碲鎘汞是一種近乎理想的紅外探測器材料，吸收系數高、量子效率高、載流子壽命長、工作溫度高，而且通過調整組分能夠覆蓋1 μm ~ 30 μm波段的紅外輻射。此外，碲鎘汞還具有載流子濃度可調、高電子遷移率和低介電常數等特點。尤其是隨著組分的變化，晶格常數幾乎不變，非常適合于制備多層異質結構等復雜結構的復合薄膜。碲鎘汞可以用于研制多種類型的探測器，如光導、光伏和MIS探測器等，形成了覆蓋近紅外、短波、中波、長波及甚長波紅外波段各種規格（32 × 1 ~ 8000 × 8000）、各種應用的全系列探測器，支撐起從一代至三代的整個現代紅外技術體系。

據麥姆斯咨詢報道，近期，昆明物理研究所的科研團隊在《中國科學》期刊上發表了以“昆明物理研究所碲鎘汞紅外探測器研究進展”為主題的文章。該文章第一作者為趙俊，通訊作者為孔金丞和姬榮斌。

基于碲鎘汞材料已經發展了三代紅外探測器。第一代紅外探測器的主要特點是一維光導探測器線列，通過光機掃描獲得目標二維空間圖像，得到廣泛應用；第二代紅外探測器的主要特點是二維光伏探測器焦平面陣列，集成讀出電路完成凝視成像；第三代紅外探測器的主要特點是在第二代基礎上進一步提出了百萬像素高分辨率、雙/多色等高性能、低成本要求。隨著紅外探測器技術的發展，在雪崩模式、甚長波、雙/多色、偏振、小尺寸像元等探測機理，能帶工程、分子束外延、金屬有機物化學氣相沉積和液相外延等材料設計與制備，工作溫度、片上數字化等信號處理，組件級、片上封裝等領域均取得顯著技術突破。紅外焦平面探測器技術的多元化發展導致至今對第四代紅外探測器的定義未形成統一觀點，但到目前為止，碲鎘汞仍是性能領先的紅外探測器材料。

第一代紅外探測器技術研究

1960~1970年，半導體微電子領域開發的光刻技術成功引入紅外探測器制造過程，發展了第一代光導型多元線列紅外探測器。第一代多元光導紅外探測器工作在液氮溫度，由像元完成光電信號轉換，然后使用室溫工作的前置放大器對每個像元輸出電信號進行預處理及模擬信號放大輸出。每一個像元都必須通過獨立信號線穿過液氮低溫環境的真空杜瓦壁連接由分立電子元件組成的低噪聲前置放大器，輸出一個瞬態模擬電壓或電流信號。在給定光學視場中，過多的金屬線必然增加了杜瓦的熱負載，導致微型制冷機的制冷能力無法承受，因此需要限制紅外探測器像元的引出電極、信號傳輸線數量，導致第一代紅外探測器的像元數量非常有限，一般不超過200元。美國采用60元、120元和180元的光導型紅外探測器作為熱像儀通用組件。英國發明了新穎的SPRITE紅外探測器，它把普通的碲鎘汞光導紅外探測器技術與時間延遲積分技術相結合，在一個長條探測像元中完成信號的時間延遲積分。

第一代紅外探測器主要基于體晶碲鎘汞材料研制。1959年開始，先后發展了布里奇曼法、碲溶劑法、固態再結晶法、移動加熱法等工藝手段，進行了大量的研究工作，嘗試了三十多種制備技術，并取得了階段性研究結果。截至1969年，只能生長Φ10 mm左右的碲鎘汞晶錠，而且均勻性差，結果不穩定；到了1980年，碲鎘汞體晶生長的幾種主要技術都已成為生產技術，制備的優質碲鎘汞體晶材料已可以制備性能良好的光導型探測器器件。如美國主要采用固態再結晶技術，法國主要采用碲溶劑技術，英國主要采用布里奇曼技術，烏克蘭采用加壓布里奇曼技術，均可生長直徑40 mm的晶體。

國內多家單位開展了碲鎘汞體晶材料的生長研究，如昆明物理研究所、中國科學院上海技術物理研究所、航天科工集團三院8358所、華北光電技術研究所等，相繼取得較好結果。昆明物理研究所從1970年開始碲鎘汞體晶材料的生長研究，到1989年，布里奇曼法、碲溶劑法、固態再結晶法等工藝成熟，可以批量提供滿足光導型紅外探測器需要的優質碲鎘汞體晶材料。同時，為了擴展應用范圍，還發展了生長管外加壓平衡方法，防止生長管爆炸，成功生長了Φ40 mm的大直徑碲鎘汞晶體，組分均勻性、結構參數、電學參數均滿足光導器件使用要求。

