红 外
第 4 0 卷 ，第 5 期
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新闻动态N ew s
用于夜视、军事导弹跟踪设备的
红外探测器新兴技术
红外光电探测器（
In fra re d P h o to d e te c to r ， 方法，在工业中得到了广泛应用，如电子电路的
I R P D ) 已应用于各种重要设备，如夜视、军事导
故障检测。
弹跟踪、医学成像、工业缺陷成像、环境感应和系
为 了 使 I R P D 工作，需要能吸收电磁辐射的
外行星勘探。成熟的光电探测器技术如碲镉汞、
基 于 I I I - V 族材料的光电探测器一直是该行业的
光敏材料。它将吸收的光转换为可由读出装置收
主导。在过去的几十年中，大量研究都致力于降
低制造成本、筒化制造工艺、提高产量和利用纳
米技术提高工作温度等。
红 外 辐 射 通 常 可 分 为 0 . 8 〜 3 u r n 的近红外
区域、3 〜 5 | x m 的 中 红 外 区 域 （
M id -W a v elen g th
In fra re d , M W I R ) 和 8 〜 12 n m 的长波红外区域
集的信号。为了使吸收过程发生，通常使用半导
体 材 料 。虽 然 也 可 以 使 用 非 半 导 体 方 法 （
例如电
磁辐射的直接整流，称 为 “整流天线”
），但与基于
半 导 体 的 I R P D 相比，这些方法的量子效率小很
多。对于不同的红外波段，红外探测需要不同带
隙的半导体材料。
(L o n g -W a v elen g th I n fr a re d ，L W I R ) 。M W IR 和 L W IR
目前，二 维 材 料 、量 子 阱 （
Q u a n tu m W ell,
对自由空间通信和天文学非常重要，因为在这波
Q W )、 量子点（
Q u a n tu m D o t, Q D ) 、 应变层超晶
段 大 气 层 的 透 明 度 高 ，传 输 没 有 明 显 的 损 失 。
M W I R 和 L W I R 波段也广泛应用于军用夜视和导
格（
S tra in e d -L a y e r S u p e rla ttic e , S L S ) 和肢体量子点
弹跟踪。红外检测是一种非接触式和非破坏性的
能 明 显 改 善 I R P D 的电子特性。
(C o lloid Q u a n tu m D o t, C Q D ) 等纳米结构已被证明
图 1 研 究 人 员用由新方法制造的成本低很多的相机拍摄的照片（
图片来源：X in T a n g 等)
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Absorbance {a.u.}
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1
Ag2Te
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S W IR -
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8
HgTeCQDs
{ .n « M O P U I M
•
SW IR
图 2 H g T eC Q D s双波段探测器的设计和工作原理（
图片来源：X iiiT a n g 等）
红外探测器
红外探测器主要有热释电探测器和光电探
芝加哥大学用量子点使红外摄像仪更便宜
芝加哥大学的科学家们取得了新的突破，有
测器。光电探测器的响应时间和灵敏度更高，但
朝一曰能生产出高成本效益比的红外摄像仪，这
它们通常需要冷却以减少热噪声。光电探测器材
样就可以为普通消费电子产品如手机提供红外
料一般是窄带隙半导体。
提高光电探测器性能的方法有2 种。一是改
摄像头，为自动驾驶的汽车提供传感器，使它能
善 吸 收 材 料 的 电 子 性 能 ，提高材料的探测率和
制作方法成本很高，而且生产周期长。而我们提
量子效率。另一种方法基于吸收材料电子的光耦
供的方法比传统方法快很多，而且性能更好，”
合。
博 士 后 X in T a n g 说，他 是 2 珂 2 5 曰 在 《N a tu re
在 过 去 的 2 0 年中，人们提出了几种改善红
更 准 确 地判断周围的环境。“红外摄像仪的传统
P h o t o n i c s 》 发表的一篇论文的第一作者。
外探测器性能的新想法。这些新想法主要针对高
“我们为其商业潜力而兴奋，”论文共同作者
工作温度焦平面阵列的驱动，旨在提高探测器的
物理和化学教授 P h ilip p e G u y o t-S io n n e s t 说。目前
工作温度，降低红外系统的成本。
基 于 I I - V I 族 材 料 的 IR P D
的红外摄像仪通过铺设多层半导体制成，整个过
II - V I 族材料化合物如 HgCdTe , 是非常重要
程棘手而且容易出错，这使得红外摄像仪很贵，
的半导体合金化合物，被 广 泛 应 用 于 1 〜25 |im
无法在大多数电子消费品中应用。
P h ilip p e G u y o t- S io n n e s t 的实验室转而研究量
光谱区间的红外探测器。由 于 H gC d T e 具有很高
