红外探测器行业深度报告

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0.75μm-1000μm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1μm-3μm、3μm-40μm、40μm-

1000μm。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1.1μm-2.5μm、3μm-5μm、8μm-14μm。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。

1.2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，一类是以氧化钒、非晶硅为代表的常温工作材料，另一类是以碲镉汞、锑化铟、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：碲镉汞使用最为广泛，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碲镉汞探

测器、锑化铟探测器、量子阱探测器、二类超晶格探测器和量子点探

测器。其中，碲镉汞探测器和锑化铟探测器已经非常成熟，使用最为

广泛。

碲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

外半导体材料为碲镉汞（Hg1-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。碲镉汞材料

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。缺点是碲、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，容易从碲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，这是碲镉汞材料固有的问题，在长波

应用时尤其突出。碲镉汞红外探测器另外一个主要问题是碲镉汞薄膜

材料生长的外延衬底问题，与碲镉汞晶格匹配的衬底是碲锌镉衬底，

但目前市售的碲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碲镉汞材料，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

碲镉汞材料质量仍然需要进一步改进和提高。

锑化铟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。锑化铟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。锑化铟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。

由于锑化铟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锑化铟材料生长实验，获得了大量的研究

成果，使得锑化铟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。国际上锑化铟材料

的供应商包括美国的GalaxyCompoundSemiconductors（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英寸锑化铟晶片的产品化，并且正在开

展6英寸、8英寸等更大尺寸锑化铟材料的商业化研究。锑化铟材料的快速发展为推动大规格、高性能、低成本的新一代锑化铟焦平面探测

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