1990年，昆明物理研究所基于大直徑碲鎘汞晶體材料在國內開展第一代紅外探測器技術研究，先后研制了32元I型、SPRITE II型碲鎘汞光導器件，形成批量生產能力。2010年，昆明物理研究所采用薄膜碲鎘汞材料替代體晶碲鎘汞材料研制第一代光導紅外探測器，顯著提升探測性能，32元I型產品典型信噪比優于130，探測率優于5.5×101? cm Hz1/2 W?1，響應率優于7.0×10? V W?1，如圖1所示；SPRITE II型典型信噪比優于880，探測率優于2.0×1011 cm Hz1/2 W?1，響應率優于4.0×10? V W?1，如圖2所示。

圖1 32元I型碲鎘汞光導器件性能

圖2 SPRITE II型碲鎘汞光導器件性能

第二代紅外探測器技術研究

1970~1980年，隨著硅電荷耦合器件的發明和集成電路技術進步，像元內實現光電轉換和信號讀出逐漸成熟，形成以焦平面為主要特征的第二代紅外探測器，如圖3所示，探測器芯片組由探測器芯片和讀出電路信號處理芯片通過銦柱倒裝互連形成。面陣紅外焦平面探測器技術將像元對信號的積分時間從10?? s提高到10?3 s，約3個數量級，顯著提高靈敏度，使得紅外/熱成像儀即使工作在紅外輻射能量較長波紅外波段少得多的中波，甚至短波等紅外波段也能獲得畫質優良的紅外/熱圖像，這是第二代紅外/熱成像技術將工作波段由長波擴展至中波和短波紅外的基礎。

圖3 紅外焦平面探測器芯片組示意

第二代紅外焦平面探測器主要基于碲鎘汞薄膜研制。1979年，液相外延、金屬有機物化學氣相沉積碲鎘汞成功，1981年，分子束外延碲鎘汞成功，推動碲鎘汞焦平面陣列研制。目前液相外延碲鎘汞技術發展最成熟，基于碲鋅鎘襯底實現碲鎘汞薄膜規模化生產，支撐第二代碲鎘汞紅外探測器批量生產。

2004年，華北光電技術研究所完成288 × 4碲鎘汞長波和320 × 256碲鎘汞中波紅外焦平面探測器技術突破。2007年，昆明物理研究所實現288 × 4碲鎘汞長波紅外焦平面探測器工程化，典型探測率優于2.2 × 1011 cm Hz1/2 W?1、典型噪聲等效溫差（NETD）優于25 mK，盲通道數量為零，如圖4所示。

圖4 288 × 4碲鎘汞長波紅外焦平面探測器性能

2008年，昆明物理研究所實現320 × 256碲鎘汞中波紅外焦平面工程化，典型噪聲等效溫差優于20 mK，盲元率優于0.5%，非均勻性優于5%，如圖5所示。

圖5 320 × 256碲鎘汞中波紅外焦平面探測器性能

目前，昆明物理研究所基于非本征摻雜完成第二代紅外焦平面工藝體系升級，研制的1024 × 6碲鎘汞長波紅外探測器，典型探測率優于1.8×1011 cm Hz1/2 W?1、盲通道為零（如圖6所示），與華北光電技術研究所和中國科學院上海技術物理研究所的類似產品性能相當；研制的640 × 512碲鎘汞中波紅外探測器典型噪聲等效溫差優于10 mK，盲元率優于0.3%，非均勻性優于5%，如圖7所示。與華北光電技術研究所、中國科學院上海技術物理研究所、武漢高德紅外股份有限公司和浙江玨芯微電子有限公司的類似產品性能相當。

圖6 1024 × 6碲鎘汞長波紅外焦平面探測器性能

圖7 640 × 512碲鎘汞中波紅外焦平面探測器性能

第三代紅外探測器技術研究

1999年，Donald Reago等人提出以百萬像素高分辨率、雙/多色為主要特征的第三代紅外探測器概念。2000年，Norton等人基于第三代紅外焦平面探測器的難點分析，明確高性能紅外焦平面探測器的發展目標仍是更高靈敏度，并補充了亞毫開爾文高溫度靈敏度、近百dB大動態范圍等具體內涵。2008年前后，國內開始第三代紅外探測器研制，重點圍繞高分辨率、雙/多色、長波/甚長波、高工作溫度紅外焦平面等開展相關工作。

