碲鎘汞是一種近乎理想的紅外探測(cè)器材料，吸收系數(shù)高、量子效率高、載流子壽命長(zhǎng)、工作溫度高，而且通過調(diào)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(diào)、高電子遷移率和低介電常數(shù)等特點(diǎn)。尤其是隨著組分的變化，晶格常數(shù)幾乎不變，非常適合于制備多層異質(zhì)結(jié)構(gòu)等復(fù)雜結(jié)構(gòu)的復(fù)合薄膜。碲鎘汞可以用于研制多種類型的探測(cè)器，如光導(dǎo)、光伏和MIS探測(cè)器等，形成了覆蓋近紅外、短波、中波、長(zhǎng)波及甚長(zhǎng)波紅外波段各種規(guī)格（32 × 1 ~ 8000 × 8000）、各種應(yīng)用的全系列探測(cè)器，支撐起從一代至三代的整個(gè)現(xiàn)代紅外技術(shù)體系。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，昆明物理研究所的科研團(tuán)隊(duì)在《中國(guó)科學(xué)》期刊上發(fā)表了以“昆明物理研究所碲鎘汞紅外探測(cè)器研究進(jìn)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(jīng)發(fā)展了三代紅外探測(cè)器。第一代紅外探測(cè)器的主要特點(diǎn)是一維光導(dǎo)探測(cè)器線列，通過光機(jī)掃描獲得目標(biāo)二維空間圖像，得到廣泛應(yīng)用；第二代紅外探測(cè)器的主要特點(diǎn)是二維光伏探測(cè)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(cè)器的主要特點(diǎn)是在第二代基礎(chǔ)上進(jìn)一步提出了百萬(wàn)像素高分辨率、雙/多色等高性能、低成本要求。隨著紅外探測(cè)器技術(shù)的發(fā)展，在雪崩模式、甚長(zhǎng)波、雙/多色、偏振、小尺寸像元等探測(cè)機(jī)理，能帶工程、分子束外延、金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積和液相外延等材料設(shè)計(jì)與制備，工作溫度、片上數(shù)字化等信號(hào)處理，組件級(jí)、片上封裝等領(lǐng)域均取得顯著技術(shù)突破。紅外焦平面探測(cè)器技術(shù)的多元化發(fā)展導(dǎo)致至今對(duì)第四代紅外探測(cè)器的定義未形成統(tǒng)一觀點(diǎn)，但到目前為止，碲鎘汞仍是性能領(lǐng)先的紅外探測(cè)器材料。

第一代紅外探測(cè)器技術(shù)研究

1960~1970年，半導(dǎo)體微電子領(lǐng)域開發(fā)的光刻技術(shù)成功引入紅外探測(cè)器制造過程，發(fā)展了第一代光導(dǎo)型多元線列紅外探測(cè)器。第一代多元光導(dǎo)紅外探測(cè)器工作在液氮溫度，由像元完成光電信號(hào)轉(zhuǎn)換，然后使用室溫工作的前置放大器對(duì)每個(gè)像元輸出電信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理及模擬信號(hào)放大輸出。每一個(gè)像元都必須通過獨(dú)立信號(hào)線穿過液氮低溫環(huán)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(gè)瞬態(tài)模擬電壓或電流信號(hào)。在給定光學(xué)視場(chǎng)中，過多的金屬線必然增加了杜瓦的熱負(fù)載，導(dǎo)致微型制冷機(jī)的制冷能力無法承受，因此需要限制紅外探測(cè)器像元的引出電極、信號(hào)傳輸線數(shù)量，導(dǎo)致第一代紅外探測(cè)器的像元數(shù)量非常有限，一般不超過200元。美國(guó)采用60元、120元和180元的光導(dǎo)型紅外探測(cè)器作為熱像儀通用組件。英國(guó)發(fā)明了新穎的SPRITE紅外探測(cè)器，它把普通的碲鎘汞光導(dǎo)紅外探測(cè)器技術(shù)與時(shí)間延遲積分技術(shù)相結(jié)合，在一個(gè)長(zhǎng)條探測(cè)像元中完成信號(hào)的時(shí)間延遲積分。

