紅外InAsSb探測器：符合RoHS標(biāo)準(zhǔn)，可替MCT

一談到中紅外探測器，尤其是科研領(lǐng)域應(yīng)用，碲鎘汞MCT探測器一定榜上有名。濱松多年前也曾致力于MCT探測器的推廣，但是濱松現(xiàn)如今推出了新一代InAsSb探測器來全部替代MCT，主要原因如下：1、MCT晶體很難均勻生長，探測器的光敏面以及不同芯片之間D*通常會發(fā)生變化，晶體生長困難增加了探測器成本；2、探測器制冷增加了尺寸和運行功耗；3、MCT含有重金屬元素汞，不符合RoHS標(biāo)準(zhǔn)。

InAsSb探測器的出現(xiàn)就可以很好地解決以上問題。接下來我們通過展示與競爭對手的參數(shù)對比和與同等類型材料的性能對比，用實際數(shù)據(jù)進一步說明濱松InAsSb探測器所能發(fā)揮的優(yōu)勢長處。

濱松InAsSb與同類型材料性能對比

相比于碲鎘汞HgCdTe材料襯底昂貴、大面積組分不均勻，工作需低溫制冷，濱松InAsSb材料均勻性和穩(wěn)定性更好。InAsSb材料具有載流子壽命長、吸收系數(shù)大等優(yōu)點，是一種具有廣闊應(yīng)用前景的中紅外光電材料。InAsSb探測器可以在150K甚至室溫下工作，具有較高的靈敏度和比探測率，是小型化、低功耗、高靈敏度和快響應(yīng)中紅外探測最佳選擇之一。并且完全符合RoHS標(biāo)準(zhǔn)，更容易大規(guī)模制造。

表1 制冷型中紅外探測器材料性能對比

濱松InAsSb與競品對比分析

濱松提供專有的多級TE制冷InAsSb探測器，其受環(huán)境溫度變化影響較小并允許室溫下運行。以下是濱松與競品對比：

圖1 濱松InAsSb探測器（左）與VIGO高性能4級制冷MCT探測器（右）D*對比

對比核心指標(biāo)比探測率D*可以發(fā)現(xiàn)，濱松InAsSb探測器的優(yōu)點在于：

濱松InAsSb探測器1~2 μm波段的D*優(yōu)于VIGO MCT探測器 ；

濱松覆蓋3~8 μm波段C12494-210M的D*和VIGO的PVI-4TE-8基本接近 ；濱松單個探測器的波長響應(yīng)范圍可以覆蓋10 μm以上（C12494-011LH） 。

表2 濱松InAsSb探測器P12691-201G與VIGO MCT探測器PVI-4TE-8對比

通過對勢壘層的設(shè)計和優(yōu)化，濱松的InAsSb探測器P12691-201G 比探測率D*相比VIGO的4級TE制冷探測器PVI-4TE-8高了20%，同時可以實現(xiàn)更高的工作溫度（-30℃），大大降低了對于制冷的要求。在不犧牲探測面積的情況下P12691-201G的帶寬可以做到VIGO的PVI-4TE-8的4倍以上，高達百MHz量級。

圖2 濱松InAsSb探測器P12691-201G產(chǎn)品展示

濱松InAsSb新品預(yù)告

濱松將于2023年上半年推出緊湊型、高性價比、高速響應(yīng)InAsSb探測器模塊P16702-011MN（集成前放）。

圖3 InAsSb探測器模塊P16702-011MN展示

紅外探測器的發(fā)展歷史

講完了中紅外探測器，我們就借此機會回顧一下紅外探測器的百年發(fā)展史，（點擊了解，紅外探測器基礎(chǔ)知識）。

紅外線介于可見光和微波之間，波長范圍0.76~1000 μm。凡是高于絕對零度（0 K，即-273.15℃）的物質(zhì)都可以產(chǎn)生紅外線，也叫黑體輻射。由于紅外肉眼不可見，要察覺這種輻射的存在并測量其強弱離不開紅外探測器。

1800年英國天文學(xué)家威廉·赫胥爾首次發(fā)現(xiàn)了紅外線，隨著后續(xù)對紅外技術(shù)的不斷研究以及半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，紅外探測器得到了迅猛的發(fā)展，先后出現(xiàn)了硫化鉛（PbS）、碲化鉛（PbTe）、銻化銦（InSb）、碲鎘汞（HgCdTe，簡稱MCT）、銦鎵砷（InGaAs）、量子阱（QWIP）、銦砷銻（InAsSb）、二類超晶格（type-II superlattice，簡稱T2SL）、量子級聯(lián)（QCD）等不同材料紅外探測器，如圖所示：

圖4 第一代至第四代紅外探測器發(fā)展路線及大事記[1]

從工作原理來看紅外探測器主要分兩類：熱探測器和光電探測器。熱探測器利用熱電效應(yīng)通過熱電偶將溫度轉(zhuǎn)換為電壓，比如熱電堆、熱電探測器和熱輻射計等。光電探測器通過光電效應(yīng)將紅外信號轉(zhuǎn)換為電信號，比如PbS、PbSe、InGaAs、InAsSb、MCT等。

從材料來看紅外探測器主要有兩大類：以氧化釩、非晶硅為代表的非制冷型材料；以MCT、InSb、T2SL等為代表的制冷型材料。非制冷型材料主要利用紅外輻射熱效應(yīng)進行工作，制冷型材料主要利用光電效應(yīng)工作。

表3 制冷型和非制冷型紅外探測器對比

從波長范圍來看常見的紅外探測器及響應(yīng)波段如下表所示：

表4 典型紅外探測器響應(yīng)波段

濱松紅外探測器分類及介紹

濱松紅外探測器可以實現(xiàn)近紅外到長波紅外（0.7~15 μm）全系列覆蓋，包括常見的Si、InAs、InSb、InAsSb、T2SL、QCD以及熱電堆探測器。

圖5 濱松紅外探測器分類及波長范圍

參考文獻：

[1] Rogalski A. Next decade in infrared detectors[C]//Proc of SPIE, 2017, 10433: 104330 L.

關(guān)于中紅外探測器系列文章的第一篇到此就已經(jīng)結(jié)束了，后面我們還會陸續(xù)介紹濱松的二類超晶格T2SL探測器和量子級聯(lián)QCD探測器大家敬請期待。如果有任何問題都可以在評論區(qū)提問，以下濱松中國產(chǎn)品技術(shù)工程師會第一時間為您解答。

審核編輯黃宇