什么是紅外輻射？紅外探測(cè)器的分類

文章來(lái)源：半導(dǎo)體全解

原文作者：圓圓De圓

紅外輻射是波長(zhǎng)介于可見(jiàn)光與微波之間的電磁波，人眼察覺(jué)不到，紅外探測(cè)器是可以將入射的紅外輻射信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)輸出的器件，幫助人們看見(jiàn)未知的世界。本文將從分類、波段、材料等方面帶大家詳細(xì)了解紅外探測(cè)器。

什么是紅外輻射

為什么人們沐浴在陽(yáng)光下，就會(huì)感覺(jué)到溫暖?答案是紅外輻射效應(yīng)。早在1800年，來(lái)自英國(guó)的天文學(xué)家Mr.William Herschel用棱鏡將太陽(yáng)光分成七個(gè)單色光時(shí)，發(fā)現(xiàn)在紅色光外的黑暗區(qū)域，溫度反而更高，反復(fù)實(shí)驗(yàn)證明，在紅外光一側(cè)，存在一種肉眼不可見(jiàn)的“熱線”，后來(lái)稱為紅外線，也就是紅外輻射，英文名“infrared”。

至此，人類對(duì)電磁波波段的認(rèn)知又增加了非常寬的范圍，它存在于可見(jiàn)光和微波波段之間，介于0.75-1000μm的波長(zhǎng)范圍，與γ射線、X射線、紫外線、可見(jiàn)光、微波、以及無(wú)線電波等共同構(gòu)成電磁波帶。

當(dāng)溫度(紅外輻射)從天空照射到地面時(shí)，需穿透大氣中的氣體，包裹地球的大氣主要由氣體(N2、O2、CO2、H2O、CH4、CO、O3……)、懸浮的各種尺度微粒塵埃、水滴等組成氣溶膠，并對(duì)在大氣層中傳輸?shù)哪承┨囟úǘ蔚碾姶挪óa(chǎn)生反射、散射和吸收作用，使得電磁波輻射出現(xiàn)衰減。

各電磁波衰減的程度不盡相同，透射率也不同，把受到大氣衰減作用小，電磁波透過(guò)率高的波段叫做大氣窗口。

上圖顯示了紅外波段不同波長(zhǎng)的電磁輻射在大氣中傳輸?shù)耐干渎省?.4-2.5μm的短波紅外，3.0-5.0μm的中波紅外和8.0-14.0μm的長(zhǎng)波紅外窗口，是紅外探測(cè)最重要的三個(gè)大氣窗口，在紅外探測(cè)和遙感中應(yīng)用廣泛。

紅外探測(cè)器分類

如果人類的眼睛可以感知紅外光，那么這個(gè)世界會(huì)呈現(xiàn)出可見(jiàn)光條件無(wú)法發(fā)現(xiàn)的各種特征，眼睛可輕易看清一片漆黑中的人和物，體溫較高的人可瞬間被眼睛識(shí)別，物體結(jié)構(gòu)中的薄弱位置也會(huì)被眼睛發(fā)現(xiàn)。

實(shí)際上，人類的眼睛只能感知可見(jiàn)光，需要借助紅外輻射能量的轉(zhuǎn)化器才能看清紅外光，這就是紅外探測(cè)器，它用于將紅外輻射中的能量轉(zhuǎn)換為可測(cè)量的形式?，F(xiàn)代紅外探測(cè)器利用的主要是紅外熱效應(yīng)和光電效應(yīng)。

2.1 熱敏型紅外探測(cè)器

F.W.赫歇耳在發(fā)現(xiàn)紅外輻射時(shí)已經(jīng)使用了最原始的熱敏型紅外探測(cè)器，即水銀溫度計(jì)。

1829年，諾比利(L.Nobili)利用當(dāng)時(shí)新發(fā)現(xiàn)的溫差電效應(yīng)，又稱Seebeck效應(yīng)，制成了一種以半金屬Bi和Sb為溫差電偶的熱敏型探測(cè)器，稱作溫差電型紅外探測(cè)器，也稱真空溫差電偶，并將眾多熱電偶串連在一起，發(fā)明了第一個(gè)熱電堆。

1880年，朗利(Samuel Pierpont Langley)利用金屬的電阻隨溫度變化的特性制成另一種熱敏型紅外探測(cè)器，稱為測(cè)輻射熱計(jì)，這是最早的Bolometer測(cè)輻射熱計(jì)，在此基礎(chǔ)上發(fā)展得到的微輻射熱計(jì)MicroBolometer是最早進(jìn)入商用領(lǐng)域的紅外探測(cè)器。

