPRITE探測器研制成功是關(guān)鍵。到90年代初，第一代碲

25、鎘汞光導(dǎo)探測器紛紛完成技術(shù)鑒定，性能達(dá)到世界先進(jìn)水平。兵器工業(yè)211所的SPRITE、32和60元探測器已實(shí)用化并投入批量生產(chǎn)，規(guī)模和市場不斷擴(kuò)大。國外在80年代就已大批量生產(chǎn)。由于電極、杜瓦瓶設(shè)計(jì)和制冷機(jī)方面的重重困難，第一代碲鎘汞探測器元數(shù)一般無法超過200。大的碲鎘汞光敏陣列和Si讀出集成電路分別制備并最佳化，然后兩者進(jìn)行電學(xué)耦合和機(jī)械聯(lián)結(jié)形成混合式焦平面陣列，就是第二代碲鎘汞探測器。目前國際上已研制出256x256甚至640x480規(guī)模的長波IRFPA。中波紅外已有用于天文的1024x1024的規(guī)模，現(xiàn)階段典型產(chǎn)品是法國的4N系列288x4掃描式FPA。國內(nèi)仍處于研制開發(fā)階段。晶體碲鎘

26、汞材料也有鮮明的弱勢：1相圖液線和固線分離大，分凝引起徑向、縱向組分不均勻；2高Hg壓使大直徑晶體生長困難，晶格結(jié)構(gòu)完整性差；3重復(fù)生產(chǎn)成品率低。薄膜材料的困難在于難以獲得理想的CdZnTe襯底材料。人們致力于研究替代襯底，日本和法國還報(bào)道Ge襯底，目標(biāo)是與MCT的晶格匹配并有利于與Si讀出線路的耦合。優(yōu)質(zhì)碲鎘汞材料制備困難、均勻性差、器件工藝特殊，成品率低，因而成本高一直是困擾碲鎘汞IRFPA的主要障礙。人們始終沒有放棄尋找材料的努力，但迄今還沒有一種新材料能超過碲鎘汞的基本優(yōu)點(diǎn)。為滿足軍事應(yīng)用更高的性能要求，碲鎘汞FPA仍然是首選探測器。3.4非致冷焦平面陣列(UFPA)紅外探測器非制冷焦

27、平面陣列省去了昂貴的低溫制冷系統(tǒng)和復(fù)雜的掃描裝置，敏感器件以熱探測器為主。突破了歷來熱像儀成本高昂的障礙，"使傳感器領(lǐng)域發(fā)生變革"。另外，它的可靠性也大大提高、維護(hù)簡單、工作壽命延長，因?yàn)榈蜏刂评湎到y(tǒng)和復(fù)雜掃描裝置常常是紅外系統(tǒng)的故障源。非致冷探測器的靈敏度(D)比低溫碲鎘汞要小1個(gè)量級以上，但是以大的焦平面陣列來彌補(bǔ)，便可和第一代MCT探測器爭雄。對許多應(yīng)用，特別是監(jiān)視與夜視而言已經(jīng)足夠。廣闊的準(zhǔn)軍事和民用市場更是它施展拳腳的領(lǐng)域。為避免大量投資，把硅集成電路工藝引入低成本、非制冷紅外探測器開發(fā)生產(chǎn)，制造大型高密度陣列和推進(jìn)系統(tǒng)集成化的信號處理，即大規(guī)模焦平面陣列技術(shù)，潛

28、力十分巨大。正因?yàn)槿绱耍瑔卧阅茌^低的熱電探測器又重新引人注目，而且可能成為21世紀(jì)最具競爭力的探測器之一。目前發(fā)展最快、前景看好的有兩類UFPA：(1) 熱釋電FPA。熱釋電探測器的研究早在60年代和70年代就頗為盛行，有過多種材料，較新型的有鈦酸鍶鋇(BST)陶瓷和鈦酸鈧鉛(PST)等。美國TI公司推出的328x240鈦酸鍶鋇(BST)FPA已形成產(chǎn)品，NETD優(yōu)于0.1K，有多種應(yīng)用。計(jì)劃中還有640x480的FPA,發(fā)展趨勢是將鐵電材料薄膜淀積于硅片上，制成單片式熱釋電焦平面，有很高的潛在性能，可望實(shí)現(xiàn)1000x1000陣列的優(yōu)質(zhì)成像。(2) 微測輻射熱計(jì)。它是在IC-CMOS硅片上以

29、淀積技術(shù)，用Si3N4支撐有高電阻溫度系數(shù)和高電阻率的熱敏電阻材料VOX或a-Si,做成微橋結(jié)構(gòu)器件(單片式FPA)。接收熱輻射引起溫度變化而改變阻值，直流耦合無須斬波器，僅需一半導(dǎo)體制冷器保持其穩(wěn)定的工作溫度。90年代初，由Honeywell公司首先開發(fā)，研制成工作在8ym14ym的320x240UFPA，并以此制成實(shí)用的熱像系統(tǒng)，NETD已達(dá)到0.1K以下，可望在近期達(dá)到0.02K。此類FPA90年代發(fā)展神速，成為熱點(diǎn)。與熱釋電UFPA比較，微測輻射熱計(jì)采用硅集成工藝，制造成本低廉；有好的線性響應(yīng)和高的動(dòng)態(tài)范圍；像元間好的絕緣而有低的串音和圖像模糊；低的1/f噪聲；以及高的幀速和潛在高靈敏

30、度(理論NETD可達(dá)0.01K)。其偏置功率受耗散功率限制和大的噪聲帶寬不足以與熱釋電相比。3.5紅外探測器技術(shù)的發(fā)展10歷史上，紅外探測器的發(fā)展得益于戰(zhàn)爭尤其是二次大戰(zhàn)的刺激。隨后的冷戰(zhàn)時(shí)期，到現(xiàn)今的局部戰(zhàn)爭，人們不斷加深對紅外探測器重要性的認(rèn)識(shí)。至今，軍事應(yīng)用仍占整個(gè)紅外敏感器市場的75%。更高的性能指標(biāo)和降低成本對紅外技術(shù)提出了愈來愈高的要求。由于民用需求的急劇增長，軍事應(yīng)用的比例正在穩(wěn)步減小。據(jù)美國市場調(diào)查，到2002年軍事應(yīng)用將下降到50%以下。今后焦平面紅外圖像系統(tǒng)及傳感器的需求量會(huì)繼續(xù)增長，年增長率將達(dá)29%。軍事應(yīng)用中的商用成品有望每年增加15%。估計(jì)增長最快的將是非制冷焦平面系統(tǒng)，年增長率將超過60%。2002年美國紅外技術(shù)市場將達(dá)到12億美元。據(jù)中國光學(xué)學(xué)會(huì)預(yù)測，今后5年，我國熱像設(shè)備總數(shù)在4萬臺(tái)左右，而年自產(chǎn)不足500臺(tái)。所有這些，勢必使21世紀(jì)的紅外科學(xué)技術(shù)加速開拓前進(jìn)，首先是紅外探測器技術(shù)的突飛猛進(jìn)。四、位敏探測器最新進(jìn)展位敏探測器（PSD）是一種重要的光傳感器。薄膜型晶硅基分離器件具有很多優(yōu)點(diǎn)，其中主要優(yōu)點(diǎn)是有潛力制作大面積器件而沒有內(nèi)部中斷或分界面，以便它們對光輸進(jìn)信息提供連續(xù)的傳感。PSD用于準(zhǔn)直、光處