红外探测器行业深度报告.docx

红外探测器行业深度报告1红外探测器是军工电子的核心元器件1. 1红外线的特点及红外波段的划分自然界的光线按照波长由短到长大致可以分为X光、紫外线、可见 光、红外线、微波等。其中红外线的波长范围在075mT000 m之 间，区别于其他波长的光，红外线的发射不需要特定的发射源。自然 界中所有温度高于绝对零度的物体都在无时无刻地自发地向外辐射红 外线。红外线的这一特点，催生了红外探测技术发展。根据红外光谱可以将红外线分为近红外波段、中红外波段和远红外 波段，对应的波长范围分别为1 口 m-3 m、3 m-40 m> 40 m-1000 mo在红外探测领域，一般按照红外线大气透射情况将红外线分 为近红外波段、短波红外波段、中波红外波段和长波红外波段，对应 的波长范围分别为L 1 口 m-2. 5 m、3 m-5 m, 8 m-14 mo波长在 这些波段以外的红外线大都被大气吸收或散射，很难被探测器识别， 因此红外探测器的红外响应波段和红外线大气透射波段相吻合。L2红外探测器及其工作原理用于探测物体红外辐射信号的电子元件被称为红外探测器。探测器 的核心组成部分为探测器芯片，探测器芯片由MEMS传感器和CMOS读 出电路构成。MEMS传感器用来接收物体的红外辐射并产生响应信号， CMoS读出电路芯片接收MEMS传感器的响应信号，并将其处理为可被后 端成像电路识别的电信号。MEMS的材料不同，接收红外辐射后产生的 响应信号也不同。常见的MEMS材料有两大类，一类是以氧化锐、非晶 硅为代表的常温工作材料，另一类是以硫镉汞、睇化锢、二类超晶格 为代表的低温工作材料。常温工作材料主要利用红外辐射的热效应进 行工作，接收红外辐射后材料的电阻率会改变而产生电信号。低温工 作材料依据光电效应工作，材料接收红外辐射后产生光生载流子而产 生电信号。1. 3红外探测器的分类1. 3.1制冷型红外探测器：碗镉汞使用最为广泛，二类超晶格是未 来的发展方向制冷型红外探测器的MEMS传感器材料为低温工作材料，工作原理 是依据红外辐射产生的光电效应。这类探测器的工作灵敏度很高，多 用于军用高端装备领域和航天探测系统。由于探测器工作时需要低温 环境(70K-200K),该类探测器通常配有小型低温制冷机，另外为了 减少冷量损失，还设计有真空杜瓦结构，因此该类探测器的体积、重 量相对较大。斯特林制冷机是应用最为广泛的红外探测器冷却设备之一。工作原 理基于斯特林制冷循环，气体在绝热膨胀过程中对外做功，自身温度 降低实现制冷。斯特林制冷机具有结构紧凑、工作温度范围宽、启动 快、效率高、操作简单等优点，被广泛的应用于航天探测、精确制导、 红外侦察等领域。斯特林制冷机按照其结构特点可以分为整体式斯特 林制冷机和分置式斯特林制冷机。2021年成功着陆火星的“天问一号” 探测器的矿物光谱分析仪搭载了微型斯特林制冷机。JT制冷机作时需要携带高压气瓶，高压气瓶为制冷机提供高压气 源，气体节流过程中温度下降，实现对探测器的冷却。相比其他制冷 机，JT制冷机最大的特点是不需要电力驱动，因此其结构简单、紧凑。 另外其启动时间也远快于其他类型的制冷机，甚至可以在数秒内达到 制冷温度，常被用于精确制导领域。美国的标枪反坦克导弹、俄罗斯的R73空空导弹、国产的PL-9C空空导弹均采用JT制冷机作为红外冷 却设备。脉管制冷机一端封闭，另一端连接蓄冷器和冷端换热器。当高压气 体进入脉管时，由于压缩而在脉管中形成温度梯度，封闭端温度最高, 压缩热被冷却水带走。在高压气体被抽真空时，在脉管的出口端形成 低温制冷区。脉管制冷机冷端无运动部件，可以到达极低的制冷温度, 常被用于航天领域的探测器组件。国内2018年发射的高分五号卫星搭 载的甚高光谱红外光谱仪采用的制冷机为脉管制冷机。制冷型红外探测器按照MEMS传感器材料的不同可细分为硫镉汞探 测器、睇化锢探测器、量子阱探测器、二类超晶格探测器和量子点探 测器。