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

國(guó)內(nèi)多家單位開展了碲鎘汞體晶材料的生長(zhǎng)研究，如昆明物理研究所、中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所、航天科工集團(tuán)三院8358所、華北光電技術(shù)研究所等，相繼取得較好結(jié)果。昆明物理研究所從1970年開始碲鎘汞體晶材料的生長(zhǎng)研究，到1989年，布里奇曼法、碲溶劑法、固態(tài)再結(jié)晶法等工藝成熟，可以批量提供滿足光導(dǎo)型紅外探測(cè)器需要的優(yōu)質(zhì)碲鎘汞體晶材料。同時(shí)，為了擴(kuò)展應(yīng)用范圍，還發(fā)展了生長(zhǎng)管外加壓平衡方法，防止生長(zhǎng)管爆炸，成功生長(zhǎng)了Φ40 mm的大直徑碲鎘汞晶體，組分均勻性、結(jié)構(gòu)參數(shù)、電學(xué)參數(shù)均滿足光導(dǎo)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(guó)內(nèi)開展第一代紅外探測(cè)器技術(shù)研究，先后研制了32元I型、SPRITE II型碲鎘汞光導(dǎo)器件，形成批量生產(chǎn)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(dǎo)紅外探測(cè)器，顯著提升探測(cè)性能，32元I型產(chǎn)品典型信噪比優(yōu)于130，探測(cè)率優(yōu)于5.5×101? cm Hz1/2 W?1，響應(yīng)率優(yōu)于7.0×10? V W?1，如圖1所示；SPRITE II型典型信噪比優(yōu)于880，探測(cè)率優(yōu)于2.0×1011 cm Hz1/2 W?1，響應(yīng)率優(yōu)于4.0×10? V W?1，如圖2所示。

圖1 32元I型碲鎘汞光導(dǎo)器件性能

圖2 SPRITE II型碲鎘汞光導(dǎo)器件性能

第二代紅外探測(cè)器技術(shù)研究

1970~1980年，隨著硅電荷耦合器件的發(fā)明和集成電路技術(shù)進(jìn)步，像元內(nèi)實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換和信號(hào)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(cè)器，如圖3所示，探測(cè)器芯片組由探測(cè)器芯片和讀出電路信號(hào)處理芯片通過銦柱倒裝互連形成。面陣紅外焦平面探測(cè)器技術(shù)將像元對(duì)信號(hào)的積分時(shí)間從10?? s提高到10?3 s，約3個(gè)數(shù)量級(jí)，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(zhǎng)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(zhì)優(yōu)良的紅外/熱圖像，這是第二代紅外/熱成像技術(shù)將工作波段由長(zhǎng)波擴(kuò)展至中波和短波紅外的基礎(chǔ)。

圖3 紅外焦平面探測(cè)器芯片組示意

第二代紅外焦平面探測(cè)器主要基于碲鎘汞薄膜研制。1979年，液相外延、金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積碲鎘汞成功，1981年，分子束外延碲鎘汞成功，推動(dòng)碲鎘汞焦平面陣列研制。目前液相外延碲鎘汞技術(shù)發(fā)展最成熟，基于碲鋅鎘襯底實(shí)現(xiàn)碲鎘汞薄膜規(guī)?；a(chǎn)，支撐第二代碲鎘汞紅外探測(cè)器批量生產(chǎn)。

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

圖4 288 × 4碲鎘汞長(zhǎng)波紅外焦平面探測(cè)器性能

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

圖5 320 × 256碲鎘汞中波紅外焦平面探測(cè)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(jí)，研制的1024 × 6碲鎘汞長(zhǎng)波紅外探測(cè)器，典型探測(cè)率優(yōu)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(shù)研究所和中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所的類似產(chǎn)品性能相當(dāng)；研制的640 × 512碲鎘汞中波紅外探測(cè)器典型噪聲等效溫差優(yōu)于10 mK，盲元率優(yōu)于0.3%，非均勻性優(yōu)于5%，如圖7所示。與華北光電技術(shù)研究所、中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)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(chǎn)品性能相當(dāng)。

