紅外探測(cè)器的發(fā)展

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1、紅外技術(shù)發(fā)展的先導(dǎo)是紅外探測(cè)器的發(fā)展,一個(gè)國(guó)家紅外探測(cè)器的技術(shù)水平代表著其紅外技術(shù)發(fā)展的水平。最早的紅外探測(cè)器是1800年英國(guó)天文學(xué)家威廉·赫歇耳發(fā)明的水銀溫度計(jì),隨后發(fā)明了熱電偶、熱電堆,1880年美國(guó)的Langley發(fā)明了測(cè)熱輻射計(jì)。最初的紅外探測(cè)器主要是熱電探測(cè)器,直至1917年Case研制出第一只硫化鉈光電導(dǎo)探測(cè)器,這種探測(cè)器比熱電探測(cè)器靈敏度高,響應(yīng)也快。第二次世界大戰(zhàn),人們認(rèn)識(shí)到了紅外技術(shù)在軍事應(yīng)用中的巨大潛力,開(kāi)始對(duì)紅外技術(shù)極為重視,尋找新的材料和制作方法。19世紀(jì)40年代初,以PbS為代表的光電型紅

2、外探測(cè)器問(wèn)世,隨后又出現(xiàn)了硒化鉛、碲化鉛探測(cè)器。二次大戰(zhàn)后,半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)了紅外探測(cè)技術(shù)的發(fā)展,先后出現(xiàn)了InSb、HgCdTe、摻雜Si、PtSi。InSb的靈敏度較高,但是帶隙只有0.22eV,所以只能探測(cè)低于5.6μm。PtSi由于它的高均勻性和可生產(chǎn)性,可以做成大的焦平面陣列,但是其截至波長(zhǎng)為5.7μm,也只能用于中短波范圍,而且量子效率很低。同時(shí)InSb和PtSi都沒(méi)有波長(zhǎng)可調(diào)性和多色探測(cè)能力。摻雜Si有很寬的光譜帶寬,但是也不具備波長(zhǎng)可調(diào)性,而且必須工作在很低的溫度。1959年Lawso研制出碲鎘

3、汞(HgxCd1-xTe)的長(zhǎng)波長(zhǎng)紅外探測(cè)器,這是紅外技術(shù)史上的一次重要進(jìn)展。它是目前性能最好,也是最廣泛應(yīng)用的II-VI族紅外探測(cè)器。它是利用帶間吸收,因此具有極高的探測(cè)率和量子效率。通過(guò)調(diào)節(jié)Hg的組分x可以實(shí)現(xiàn)帶隙從0-0.8eV的連續(xù)可調(diào)。因此它所能探測(cè)的波長(zhǎng)范圍覆蓋了中波紅外(3-5μm)和長(zhǎng)波紅外(8-14μm)兩個(gè)波段。??而利用MBE生長(zhǎng)的III-V族材料體系制成的量子阱材料正好可以彌補(bǔ)碲鎘汞方面的不足,III-V族材料生長(zhǎng)、器件制作工藝成熟,適于制作大面陣探測(cè)器。同時(shí)III-V族材料組分容易控制和

4、調(diào)節(jié),通過(guò)調(diào)節(jié)化合物的組分,可以比較容易的改變量子阱的阱寬、壘高等參數(shù),進(jìn)而可以調(diào)節(jié)探測(cè)波長(zhǎng)??梢愿采w三個(gè)主要的大氣窗口。因此III-V族材料在實(shí)現(xiàn)多色探測(cè)方面也有很大的優(yōu)勢(shì)。因此有望與HgxCd1-xTe材料并駕齊驅(qū),在軍事上和民用上都發(fā)揮重要的應(yīng)用。以下圖1為紅外探測(cè)器研究的發(fā)展史。圖1紅外探測(cè)器發(fā)展歷史??表1列出了幾種常用紅外探測(cè)器材料及他們的響應(yīng)波段范圍探測(cè)器材料近紅外(0.7~1.1μm)硅光電二極管(Si)短波紅外(1~3μm)銦鎵砷(InGaAs)、硫化鉛探測(cè)器(PbS)中波紅外(3~5μm)銻化銦