高分辨率紅外焦平面探測器

國內碲鎘汞高分辨率紅外焦平面探測器的研制始于對標法國Lynred公司的Jupiter組件。2012年，華北光電技術研究所基于碲鋅鎘襯底液相外延碲鎘汞薄膜實現1024 × 1024碲鎘汞中波紅外焦平面技術突破；2015年，昆明物理研究所基于碲鋅鎘襯底液相外延碲鎘汞薄膜完成1280 × 1024碲鎘汞中波紅外焦平面組件定型，典型噪音等效溫差優于18 mK，盲元率優于0.1%，非均勻性優于5%（圖8），實現與法國Lynred公司Jupiter組件插拔互換；2016年，中國科學院上海技術物理研究所基于硅襯底分子束外延碲鎘汞薄膜實現1280 × 1024碲鎘汞中波紅外焦平面樣品研制；2017年，武漢高德紅外股份有限公司發布1280 × 1024碲鎘汞中波紅外焦平面產品。

圖8 1280 × 1024碲鎘汞中波紅外焦平面性能

2017年以來，昆明物理研究所基于碲鋅鎘襯底液相外延碲鎘汞薄膜相繼完成12 μm、10 μm、7.5 μm像元中心間距1280 × 1024碲鎘汞中波紅外焦平面產品譜系化拓展，典型性能如圖9所示。

圖9 不同像元尺寸1280 × 1024碲鎘汞中波紅外焦平面性能

2018年，昆明物理研究所基于鍺襯底分子束外延碲鎘汞薄膜完成2000 × 2000碲鎘汞中波紅外焦平面研制。同期，華北光電技術研究所發布基于硅襯底分子束外延碲鎘汞薄膜完成2700 × 2700碲鎘汞中波、短波紅外焦平面樣品。2020年，中國科學院上海技術物理研究所報道基于硅襯底分子束外延碲鎘汞薄膜實現2048 × 2048碲鎘汞短波紅外焦平面研制。2021年，昆明物理研究所基于碲鋅鎘襯底液相外延碲鎘汞薄膜完成2048 × 2048碲鎘汞中波、短波紅外焦平面批量生產，其中中波噪聲等效溫差優于20 mK，盲元率優于0.5%，非均勻性優于10%；短波噪聲等效溫差優于35 mK，盲元率優于0.5%，非均勻性優于10%，典型性能如圖10所示。

圖10 2048 × 2048碲鎘汞中波、短波紅外焦平面性能

雙/多色紅外焦平面探測器

2008年，國內開始碲鎘汞雙/多色紅外焦平面探測器的研制。2013年，中國科學院上海技術物理研究所基于硅襯底分子束外延碲鎘汞薄膜完成128 × 128碲鎘汞中波/長波雙色紅外焦平面驗證，昆明物理研究所基于鍺襯底分子束外延碲鎘汞薄膜實現128 × 128碲鎘汞中波/長波雙色紅外焦平面研制，探測率優于1.8×1011 cm Hz1/2 W?1（中波）、1.3×1012 cm Hz1/2 W?1（短波），盲元率優于0.6%（中波）、0.5%（短波），非均勻性優于8%（中波）、6%（短波），典型性能如圖11所示。

圖11 128 × 128碲鎘汞中波/短波雙色紅外焦平面性能

2018年中國科學院上海技術物理研究所基于硅襯底分子束外延碲鎘汞薄膜實現320 × 256碲鎘汞中波/長波雙色紅外焦平面突破，昆明物理研究所基于鍺襯底分子束外延碲鎘汞薄膜實現320 × 256碲鎘汞中波/長波雙色紅外焦平面研制，探測率優于3×1011 cm Hz1/2 W?1（中波）、2×1012 cm Hz1/2 W?1（短波），盲元率優于0.6%（中波）、0.6%（短波），非均勻性優于7%（中波）、7%（短波），成像效果如圖12所示。

圖12 320 × 256碲鎘汞短波（左）/中波（右）雙色成像

2021年，昆明物理研究所基于碲鋅鎘襯底分子束外延碲鎘汞薄膜實現640 × 512碲鎘汞中波/長波雙色紅外焦平面研制，噪聲等效溫差優于20 mK（中波）、30 mK（長波），盲元率優于0.5%（中波）、1.5%（長波），非均勻性優于5%（中波）、10%（長波），成像效果如圖13所示。