圖6 1024 × 6碲鎘汞長(zhǎng)波紅外焦平面探測(cè)器性能

圖7 640 × 512碲鎘汞中波紅外焦平面探測(cè)器性能

第三代紅外探測(cè)器技術(shù)研究

1999年，Donald Reago等人提出以百萬(wàn)像素高分辨率、雙/多色為主要特征的第三代紅外探測(cè)器概念。2000年，Norton等人基于第三代紅外焦平面探測(cè)器的難點(diǎn)分析，明確高性能紅外焦平面探測(cè)器的發(fā)展目標(biāo)仍是更高靈敏度，并補(bǔ)充了亞毫開爾文高溫度靈敏度、近百dB大動(dòng)態(tài)范圍等具體內(nèi)涵。2008年前后，國(guó)內(nèi)開始第三代紅外探測(cè)器研制，重點(diǎn)圍繞高分辨率、雙/多色、長(zhǎng)波/甚長(zhǎng)波、高工作溫度紅外焦平面等開展相關(guān)工作。

高分辨率紅外焦平面探測(cè)器

國(guó)內(nèi)碲鎘汞高分辨率紅外焦平面探測(cè)器的研制始于對(duì)標(biāo)法國(guó)Lynred公司的Jupiter組件。2012年，華北光電技術(shù)研究所基于碲鋅鎘襯底液相外延碲鎘汞薄膜實(shí)現(xiàn)1024 × 1024碲鎘汞中波紅外焦平面技術(shù)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(yōu)于18 mK，盲元率優(yōu)于0.1%，非均勻性優(yōu)于5%（圖8），實(shí)現(xiàn)與法國(guó)Lynred公司Jupiter組件插拔互換；2016年，中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所基于硅襯底分子束外延碲鎘汞薄膜實(shí)現(xiàn)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(fā)布1280 × 1024碲鎘汞中波紅外焦平面產(chǎn)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(chǎn)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(shù)研究所發(fā)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(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所報(bào)道基于硅襯底分子束外延碲鎘汞薄膜實(shí)現(xiàn)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(chǎn)，其中中波噪聲等效溫差優(yōu)于20 mK，盲元率優(yōu)于0.5%，非均勻性優(yōu)于10%；短波噪聲等效溫差優(yōu)于35 mK，盲元率優(yōu)于0.5%，非均勻性優(yōu)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(cè)器

2008年，國(guó)內(nèi)開始碲鎘汞雙/多色紅外焦平面探測(cè)器的研制。2013年，中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)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(zhǎng)波雙色紅外焦平面驗(yàn)證，昆明物理研究所基于鍺襯底分子束外延碲鎘汞薄膜實(shí)現(xiàn)128 × 128碲鎘汞中波/長(zhǎng)波雙色紅外焦平面研制，探測(cè)率優(yōu)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(yōu)于0.6%（中波）、0.5%（短波），非均勻性優(yōu)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(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所基于硅襯底分子束外延碲鎘汞薄膜實(shí)現(xiàn)320 × 256碲鎘汞中波/長(zhǎng)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(shí)現(xiàn)320 × 256碲鎘汞中波/長(zhǎng)波雙色紅外焦平面研制，探測(cè)率優(yōu)于3×1011 cm Hz1/2 W?1（中波）、2×1012 cm Hz1/2 W?1（短波），盲元率優(yōu)于0.6%（中波）、0.6%（短波），非均勻性優(yōu)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(shí)現(xiàn)640 × 512碲鎘汞中波/長(zhǎng)波雙色紅外焦平面研制，噪聲等效溫差優(yōu)于20 mK（中波）、30 mK（長(zhǎng)波），盲元率優(yōu)于0.5%（中波）、1.5%（長(zhǎng)波），非均勻性優(yōu)于5%（中波）、10%（長(zhǎng)波），成像效果如圖13所示。

圖13 640 × 512碲鎘汞中波（左）/長(zhǎng)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(shí)現(xiàn)640 × 512碲鎘汞中波/長(zhǎng)波雙色紅外焦平面產(chǎn)品研制，探測(cè)率優(yōu)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(yōu)于0.6%（中波）、0.5%（短波），非均勻性優(yōu)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(zhǎng)波、甚長(zhǎng)波紅外焦平面探測(cè)器