其中，硫镉汞探测器和睇化锢探测器已经非常成熟，使用最为 广泛。谛镉汞红外探测器是使用最为广泛的制冷型红外探测器之一，其红 外半导体材料为硫镉汞(Hgl-xCdxTe),通过调节Cd组分变化，波长 可完全覆盖短波、中波、长波和甚长波等整个红外波段。硫镉汞材料 的优点是电子有效质量小而本征载流子浓度低，吸收系数大，量子效 率高，因而制成的探测器噪声低，探测率高。缺点是荒、镉、汞三种 材料是通过离子键结合的方式连接的，其相互作用力小。构成元素汞 非常不稳定，容易从硫镉汞材料中逸出从而造成材料的缺陷、材料的 不均匀以及器件性能的不均匀，这是石帝镉汞材料固有的问题，在长波 应用时尤其突出。硫镉汞红外探测器另外一个主要问题是硫镉汞薄膜 材料生长的外延衬底问题，与硫镉汞晶格匹配的衬底是硫锌镉衬底， 但目前市售的确锌镉衬底最大直径大约为90mm,而且成本昂贵。欲获 得更大尺寸的衬底和硫镉汞材料，必须考虑替代衬底以及晶格不匹配 带来的质量问题，对于长波红外探测器而言，替代衬底上生长的长波 硫镉汞材料质量仍然需要进一步改进和提高。镯化锢探测器属于本征吸收，其材料量子效率和响应率极高。因此, 它可以实现极高的热灵敏度和极好的图像质量，目前已成为最重要的 中波红外探测器之一。镯化锢探测器经历了从单元、多元迅速发展到 一维线列和二维面阵的过程，并且正朝着新一代超大规模红外焦平面 阵列器件（低成本、小型化、数字化、智能化和高集化等）的方向发 展。镯化锢红外焦平面探测器的发展有利地促进了红外技术应用的发 展，使红外武器装备性能有了大幅的提高。目前已广泛应用于精确制 导、搜索跟踪、侦察和光电对抗等军事系统，成为光电领域武器系统 的重要组成部分。由于睇化锢材料独特的性质和广阔的应用前景，西方发达国家对该 材料进行了大量的研究，开发了水平区熔法、垂直布里奇曼法、垂直 梯度凝固法、移动加热器法以及切克劳斯基法等多种方法，甚至在磁 场和微重力等环境下开展了镯化锢材料生长实验，获得了大量的研究 成果，使得镯化锢晶体生长技术实现了飞速的发展。近年来，加拿大、 美国和英国等发达国家已经开发出了完善的晶体生长及晶片加工技术, 未来他们朝着更大尺寸以及更低成本的目标发展。国际上镯化锢材料 的供应商包括美国的 GaIaXyCOmPoUndSemiCondUCtOrS （下称 GCS）、 加拿大的Firebird公司和英国的WaferTechnology公司等。GCS公司 和Firebird公司已经实现了 5英寸睇化锢晶片的产品化，并且正在开 展6英寸、8英寸等更大尺寸睇化锢材料的商业化研究。睇化锢材料的 快速发展为推动大规格、高性能、低成本的新一代镯化锢焦平面探测 器的发展奠定了良好的基础。量子阱红外探测器的名称来源于其构成材料在能带结构上构成的电 子或空穴势阱。外来光子引起的电子或空穴跃迁属于子带间跃迁，在 外加电场的作用下载流子被收集形成光电流。目前已经获得稳定生产 并广泛应用的量子阱红外探测器主要是GaAs/AlGaAs量子阱红外探测器。构成元素Ga、AS与AL AS之间是共价键结合，互作用力大，材 料牢固稳定，可耐受天基高能离子辐射，适于制备天基红外探测器。 通过改变材料组分、厚度可方便地调节势阱内的能级位置，器件响应 波长从中波3m到甚长波30m连续可调，按照理论计算，量子阱探 测器能够响应长至200多微米的太赫兹波段。量子阱红外探测器工艺 成熟，大面阵器件性能均匀、稳定，适于产业化。量子阱红外探测器存在的不足之处来源于量子阱红外探测器的工作 方式，因为是子带间跃迁，导带基态的载流子完全靠外部掺杂提供， 通常其数量级最多为1018Cm -3-1019cm 3,与价带提供的电子相 比，数量级差3-4个量级。另外，由于跃迁矩阵元的选择定则，只有 平行于表面的入射光才能被量子阱材料吸收，以上两个原因导致了量 子阱红外探测器量子效率低，约为8%,远远小于破镉汞材料，因此在 相同的积分时间和光学系统条件下，量子阱长波红外探测器性能比降 镉汞长波红外探测器低。