5、(InSb)、碲鎘汞探測(cè)器(HgCdTe)、量子阱探測(cè)器(QWIP)長(zhǎng)波紅外、熱紅外(8~14μm)碲鎘汞探測(cè)器(HgCdTe)、量子阱探測(cè)器(QWIP)遠(yuǎn)紅外(16μm以上)量子阱探測(cè)器(QWIP)?表1.幾種常用的紅外探測(cè)器及它們的響應(yīng)波段紅外探測(cè)器的應(yīng)用前景???由于MCT材料制備困難、制備周期長(zhǎng)、成本高、均勻性差等缺點(diǎn),使得在制備紅外焦平面陣列時(shí)失去了優(yōu)勢(shì),這時(shí)III-V族量子阱紅外探測(cè)器開(kāi)始嶄露頭角。特別是GaAs/AlGaAs等材料系,由于用該類材料的光電子和高速微電子器件已大批量投放市場(chǎng),直到6英寸的

6、大面積GaAs襯底已可商用,其材料生長(zhǎng)及器件制作工藝十分成熟,材料的均勻性好(美國(guó)的GunapalaMBE方法生長(zhǎng)的外延片所制成的256*256的手持照相機(jī)在65536個(gè)像素中只有10個(gè)盲點(diǎn))。器件成品率高,可大大降低紅外探測(cè)器的成本。(a)軍事和國(guó)防領(lǐng)域???紅外探測(cè)器的發(fā)展得益于戰(zhàn)爭(zhēng)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(zhēng),人們不斷加深對(duì)紅外探測(cè)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(chǎng)的75%。軍用紅外系統(tǒng)通常工作在3~5μm和8~10μm兩個(gè)大氣窗口,它能透過(guò)煙、塵、霧、樹(shù)叢等,可以

7、實(shí)現(xiàn)晝夜探測(cè)。夜幕歷來(lái)是戰(zhàn)爭(zhēng)的屏障,由于紅外技術(shù)的發(fā)展,掌握紅外探測(cè)優(yōu)勢(shì)的一方具有單向透明的優(yōu)?圖2中波1024×1024QWIP照相機(jī)的紅外成像?圖3長(zhǎng)波1024×1024QWIP照相機(jī)的紅外成像點(diǎn),常規(guī)的樹(shù)叢和夜色越來(lái)越不起作用。圖2為長(zhǎng)波1024×1024QWIP照相機(jī)的紅外成像,圖3為四英寸GaAs片上的9個(gè)1024×1024像素的焦平面陣列。圖4為用長(zhǎng)波長(zhǎng)量子阱紅外探測(cè)器(QWIP)RADLANCE攝像機(jī)拍攝到的Delta-Ⅱ運(yùn)載火箭發(fā)射過(guò)程的紅外圖。圖4長(zhǎng)波長(zhǎng)QWIPRADLANCE攝像機(jī)拍攝到的Del

8、ta-Ⅱ運(yùn)載火箭發(fā)射過(guò)程的紅外圖(b)消防方面的應(yīng)用???量子阱紅外探測(cè)器可以覆蓋更長(zhǎng)的波長(zhǎng),用它做成的量子阱紅外攝像機(jī),可以透過(guò)煙霧看清火災(zāi)滯留的高溫區(qū)——圖5(b)中白的亮區(qū)(以前的紅外攝像儀是難以看清的),這些滯留的高溫區(qū)是消防隊(duì)員們所關(guān)心的,也是很難發(fā)現(xiàn)的,因?yàn)檫@些看似已經(jīng)熄滅的地方可能會(huì)突然再度燃燒起來(lái)。?(a)高靈敏度CCD拍的可見(jiàn)光圖像??(

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