2000年，中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所開始長(zhǎng)波、甚長(zhǎng)波紅外焦平面探測(cè)器技術(shù)的研究，確定了基于p-on-n器件結(jié)構(gòu)為主發(fā)展長(zhǎng)波/甚長(zhǎng)波紅外焦平面探測(cè)器的技術(shù)方向。2012年，華北光電技術(shù)研究所采用汞空位本征摻雜n-on-p結(jié)構(gòu)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(zhǎng)320 × 256長(zhǎng)波紅外焦平面探測(cè)器工藝實(shí)現(xiàn)。2013年，華北光電技術(shù)研究所采用汞空位本征摻雜n-on-p結(jié)構(gòu)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(zhǎng)640 × 512長(zhǎng)波紅外焦平面探測(cè)器研制。2015年，昆明物理研究所采用金非本征摻雜n-on-p結(jié)構(gòu)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(zhǎng)256 × 256長(zhǎng)波紅外焦平面探測(cè)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(jié)構(gòu)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(zhǎng)640 × 512長(zhǎng)波紅外焦平面探測(cè)器研制。2019年，華北光電技術(shù)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(zhǎng)1000 × 1000長(zhǎng)波紅外焦平面探測(cè)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(jié)構(gòu)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(zhǎng)256 × 256，640 × 512，1024 × 768，2048 × 2048長(zhǎng)波紅外焦平面探測(cè)器譜系產(chǎn)品研制，典型產(chǎn)品噪聲等效溫差優(yōu)于15 mK，盲元率優(yōu)于0.5%，非均勻性優(yōu)于10%，典型性能如圖15所示；完成15.0 μm以上截止波長(zhǎng)320 × 256，640 × 512甚長(zhǎng)波紅外焦平面探測(cè)器研制，典型產(chǎn)品噪聲等效溫差優(yōu)于30 mK，盲元率優(yōu)于0.5%，非均勻性優(yōu)于10%，典型性能如圖16所示。

圖15 10.0 μm截止波長(zhǎng)碲鎘汞長(zhǎng)波紅外焦平面性能

圖16 15.0 μm截止波長(zhǎng)碲鎘汞長(zhǎng)波紅外焦平面性能

高工作溫度紅外焦平面探測(cè)器

2015年，國(guó)內(nèi)開始高工作溫度紅外焦平面探測(cè)器研制。提高紅外探測(cè)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(jié)構(gòu)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(cè)器技術(shù)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(jié)構(gòu)，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(zhǎng)波紅外焦平面探測(cè)器研制，組件重量?jī)?yōu)于300 g，穩(wěn)態(tài)功耗優(yōu)于3 W。中波器件工作溫度優(yōu)于150 K，噪聲等效溫差優(yōu)于12 mK，盲元率優(yōu)于0.5%，非均勻性優(yōu)于5%，典型性能如圖17所示；長(zhǎng)波器件工作溫度優(yōu)于100 K，噪聲等效溫差優(yōu)于22 mK，盲元率優(yōu)于0.5%，非均勻性優(yōu)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(zhǎng)波紅外焦平面性能

新一代紅外探測(cè)器技術(shù)研究

隨著第二代紅外探測(cè)器全面成熟和第三代紅外探測(cè)器的廣泛應(yīng)用，紅外技術(shù)進(jìn)入多元化發(fā)展新階段，至今對(duì)新一代紅外探測(cè)器的概念未達(dá)成一致?；诩t外探測(cè)器更高靈敏度、更多維信息獲取等極限追求，結(jié)合遠(yuǎn)距離暗弱目標(biāo)探測(cè)識(shí)別、高速隱身目標(biāo)搜索跟蹤等應(yīng)用需求，新一代紅外探測(cè)器應(yīng)具備光子計(jì)數(shù)級(jí)甚高靈敏度、多維信息全光感知等特征。2018年前后，國(guó)內(nèi)開始新一代紅外探測(cè)器技術(shù)探索，重點(diǎn)圍繞億像素級(jí)甚高分辨率、線性雪崩甚高靈敏度、動(dòng)態(tài)光譜集成等開展相關(guān)研究工作。