量子阱红外探测器存在的另外一个问题是， 为了降低暗电流获得较好的器件性能，量子阱红外探测器通常在较低 的温度下工作，工作温度一般在65K73K范围，导致的问题是提高了 制冷要求，相应地增加了系统的功耗、降低了制冷机的寿命。与稀镉汞材料相比，II类超晶格材料的优势体现在以下几方面：第 一，II类超晶格材料的电子有效质量大，在长波范围约为稀镉汞的3 倍，尤其在甚长波，随着波长增长，碗镉汞的电子有效质量变小，而 类超晶格材料的电子有效质量却不变。由此决定了 类超晶格探测 器带间隧穿电流小，器件暗电流小。第二，通过应变对能带结构的调 节作用，能有效降低俄歇复合，提高载流子有效寿命，提高器件性能。 第三，基于V族材料生长方式，采用先进的MBE薄膜材料生长系统 进行材料生长，衬底采用晶格匹配的GaSb衬底，能够生长大面积均匀 性好的II类超晶格红外探测器材料，包括长波红外探测材料；第四，II类超晶格材料构成元素之间化学键强，材料稳定性好，对工艺的要 求大大降低，器件产业化优势明显，成本可望大大低于破镉汞红外探 测器。量子点红外探测器(QDIPs)于1998年首次被Phillips等人论证, 量子点红外探测器从结构和原理上都类似于量子阱红外探测器，只是 量子阱被量子点取代，在全部空间方向上都有尺寸的限制。量子点红 外探测器的工作原理正是利用量子点的三维量子限制效应，当量子点 束缚态内的电子受到光激发后，在外加偏置压形成的电场作用下，电 子将被收集形成光电流。量子点红外探测器具有很多的理论优势。首 先，量子点对电子有三维限制效应，可以响应垂直入射光；其次，量 子点的有效载流子寿命更长，具有更长的电子弛豫时间，光激发电子 更容易被收集形成光电流，利于响应率和增益的提高；再者，量子点 红外探测器的暗电流小，可以达到高的工作温度、高的响应率和探测 率。1. 3. 2非制冷型红外探测器：氧化锐探测灵敏度更高，已成为主流 路线自1930年以来，制冷型探测器一直占据着红外探测器发展的主导 地位。然而，制冷型探测器所需的低温制冷不但使得探测器价格昂贵, 也使得系统体积增大、使用不便。非制冷红外焦平面探测器无需制冷 装置，能够在室温状态下工作，具有体积小、质量轻、功耗小、寿命 长、成本低、启动快等优点。虽然在灵敏度上不如制冷型红外焦平面 探测器，但非制冷焦平面探测器性能已可满足部分军事装备以及绝大 多数民用技术领域的技术需要。目前，非制冷红外探测器的生产数量 要远远超过制冷型探测器，主要是其民用市场需求量大，另外还可以 满足部分军用市场的需求。非制冷红外探测器按照MEMS传感器材料的 不同可以分为氧化锐红外探测器和非晶硅红外探测器。氧化机红外探测器是非制冷领域应用最为广泛的探测器。其红外半 导体材料为氧化机(VOx),该材料的电阻温度系数较高，为2%-3%/K, 由于其阻值随温度变化幅度较大，因此灵敏度较高。早在20世纪80 年代，美国的Honeywell公司在军方的资助下，开始研究氧化机薄膜, 并于20世纪80年代末研制出非制冷氧化机微测辐射热计红外焦平面 阵列。Honeywell公司将这种原创技术授权给了美国的几家公司，用于发 展和生成商业及军用非制冷焦平面。1994年，美国DRS公司获得 HOneyWen技术许可。两年后，DRS发明了 “伞状”像元结构专利， “伞状”结构由吸收介质薄膜构成，与下面的绝缘体一起可以使辐射 吸收量最大化。其“伞状”结构可以调节从而对其热道和热容进行控 制，使工作波段的红外吸收得到最大，实现最佳响应度和响应时间。 美国雷声视觉系统(RVS)在1999年的研究表明，延长支撑腿的长度 是提高灵敏度的有效方法之一，并在此基础上对像元结构进行了一些 改进，开发了一种多层微幅射热计像元结构，将热绝缘支撑腿和VOX 测辐射热计放置在不同的水平