圖13 640 × 512碲鎘汞中波（左）/長波（右）雙色成像

2021年，昆明物理研究所基于鍺襯底分子束外延碲鎘汞薄膜實現640 × 512碲鎘汞中波/長波雙色紅外焦平面產品研制，探測率優于3.0×1011 cm Hz1/2 W?1（中波）、1.5×1012 cm Hz1/2 W?1（短波），盲元率優于0.6%（中波）、0.5%（短波），非均勻性優于6%（中波）、6%（短波），成像效果如圖14所示。

圖14 640 × 512碲鎘汞中波（左）/短波（右）雙色成像

長波、甚長波紅外焦平面探測器

2000年，中國科學院上海技術物理研究所開始長波、甚長波紅外焦平面探測器技術的研究，確定了基于p-on-n器件結構為主發展長波/甚長波紅外焦平面探測器的技術方向。2012年，華北光電技術研究所采用汞空位本征摻雜n-on-p結構基于碲鋅鎘襯底液相外延碲鎘汞薄膜完成10.0 μm截止波長320 × 256長波紅外焦平面探測器工藝實現。2013年，華北光電技術研究所采用汞空位本征摻雜n-on-p結構基于碲鋅鎘襯底液相外延碲鎘汞薄膜完成12.5 μm截止波長640 × 512長波紅外焦平面探測器研制。2015年，昆明物理研究所采用金非本征摻雜n-on-p結構基于碲鋅鎘襯底液相外延碲鎘汞薄膜完成10.5 μm截止波長256 × 256長波紅外焦平面探測器研制。2016年，昆明物理研究所采用砷離子注入非本征摻雜p-on-n結構基于碲鋅鎘襯底液相外延碲鎘汞薄膜完成12.5 μm截止波長640 × 512長波紅外焦平面探測器研制。2019年，華北光電技術研究所基于碲鋅鎘襯底液相外延碲鎘汞薄膜完成12.5 μm截止波長1000 × 1000長波紅外焦平面探測器研制。

2021年，昆明物理研究所采用砷離子注入非本征摻雜p-on-n結構基于碲鋅鎘襯底液相外延碲鎘汞薄膜，相繼完成10.0 μm截止波長256 × 256，640 × 512，1024 × 768，2048 × 2048長波紅外焦平面探測器譜系產品研制，典型產品噪聲等效溫差優于15 mK，盲元率優于0.5%，非均勻性優于10%，典型性能如圖15所示；完成15.0 μm以上截止波長320 × 256，640 × 512甚長波紅外焦平面探測器研制，典型產品噪聲等效溫差優于30 mK，盲元率優于0.5%，非均勻性優于10%，典型性能如圖16所示。

圖15 10.0 μm截止波長碲鎘汞長波紅外焦平面性能

圖16 15.0 μm截止波長碲鎘汞長波紅外焦平面性能

高工作溫度紅外焦平面探測器

2015年，國內開始高工作溫度紅外焦平面探測器研制。提高紅外探測器工作溫度的核心是降低暗電流，2018年，昆明物理研究所采用砷離子注入非本征摻雜p-on-n結構基于碲鋅鎘襯底液相外延碲鎘汞薄膜完成了150 K工作碲鎘汞中波紅外焦平面探測器技術突破。

2021年，昆明物理研究所采用砷離子注入非本征摻雜p-on-n結構，基于碲鋅鎘襯底液相外延碲鎘汞薄膜完成了高工作溫度碲鎘汞中波、長波紅外焦平面探測器研制，組件重量優于300 g，穩態功耗優于3 W。中波器件工作溫度優于150 K，噪聲等效溫差優于12 mK，盲元率優于0.5%，非均勻性優于5%，典型性能如圖17所示；長波器件工作溫度優于100 K，噪聲等效溫差優于22 mK，盲元率優于0.5%，非均勻性優于7%，典型性能如圖18所示。

圖17 高工作溫度碲鎘汞中波紅外焦平面性能

圖18 高工作溫度碲鎘汞長波紅外焦平面性能

新一代紅外探測器技術研究

隨著第二代紅外探測器全面成熟和第三代紅外探測器的廣泛應用，紅外技術進入多元化發展新階段，至今對新一代紅外探測器的概念未達成一致。基于紅外探測器更高靈敏度、更多維信息獲取等極限追求，結合遠距離暗弱目標探測識別、高速隱身目標搜索跟蹤等應用需求，新一代紅外探測器應具備光子計數級甚高靈敏度、多維信息全光感知等特征。2018年前后，國內開始新一代紅外探測器技術探索，重點圍繞億像素級甚高分辨率、線性雪崩甚高靈敏度、動態光譜集成等開展相關研究工作。

