制冷型及非制冷型红外探测器性能对比、应用领域分析

1 用于军事和科研领域的制冷型红外探测器发展情况
适用于制冷型红外单色探测器的主流材料是InSb和碲镉汞。

InSb中波红外探测器
技术相对成熟，比较容易做成低成本、大面积、均匀性好、高性能的探测器阵列。

但它也存在如工作温度不能提高等一些缺点。

适用于多波长探测的低温红外探测器
的材料一般有三种，包括碲镉汞（HgCdTe）、量子阱（QWIPs）和Ⅱ类超晶格。

表6：制冷型红外探测器敏感材料对比
敏感材料技术特点
锑化铟技术成熟，成本较低，只能用于单色制冷红外探测器，军民大量应用，尤其以红外空空导弹为多。

碲镉汞通过改变镉的组份，可以精确的控制碲镉汞材料的禁带宽度，覆盖短波、中波和长波红外。

但是由于微小的组分偏差就会引起很大的带隙变化，其材料的稳定性、抗辐射特性和均匀性都相对较差，所以成品率较低，
成本非常高。

量子阱生长技术成熟，并且生长面型均匀，受控性好；价格低廉、产量大、热稳定性高。

但其结构特殊性使得正入射光无法很好地被探测器吸收，致使量子阱探测器的量子效率并不理想。

Ⅱ类超晶格拥有较高的探测灵敏度，几乎可以与碲镉汞相媲美。

隧穿电流和暗电流均较小，对工作温度的要求相对宽松。

提高性能、缩小体积和降低成本是目前碲镉汞探测器的三大研究方向。

国内研究碲
镉汞红外探测器的单位主要包括昆明物理研究所、高德红外。

昆明物理所从2006年
就开始着手碲镉汞中波红外探测器的研发工作，并于2010年实现了量产。

2015年，
昆明物理研究所量产的640×512中波红外探测器实现了在温度为110K，NETD为
19.7mK，有效像元率为99.33%的技术指标，标志着我国中波探测器性能指标基本达
到同一时期发达国家的技术水平。

据高德红外子公司高芯科技官网显示，该公司研制了国内最新款制冷型碲镉汞中波
红外探测器CB12M MWIR，其面阵规格为1280×1024，像元尺寸为12μm，NETD
小于20Mk（F2/F4）。

技术指标达到国内外顶尖水平。

图16：制冷型碲镉汞中波红外探测器CB12M
图17：GA VIN1212制冷红外标准机芯
MWIR
Ⅱ类超晶格制冷型红外探测器在长波和双色成像领域优势突出。

碲镉汞材料生长难
度较大，大面阵批量生产良品率较低；而且其材料的特殊性导致的表面漏电流现象
对碲镉汞探测器的性能影响也很大。

相比之下，量子阱材料优点如下：生长技术成熟，并且生长面型均匀，受控性好；价格低廉、产量大、热稳定性高。

量子阱红外探测器（QWIP）拥有较高的热灵敏度以及均匀性，同时其材料生长和生产工艺比较成熟，生产成本适中，便于规模化装备，方便多色谱大面阵器件的单片集成。

国内的昆明物理研究所在2017年公布了阵列规模为640×512、中心距为20μm的偏振长波量子阱红外探测器的研发成果并成功制备出红外面阵探测器芯片。

配合制冷器组件的使用，长波偏振量子阱探测器组件的NETD低于30mK。

由于该探测器不但拥有较高的物理分辨率，同时可以获取被测物的偏振信息，这对探测能力的提升起到重要的促进作用。

但是，量子阱探测器的结构特殊性使得正入射光无法很好地被探测器吸收，致使量子阱探测器的量子效率并理想。

锑化物Ⅱ类超晶格却不存在这种问题，它能很好地吸收正入射光且不需要任何光栅，因此它拥有较高的探测灵敏度，几乎可以与碲镉汞相媲美。

和带间吸收一样，通过光学吸收机制，Ⅱ类超晶格探测器可以实现高达81%的量子效率。

同时，它的隧穿电流和暗电流均较小，对工作温度的要求相对宽松。

Ⅱ类超晶格探测器材料使用Ⅲ族和Ⅳ族元素，采用光伏原理制成。

作为新一代的光电器件，Ⅱ类超晶格拥有无限的发展潜力和广阔的应用前景。

InAs/GaSbII类超晶格材料自1987年就开始被应用于红外探测，它具有量子效率高，器件均匀性好，暗电流低以及覆盖光谱范围广（3μm~30μm）等优点。

美国西北大学在2012年研发出了阵列规模为1024×1024的II类超晶格长波红外探测器，在温度为68mK时NETD达到22.5mK，量子效率约为78%。

国内的上海技术物理研究所也研制出了截止波长为12.50μm的长波InAs/GaSb Ⅱ类超晶格红外探测器。

高德红外在2015年第七届中国(北京)国际光电展览会上首次对外发布了其新研的Ⅱ类超晶格红外探测器。

截止目前，公司发布的产品中C615S LWIR Ⅱ类超晶格长波制冷红外焦平面探测器性能优越，其像元间距为15μm，阵列规模为640×512。

同时，公司也具备制造Ⅱ类超晶格双色探测器的能力，根据公司最新公告，研制出国内首款基于锑化物Ⅱ类超晶格的1280×1024、15μm像元间距的中中波双色焦平面探测器经过科技成果评价，填补了国内空白，其中关键指标NETD在两个波段都小于20mK，双色探测器像素1280×1024，达到国际领先水平。