億像素級(jí)甚高分辨率紅外焦平面探測(cè)器

2020年，華北光電技術(shù)研究所開始8192 × 8192碲鎘汞中波、短波紅外焦平面探測(cè)器研制。同期，中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所開展了6144 × 6144碲鎘汞短波紅外焦平面探測(cè)器研制，受制于碲鎘汞薄膜尺寸，焦平面陣列規(guī)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(zhǎng)突破，獲得高質(zhì)量碲鋅鎘襯底，鋅組分均勻性優(yōu)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(cè)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(zhǎng)突破的基礎(chǔ)上，體系化開展了Φ150 mm碲鋅鎘單晶高質(zhì)量生長(zhǎng)、大面積組分均勻性控制、低應(yīng)力大尺寸單晶切割、低損傷表面處理等系統(tǒng)研究，同步開展了超長(zhǎng)液相外延生長(zhǎng)溫區(qū)均勻性控制、超大裝載高溫度均勻石墨舟設(shè)計(jì)加工等核心技術(shù)攻關(guān)。初步結(jié)果表明，碲鎘汞薄膜相關(guān)技術(shù)接近國(guó)際先進(jìn)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(cè)器奠定基礎(chǔ)。

圖20 碲鎘汞薄膜國(guó)內(nèi)外對(duì)比

線性雪崩紅外焦平面探測(cè)器

2018年，中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所實(shí)現(xiàn)64 × 64碲鎘汞線性雪崩紅外焦平面探測(cè)器研制。2019年，昆明物理研究所研制成功電子倍增主/被動(dòng)256×256碲鎘汞線性雪崩紅外焦平面探測(cè)器，在?7.1 V偏置電壓條件下，平均增益達(dá)到73，增益非均勻性優(yōu)于3.2%，盲元率優(yōu)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(cè)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(cè)器，在?8.6 V偏置電壓條件下, 平均增益達(dá)到136，增益非均勻性優(yōu)于3%，等效噪聲光子數(shù)優(yōu)于16，時(shí)間分辨優(yōu)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(cè)器性能

動(dòng)態(tài)光譜集成紅外焦平面探測(cè)器

2018年，中國(guó)電科集團(tuán)信息科學(xué)研究院開始集成法布里-珀羅諧振腔動(dòng)態(tài)光譜碲鎘汞紅外焦平面探測(cè)器研制。2019年，昆明物理研究所充分考慮形變、應(yīng)力等因素，通過對(duì)不同紅外材料低溫光學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)物性的分析，優(yōu)選單晶硅作為主要基質(zhì)，優(yōu)化光學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)設(shè)計(jì)，采用微機(jī)電（MEMS）工藝，研制成功法布里-珀羅諧振腔調(diào)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(cè)器實(shí)現(xiàn)與法布里-珀羅諧振腔集成，法布里-珀羅諧振腔尺寸達(dá)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(yōu)于250 nm、中心值峰值透過率優(yōu)于93%。如圖23所示。

圖23 640 × 512碲鎘汞中波紅外動(dòng)態(tài)光譜集成焦平面性能

結(jié)論與討論

第一代紅外探測(cè)器起始于碲鎘汞光電效應(yīng)的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，以多元光導(dǎo)為主要特征；第二代紅外探測(cè)器誕生于薄膜制備和集成電路的技術(shù)突破，以焦平面為主要特征；第三代紅外探測(cè)器濫觴于能帶剪裁和半導(dǎo)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(fā)完備、微電子技術(shù)體系更替、微納加工技術(shù)快速迭代，新一代碲鎘汞紅外探測(cè)技術(shù)將迎來科學(xué)的復(fù)興、技術(shù)的突破和工藝的蛻變。隨著光場(chǎng)信息協(xié)同感知理論、可重構(gòu)成像手段、神經(jīng)形態(tài)視覺方法的發(fā)展，以光子計(jì)數(shù)級(jí)極限靈敏度、多維信息全光感知為主要特征，以超越規(guī)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(biāo)的具體內(nèi)涵將在未來一段時(shí)期內(nèi)推動(dòng)新一代紅外光電探測(cè)器技術(shù)由強(qiáng)度被動(dòng)探測(cè)直視光學(xué)成像向多維調(diào)制非視域計(jì)算成像更新跨代，涵蓋億像素高精度探測(cè)、高探測(cè)率大面陣長(zhǎng)波/甚長(zhǎng)波探測(cè)、亞mK高溫度分辨率、光子級(jí)分辨、光場(chǎng)多維自適應(yīng)感知、可重構(gòu)智能化等內(nèi)容。

審核編輯：劉清