上世紀(jì)40年代，高萊發(fā)明了一種利用氣體熱膨脹制成的氣動(dòng)型紅外探測(cè)器，又稱高萊管，同期，采用半導(dǎo)體材料制作的測(cè)輻射熱計(jì)和溫差電型紅外探測(cè)器使探測(cè)器的性能得到進(jìn)一步改進(jìn)。60年代中期，出現(xiàn)了熱釋電探測(cè)器，如氧化釩(VOx)，它具有高的電阻溫度系數(shù)，被廣泛應(yīng)用于非制冷型的紅外探測(cè)及成像領(lǐng)域。

2.2 光子型紅外探測(cè)器

光子型紅外探測(cè)器是利用半導(dǎo)體的光電效應(yīng)制成的紅外探測(cè)器，20世紀(jì)中期，紅外探測(cè)材料得以大量開(kāi)發(fā)，如硫化鉛(PbS)、硒化鉛(PbSe)、碲化鉛(PbTe)和銻化銦(InSb)紅外探測(cè)器。

50年代末，多元化合物紅外探測(cè)材料使得頻帶間隙調(diào)節(jié)成為可能，其中II-VI族碲鎘汞(Mercury Cadmium Telluride, HgCdTe, MCT)紅外探測(cè)器因帶隙可調(diào)，以禁帶直接躍遷方式響應(yīng)紅外輻射使其對(duì)紅外光高度敏感，紅外吸收效率很高，在其被發(fā)明至今，一直是紅外探測(cè)器制造的首選。

近三十年，半導(dǎo)體材料科學(xué)的發(fā)展以及半導(dǎo)體微細(xì)加工技術(shù)的進(jìn)步，推動(dòng)了紅外探測(cè)技術(shù)的快速發(fā)展，全新的量子調(diào)控概念被應(yīng)用到新型的探測(cè)器材料中，如量子阱紅外探測(cè)器(Quantum Well Infrared Photodetector, QWIP)和InAs/GaSb II類超晶格紅外探測(cè)器。

光子型紅外探測(cè)器分為光導(dǎo)型紅外探測(cè)器和光伏型紅外探測(cè)器兩種，光導(dǎo)效應(yīng)被史密斯(Willoughby Smith)發(fā)現(xiàn)。光伏效應(yīng)由貝克勒爾(Edmund Becquerel)發(fā)現(xiàn)。

光導(dǎo)型探測(cè)器的機(jī)理和光敏電阻的工作原理類似，都利用了材料的光電導(dǎo)效應(yīng)，探測(cè)器吸收能量足夠大的入射光子，載流子從束縛態(tài)被激發(fā)，使得自由載流子濃度增加，材料的電導(dǎo)率改變。

光伏型探測(cè)器利用了P型和N型半導(dǎo)體組成PN結(jié)的光生伏特效應(yīng)。能量大于禁帶寬度的紅外光子在PN結(jié)吸收區(qū)內(nèi)被吸收產(chǎn)生電子空穴對(duì)，內(nèi)建電場(chǎng)使電子漂移至N區(qū)，空穴漂移至P區(qū)，形成光電壓。

光伏探測(cè)器易與互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(Complementary Metal Oxide Semiconductor, CMOS)集成讀出電路相匹配，所以目前紅外焦平面(Infrared Focal Plane Arrays, IRFPA)探測(cè)器一般為光伏探測(cè)器，IRFPA的性能直接決定了探測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)劣。

紅外探測(cè)器的發(fā)展經(jīng)歷了三代更迭，第一代主要是以單元、多元器件進(jìn)行光機(jī)串/并掃描成像;第二代是線列或中小規(guī)模面陣焦平面;第三代紅外焦平面，以大面陣、高分辨、高靈敏、多波段為特征，正處于蓬勃發(fā)展期。

紅外探測(cè)器不同波段應(yīng)用

在實(shí)際應(yīng)用中，紅外探測(cè)器按探測(cè)波長(zhǎng)一般可分為短波紅外探測(cè)器、中波紅外探測(cè)器和長(zhǎng)波紅外探測(cè)器，三種波長(zhǎng)的紅外探測(cè)正好覆蓋了短中長(zhǎng)三個(gè)大氣窗口。