图18：C615S LWIR Ⅱ类超晶格长波制冷红外焦平面探测器图19：C330S MW/LWIR Ⅱ类超晶格双色制冷红外焦平面探测器
2军民两用的非制冷型红外探测器发展情况
非制冷型红外探测器曾有多种技术路线，包括热释电型探测器、热电堆型探测器、
微测辐射热计型探测器等，微测辐射热计工艺与半导体制造工艺能很好的兼容，非常适合于大规模的集成和生产，因此微测辐射热计的技术路线逐渐战胜了其他的技术类型，成为主流的技术方向，并在市场中占领了绝对优势的份额。

多数情况下非制冷探测器也主要指微测辐射热计探测器。

图20：微测辐射热计结构图
非制冷型红外探测器的敏感材料主要有非晶硅和氧化钒两种。

氧化钒在探测灵敏度和测温精度方面等方面的多项性能指标均明显优于非晶硅。

非晶硅探测器的灵敏度通常位于50mk附近，而氧化钒探测器则为20mK~30mK；非晶硅探测器的残余固定图形噪声较大，比氧化钒探测器大一个数量级；非晶硅探测器的图像均匀性也比氧化钒探测器差。

非晶硅的优点在于制备工艺是标准的硅工艺，制造成本低，更容易实现大规模生产。

因而国内外多数企业选择氧化钒技术路线。

国内从事非制冷红外探测器研究的有高校、研究所和少数民营企业。

高校主要有华中科技大学和电子科技大学。

高效科研人员主要着力于材料性能的理论研究和器件生产新工艺的研发，并且目前还处于初步阶段。

研究所主要有兵器211所、上海技物所和电子11所，并主要从事成像模块或整机的研发。

这些单位更多侧重于学术研究、新技术开发。

由于体制限制等原因，产业化发展受限，目前暂不具备产品的量产能力。

国内公司主要包括高德红外、睿创微纳、浙江大立和广州飒特等。

自2018年起，睿创微纳在12μm像元尺寸非制冷红外探测器技术的基础上，开始了10μm像元尺寸产品的研发。

据最新资料报道，该公司已经发布了阵列规模达到1280×1024，像元间距仅为10μm，NETD优于40mK的产品，并提交了两项发明专利。

这也标志着中国是世界上第二个研制出10μm红外探测器的国家（第一个是美国的DRS公司）。

高德红外在非制冷探测器领域去年金属和陶瓷封装共计出货30万支，晶圆级封装出货90万支。

公司的产品种类完备，公司同时拥有8英寸非制冷红外探测器和8英寸制冷型红外探测器生产线。

高德红外目前最新的非制冷红外探测器阵列规模为1280×1024，像元尺寸为12μm，公司也同步开展了像元尺寸为10μm的新产品研发。

表7：全球非制冷红外焦平面探测器主要技术参数对比
公司名称探测器类型阵列规模像元尺寸
（μm）
等效噪声温差
NETD（mK）
FLIR（美国）氧化钒336×256，640×51217，2540
L-3（美国）氧化钒320×24037.550非晶硅320×240，640×4801735
BAE（美国）氧化钒320×240，1024×76817，2850 DRS（美国）氧化钒640×480，1024×76817，2535 Raytheon（美国）氧化钒320×240，640×48017，2530-40 ULIS（法国）非晶硅384×288，640×48017，2550-80 Mitsubishi（日本）非晶硅320×240，640×4802550 SCD（以色列）氧化钒384×288，640×48017，2550 NEC（日本）氧化钒320×240，640×4801260睿创微纳（中国）氧化钒640×512，1280×10241240-50北方广微（中国）氧化钒384×288，640×5121740浙江大立（中国）非晶硅160×120，384×2881550
非制冷红外探测器主要朝着更小的像元间距、晶圆级封装、ASIC集成等方向发展。

更小的像元间距意味着能在同等尺寸规模的芯片上制成更大的面阵的探测器。

晶圆
级封装能够极大提升规模效应和生产效率，进而降低生产成本。

采用ASIC芯片集
成方式替代PCB电路板级元器件集成，显著减小了成像模组尺寸，同样降低了量产
成本。

图21：红外探测器技术与探测器成本和大小的关系
开发适应性强的非均匀性校正方法是红外焦平面探测器发展的一个技术难题。

除此
之外，红外焦平面阵列各敏感元响应不一致、1/f噪声、红外光学系统、读出电路自
身及其与探测器耦合的非均匀性、外界环境温度和红外焦平面阵列中无效像元等因
素的影响，使得红外焦平面探测器得到的图像容易发生模糊和畸变，致使图像在空
间上呈现不均匀的特征。

高精度的红外热像仪，需采用非均匀校正技术对图像进行处理，但是目前没有适应性较强的非均匀性校正方法，使得这一问题依然是制约红外焦平面探测器性能的主要因素，也使得各研究单位和企业将投入更多来开发出更为有效的非均匀性度量方法和校正技术。

图22：红外图像非均匀校正前后对比。