子 点 ------只 有 几 纳 米 的 微 小 纳 米 粒 子 （
1 nm 相
的光吸收系数、量子效率和由固有复合机制导致
当于你的指甲每秒生长的长度）。这种尺寸下，
的长载流子寿命和高操作温度，带隙可根据成分
调节，因此 H gC dT e 是一种理想的红外材料，可用
量子点具有一些奇异的特性，这些特性会随着尺
来制作短波红外、中波红外及长波红外探测器。
特性。因此，可将量子点调节到红外光波段。
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寸大小变化，科学家通过调节大小来调控它们的
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表 1 制造商提供的 IRFPA参 数 表 （
来源：TanCL 等)
Manufacturer
Size
Goodrich corporation
Raytheon vision systems
Teledyne imaging sensors
Sofradir
Selex
AIM
SCD
DRSTechnologies
A
320x240
640x512
1024x1024
2048x2048
2048x2048
2048x2048
1024x1024
2047x1024
4096x4096
4096x4096
4096x4096
2048x2048
2048x2048
2048x2048
1000x256
1280x1024
384x288
640x512
640x512
640xS12
1024x768
640x512
640x512
640x512
640 x SI 2
38A x 288
1280x1024
2048x2048
1024x1024
2048x2048
Pixel size 〇im)
Detector
material
Spectral
range 〇im)
25x25
25x25
30x30
25x25
20x20
15x15
25x25
25x25
1 0 x l0 〇rlS xlS
10xlO 〇rl5 x l5
1 0 x l0 〇rlS xlS
18x18
18x18
18x18
30x30
15x15
25x25
20x20
24x24
24x24
16x16
24x24
24x24
24x24
15x15
40x40
15x15
18x18
25x25
18x18
InGaAs
InGaAs
InSb
HgCdTe
HgCdTe
HgCdTe/Si
Sl：As
SI：As
HgCdTe
HgCdTe
HgCdTe
HgCdTe
HgCdTe
HgCdTe
HgCdTe
HgCdTe
HgCdTe
QWIP
HgCdTe
HgCdTe
HgCdTe
HgCdTe
HgCdTe
HgCdTe
HgCdTe
Type IISL
InSb
Sl：As
0.9-1.7
0.4-1.7
0.6-5.0
0.6-5.0
0.8-2.5
3.0-5.0
5-28
5-28
1.0-1.7
1.0-2.5
1.0-5.4
1.0-1.7
1.0-2.5
1.0-5.4
0.8-2.5
3.7-A.8
SI：As
SI:Sb
7 .7 -9 .S
8.0-9.0
MIR
LWIR/MWIR
3-5
8-10
MW/LW
3-5
8-9
MW
3-5
5-28
5-28
S-40
Operating
temp (K)
300
300
50
32
A-10
78
6.7
(cm Hz,rt/W)
and NETD (mK)
D*
l x l 0 ,J
>6xl0»
120
77
37
120
77
37
<200
77-100
77-80
73
77-80
77-80
140
90
80
77
7.8
7.8
7.8
18
17
31
15-20
20-25
15
2h
28
25
40
35/25
20
B
Infrared radiation
QD layer
(k + 1)-th QD layer
Quantum dots
图 3 量子点结构和量子点导带的示意图（
图片来源：TanCL 等)
这种可调性对相机很重要，因为它们需要采
境的自动驾驶汽车。红外探测器能探测到生物的
集不同波段的红外光谱。“采集多个波段的红外
热特征，能透过雾霾探测到物体，因此汽车工程
光能提供更多的光谱信息，就像给黑白电视增添
色彩一样，”T a n g 解释道，“短波红外提供纹理和
师会喜欢车上配有红外探测器，但成本太高了。
化 学 成 分 信 息 ，中波红外提供温度信息。”对量
天想为我的实验室购置一台红外探测器，它将花
费 我 2 5 0 0 0 美元甚至更多，” G u y o t-S io n n e s t 说。
子点进行微调，使之能探测短波红外光和中波红
外光。
这样制作的相机的性能非常好，而且制作过
程更简单。“这是一个非常筒单的过程 ，”T a n g 说
红外探测器也使科学家更方便。“如果我今
“
但它在许多学科中都有很大用途，例如生物学
家喜欢追踪的蛋白质会发出红外信号。”
基于量子阱的IR P D
道，“只需一个烧杯，倒 入 1 种溶液，再 倒 入 第 2
量子胖红外光电探测器（
Q u a n tu m W ell In ­
种溶液 ， 5 〜 10 m i n 后，就生成了 一种制作探测