億像素級甚高分辨率紅外焦平面探測器

2020年，華北光電技術研究所開始8192 × 8192碲鎘汞中波、短波紅外焦平面探測器研制。同期，中國科學院上海技術物理研究所開展了6144 × 6144碲鎘汞短波紅外焦平面探測器研制，受制于碲鎘汞薄膜尺寸，焦平面陣列規模被限制在8192 × 8192以下，制約了甚高分辨率紅外焦平面的效能。2021年，昆明物理研究所基于Φ120 mm碲鋅鎘單晶定向生長突破，獲得高質量碲鋅鎘襯底，鋅組分均勻性優于0.36%，如圖19所示，支撐基于液相外延Φ120 mm碲鎘汞薄膜研制10240 × 10240甚高分辨率紅外焦平面探測器。

圖19 Φ120 mm碲鋅鎘襯底性能

2022年，昆明物理研究所在Φ120 mm碲鋅鎘單晶定向生長突破的基礎上，體系化開展了Φ150 mm碲鋅鎘單晶高質量生長、大面積組分均勻性控制、低應力大尺寸單晶切割、低損傷表面處理等系統研究，同步開展了超長液相外延生長溫區均勻性控制、超大裝載高溫度均勻石墨舟設計加工等核心技術攻關。初步結果表明，碲鎘汞薄膜相關技術接近國際先進水平，如圖20所示，為基于液相外延Φ150 mm碲鎘汞薄膜研制12288 × 12288甚高分辨率紅外焦平面探測器奠定基礎。

圖20 碲鎘汞薄膜國內外對比

線性雪崩紅外焦平面探測器

2018年，中國科學院上海技術物理研究所實現64 × 64碲鎘汞線性雪崩紅外焦平面探測器研制。2019年，昆明物理研究所研制成功電子倍增主/被動256×256碲鎘汞線性雪崩紅外焦平面探測器，在?7.1 V偏置電壓條件下，平均增益達到73，增益非均勻性優于3.2%，盲元率優于0.5%，如圖21所示。

圖21 256 × 256碲鎘汞線性雪崩紅外焦平面探測器性能

2022年，昆明物理研究所研制成功電子倍增320 × 256碲鎘汞線性雪崩紅外焦平面探測器，在?8.6 V偏置電壓條件下, 平均增益達到136，增益非均勻性優于3%，等效噪聲光子數優于16，時間分辨優于9.3 ns，如圖22所示。

圖22 320 × 256碲鎘汞線性雪崩紅外焦平面探測器性能

動態光譜集成紅外焦平面探測器

2018年，中國電科集團信息科學研究院開始集成法布里-珀羅諧振腔動態光譜碲鎘汞紅外焦平面探測器研制。2019年，昆明物理研究所充分考慮形變、應力等因素，通過對不同紅外材料低溫光學和結構力學物性的分析，優選單晶硅作為主要基質，優化光學和結構力學設計，采用微機電（MEMS）工藝，研制成功法布里-珀羅諧振腔調諧濾光組件。2022年，昆明物理研究所基于640 × 512碲鎘汞中波紅外焦平面探測器實現與法布里-珀羅諧振腔集成，法布里-珀羅諧振腔尺寸達到1.2 mm×1.2 mm、光譜范圍覆蓋3.39 μm ~4.61 μm、中心值透過帶寬優于250 nm、中心值峰值透過率優于93%。如圖23所示。

圖23 640 × 512碲鎘汞中波紅外動態光譜集成焦平面性能

結論與討論

第一代紅外探測器起始于碲鎘汞光電效應的科學發現，以多元光導為主要特征；第二代紅外探測器誕生于薄膜制備和集成電路的技術突破，以焦平面為主要特征；第三代紅外探測器濫觴于能帶剪裁和半導體加工工藝迭代，以高分辨和疊層雙色為主要特征。隨著量子理論愈發完備、微電子技術體系更替、微納加工技術快速迭代，新一代碲鎘汞紅外探測技術將迎來科學的復興、技術的突破和工藝的蛻變。隨著光場信息協同感知理論、可重構成像手段、神經形態視覺方法的發展，以光子計數級極限靈敏度、多維信息全光感知為主要特征，以超越規模、超越像元、超越光伏為主要途徑，以看得透、看的住、看得巧為主要目標的具體內涵將在未來一段時期內推動新一代紅外光電探測器技術由強度被動探測直視光學成像向多維調制非視域計算成像更新跨代，涵蓋億像素高精度探測、高探測率大面陣長波/甚長波探測、亞mK高溫度分辨率、光子級分辨、光場多維自適應感知、可重構智能化等內容。

審核編輯：劉清