短波紅外探測(cè)器工作波長(zhǎng)在1.0-3.0μm范圍，在滿月和晴朗星空條件下，月光的大部分光譜輻射亮度集中在短波紅外波段，其中包括高溫物體主動(dòng)輻射和自然環(huán)境反射。短波紅外探測(cè)器可在較高溫度工作，制冷成本較低。

中波紅外探測(cè)器的探測(cè)波段在3.0-5.0μm范圍。如果溫度高于300K，一般用到中波紅外探測(cè)系統(tǒng)，如尾焰目標(biāo)、艦載探測(cè)。

長(zhǎng)波紅外探測(cè)器探測(cè)波長(zhǎng)在8.0-14μm，對(duì)于目標(biāo)溫度較低，大氣傳輸路徑長(zhǎng)，大氣環(huán)境特殊的情況，長(zhǎng)波探測(cè)更具優(yōu)勢(shì)。當(dāng)目標(biāo)溫度在300K其黑體輻射峰值波長(zhǎng)在10μm，并且隨著溫度降低，其峰值輻射波長(zhǎng)更長(zhǎng)。長(zhǎng)波紅外探測(cè)器看自然和人為干擾的能力較強(qiáng)，但長(zhǎng)波紅外焦平面探測(cè)器價(jià)格一直較為昂貴，最主要的原因是長(zhǎng)波材料帶隙狹窄，制備長(zhǎng)波紅外探測(cè)器工藝難度較大。

紅外探測(cè)器芯片材料介紹

4.1 碲鎘汞材料

碲鎘汞材料屬于直接帶隙半導(dǎo)體材料，可通過(guò)調(diào)節(jié)三種原子組份調(diào)節(jié)探測(cè)波長(zhǎng)，覆蓋1-30μm幾乎整個(gè)紅外波段，其吸收系數(shù)和量子效率通常高于80%。

對(duì)于碲鎘汞紅外焦平面器件的生產(chǎn)與設(shè)計(jì)，截止波長(zhǎng)超過(guò)12μm是一項(xiàng)巨大的挑戰(zhàn)。由于禁帶寬度較小，約為0.1eV，并且在這個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)，探測(cè)器要求低盲元率、低暗電流和低噪聲，對(duì)于這個(gè)波長(zhǎng)，碲鎘汞材料的禁帶寬度很窄，要求使得生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)都有很高的要求，采用碲鎘汞材料生產(chǎn)長(zhǎng)波紅外探測(cè)器難度大。

4.2 量子阱材料

量子阱紅外探測(cè)器材料是一種周期性異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，得益于分子束外延技術(shù)的發(fā)展，GaAs/AlGaAs量子阱材料得到廣泛和深入的研究。量子阱是通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和周期厚度變化來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)探測(cè)波長(zhǎng)的調(diào)節(jié)，材料生長(zhǎng)缺陷密度低，探測(cè)器制備工藝穩(wěn)定，目前某些長(zhǎng)波量子阱焦平面探測(cè)器已經(jīng)商用化。但量子阱的光譜呈窄譜吸收，光躍遷屬帶內(nèi)子帶躍遷，只對(duì)平行于生長(zhǎng)面的光響應(yīng)，吸收系數(shù)和量子效率均較低。

4.3 InAs/GaSb II類超晶格材料

InAs/GaSb II類超晶格是一種周期性的低維量子結(jié)構(gòu)材料，具有能帶靈活可調(diào)的特點(diǎn)，可以覆蓋3-30μm中波至遠(yuǎn)紅外波段。該紅外探測(cè)器芯片工藝建立在較為成熟的III-V族化合物半導(dǎo)體技術(shù)之上，可以實(shí)現(xiàn)高性能的紅外焦平面制備，特別是在長(zhǎng)波和甚長(zhǎng)波波段，具有優(yōu)越的材料和器件均勻性，成為很有希望的紅外探測(cè)技術(shù)，是當(dāng)前紅外焦平面技術(shù)研究的熱點(diǎn)。

室溫下，InAs的禁帶寬度約為0.35eV，GaSb的禁帶寬度約0.73eV，價(jià)帶不連續(xù)性大于0.5eV，因此InAs和GaSb組合具有十分特別的能帶排列，InAs的導(dǎo)帶底位于GaSb的價(jià)帶頂之下，構(gòu)成“破帶隙”II類超晶格。

當(dāng)周期生長(zhǎng)納米厚度的InAs和GaSb時(shí)，即形成InAs/GaSb II類超晶格材料，其電子和空穴在空間上分離，電子限制在InAs層中，空穴在GaSb層中，芯片結(jié)構(gòu)如下圖所示。

審核編輯：湯梓紅