fra re d P h o to d e te c to r, Q W IP ) 是一种 利用量 子胖中
器的新溶液。”科学家说廉价的红外摄像仪有很
的电子子带带间跃迁来吸收光子的红外光电探
测器。Q W I P 由被势垒隔开的量子阱组成。所有
多潜在用途，例如依靠传感器扫描道路和周围环
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类 型 的 Q W I P 中，G a A s /A lG a A s 量子阱探测器技
术是最成熟的，这 是 因 为 G a A s 和 A l G a A s 的自然
晶格匹配近乎完美。G a A s /A lG a A s 量子阱有许多
优点，例 如 它 们 能 使 用 标 准 的 G a A s 制造技术和
加工技术，在 6 i n 的 G a A s 晶片上利用分子束外
延法生长，能良好地控制生长过程，产量高，成
本低，生长的晶片均匀，热稳定性好，硬度高。
护目镜可以增强可见光和近红外辐射。其他
将近红外与其他红外波段结合在一起的设备更
大，需要额外的电池，从而增加了系统的重量。
在地面作战中，重量大是一个禁忌，重量越轻越
好 。 C o n le y 的新型红外图像增强器，他称之为
“I-c u b e d ”，不会增加重量，也无需额外的电池
供电。
国防部技术转让的合作伙伴 T ed iL in k 公司，
与 NSWC -C ra n e 技术转让办公室协商，将向夜视
设备公司或其他应用如机器视觉、热像仪、安全
系统和自动驾驶汽车等公司推广该技术。
超 薄 T L A 材料能拓宽红外应用范围
高 质 量 探 测 器 的 成 本 将 近 1.0x 10s 美元，其
中一些需要冷却至- 200° C 。现在，由悉尼大学研
究人员带头的研究表明，仅几百个原子厚度的半
导 体 层 的 光 吸 收 效 率 大 大 提 高 ，从 目 前 的 7.7%
增长到99%。
图 4 G aA s/A lG aA s Q W I P 在 零 偏 置 （
上）和有限
偏置（
下）情况下的导带分布示意图（
图片来源：
T an C L 等）
新兴纳米探测材料
D A R P A 已 向 中 佛 罗 里 达 大 学 研 究 员 D—
bashis C h a n d a 领 导 的 团 队 拨 款 1 3 0 万 美 元 ，资
助研发可用于夜视、气象和太空探索的下一代红
外探测器。
海军工程师利用超材料来増强地面部队的
夜视能力
一名海军工程师发明了一种不用增加重量
或更多电池而改善夜视装置的突破性方法。美国
海军水面作战中心起重机部门的电光工程师 Ben
C onley 博士研发出一种能为战士提供全红外波段
的特殊超材料。2018年 8 月 2 8 曰，海军已经获得
了 C o n ley 技术的美国专利。
“我们的地面部队将在所有的环境包括洞穴
和隧道中看到更多更清晰的信息，”C o n le y 告诉
T e d iL in k 。“敌军藏在灌木丛中？没关系，我们能
由普通材料制作的超薄光栅表明，当凹槽被
刻蚀成薄膜，将光引向侧面时，光吸收效率增大
到 9 9 % 。半导体材料与光探测器和光调制器等光
电应用兼容，从而能使红外技术的成本更低，更
容易使用。
研 究 员 Bj 6rn S tu rm b erg 说，该研究结果不依
赖于特定的材料，可用于许多自然弱吸收体。“许
多应用能从完美吸收的超薄薄膜中大大受益，从
防御、 自动农业机器人到医疗工具、电子消费品
等。”
基于纳米结构的増透膜和光捕获效应
增大吸收率并同时保持探测器的光厚度不
变的可能方法之一是确保通过探测器的光路径
较长并使入射到纳米结构上的光最多。我们的想
法是使入射光最多并捕获已经进入活动区的光，
尽可能使光长时间地留在纳米结构中。在光离开
纳米结构之前，让光束从表面返回到探测器中。
通过减少入射面的反射，使入射进光学元件的光
通量最大。
探测到他们身体发出的热信息。”与大多数物理
学家将红外光作为粒子来处理不一样，C o n le y 将
它看成波。利 用 微 金 属 结 构 （
2 5 个这种结构相当
于人类头发的宽度），C o n le y 制造了一个能探测
到光波的红外天线。C o n le y 的超材料天线以后将
过在谐振镜（
通常由高反镜和分布式布拉格镜构
拓展敏感波段，增加短波和中波红外波段。
物质相互作用结构，如等离子体和纳米天线。
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I R P D 中最常用的光捕获结构是谐振腔。通
成）之间设置有源谐振腔，可以显著提高探测器
的光吸收效率。目前快速增长的研究领域是光与
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T o p v i e w __________________
3 D v ie w
C o n v e n tio n a l R C E P D
~
^ x3 pairs
C S Q W -R C E P D
B o tto m D B R
〇
G a A s / A l ^ G a o 10A s
3 0 . 5 p a ir s
S e m i-in s u la tin g G a A s S u b .
