综述∣红外光电探测技术研究现状及展望

红外光电探测器是红外产业链的核心,其最早应用于军事领域,如今在现代战争中仍是重要战略手段。随着红外探测技术的逐渐成熟,适用于医疗、安全和商业等民用的低成本红外探测器也得到了广泛应用。红外探测技术在激光测距、成像、遥感、夜视等领域有重要应用,降低红外光电探测器的尺寸、重量、功耗和成本,以及提高探测器的性能是目前的研究重点。

据麦姆斯咨询报道,通讯作者为中国科学院半导体研究所研究员、中央民族大学教授李传波在《光子学报》中以“红外光电探测技术研究现状及展望”为题发布了综述论文,对红外探测器技术的发展历程、工作原理及研究现状并对其未来发展方向进行了展望。论文链接:https://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1235.O4.20210928.0357.010.html

论文内容主要涵盖基于碲镉汞、Ⅱ类超晶格、量子阱、量子点、硅基锗锡等材料的光子型红外光电探测器及其阵列。红外系统成本降低最终取决于在常温条件下耗尽电流限探测器阵列像素密度是否与系统光学元件的背景极限和衍射极限性能匹配,选择HgCdTe、Ⅱ类超晶格和胶体量子点等材料可提高光子探测器室温性能。各种红外探测器在性能方面各具特色,在实际应用中互为补充。

成像阵列格式与硅微处理器技术和动态存取存储器的复杂性对比(引自《Progress in focal plane array technologies》)
锑化物红外探测器领域发展路线(引自《锑化物红外探测器国内外发展综述》)

红外探测器的发展与选择直接关系到国防和工业的发展,碲镉汞红外探测器由于其优异的性能,将在未来继续扩大其应用范围。而量子阱红外探测器可以在长波领域实现大规模阵列,弥补在长波范围内碲镉汞存在的材料均匀性问题。Ⅱ类超晶格红外探测器在长波及甚长波范围内实现了更优异的性能,在理论和器件性能方面都展现出巨大的发展潜力和应用前景。可以预见,以碲镉汞、量子阱、超晶格和量子点为代表的传统红外探测器仍将主导整个红外探测领域,并在应用方面形成互为补充的支撑关系。

红外探测技术发展的核心是提高其性能,下一代红外光子探测芯片将集中在更大数量像素、更高帧率、多色化、片上操作和高工作温度等方面,并在在实际应用时权衡尺寸、功耗、成本等参数,达到最优化设计。未来民用和军用红外探测器发展主要通过提高FPA的工作温度来减少红外成像系统的成本,HgCdTe等材料表现出的良好性能往往需要在低温下工作,这对器件实现小型化、低成本和便携性等方面十分不利。目前采用热电制冷的高工作温度红外探测器发展十分迅速,通过提高器件的工作温度,可大幅节约其冷却成本,从而降低芯片的功耗并增加其可靠性。

该项目获得国家重点研究发展计划(No.2018YFB2200500)、国家自然科学基金(Nos.61974170,61934007,62050073)的支持,第一作者为中央民族大学硕士研究生马润泽,通讯作者为中国科学院半导体研究所研究员、中央民族大学教授李传波。

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