图 5 制作的谐振腔增强型光电探测器的三维示意图、显微镜顶视图和扫描电子显微镜横截
面图（
图片来源：T a n C L 等)
图片来源：Tan C L 等)
图 6 不同类型的等离子体结构（
新光电探测器可用于N
A S A
的热像仪
美国国家航空航天局（
N a tio n a l A e ro n a u tic s
Im a g e r，C T I) 。 该 热 像 仪 将 在 机 器 人 服 务 展 示 中
演示。
a n d S p ace A d m in istra tio n , N A S A ) 已 经 研 发 出 一 种
S L S 组 件 是 一 种 大 型 的 探 测 器 ，长 16 i n ，高
采 用 SLS技 术 的 紧 凑 型 热 像 仪 （
C o m p a c t T h e rm a l
6 i n 。 据 工 程 师 M u rzy J h a b v a l a 的 说 法 ， 它 消 耗
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的能量很小，在液氮温度下工作，高技术水平条
1 0 倍，可以在更宽的红外光谱范围和更高的温度
件下很容易制造，几乎与一次性用品的价格一样
下工作（
S L S 阵 列 为 77 K
便宜。
4 2 K 温度下工作）。因 为 S L S 阵列能在更高的温
，
而 Q W I P 阵列需要在
J h a b v a l a 说，这种探测器可以根据不同的应
度下工作，它的制冷系统更小，因此功耗更低。
用需求快速、轻松地定制，例 如 ，G o d d a r d 探测
在 N A S A 下 一 个机 器人 加 油任 务3 期间，
器研发实验室最近制作了一个 1 0 2 4 x 1 0 2 4 像素的
C T I 将对地球表面的火灾、冰川、雪面温度进行
S L S 阵列，并 计 划 近 期 将 尺 寸 增 大 到 2048 x 2048
成像和测量，它也将测量从土壤、植物转移到大
像素。
气中的水分。
J h a b v a l a 与他的工业合作伙伴------位 于 N ew
H a m p s h ir e 州 的 Q m a g iQ 公司，合 作 研 发 S L S 探测
C T I 和 S L S 探测器将利用混合计算系统控制
器组件。J h a b v a l a 、 其合作者及政府花了二十多
仪器及处理在轨道上时拍摄的图像和视频。
J h a b v a la 说， 目标是将 S L S 的技术成熟水平
年的时间来改善该技术。
提 高 到 9 级，这意味着它能完成太空飞行，并且
与其前身相比，S L S 探测器的灵敏度提高了
在太空极端环境下运行良好。
右图）的 分 辨 率 更 高 （
图片来源：NASA)
图 7 与量子阱红外光电探测器技术（
左图）相 比 ，SLS 探 测 器 阵 列 （
“这 是 非常重要的技术里程碑，” J h a b v a la
说。 “我们需要这项研究。当我们能制造、组装
手机、步枪瞄准镜或眼镜。其价格足够便宜，可
以为每位士兵购买。
探测器阵列并能对齐成焦平面阵列，能批量生产
D A R P A 和他的工业合作伙伴能将像素尺寸
时，将来我们就能从太空拍摄大片地球表面。”
D A R P A 的低成本热像仪计划
缩 小 到 10 p m 和 12 p m 。“随着像素的尺寸变小，
美国国防部高级研究计划局（
〇6(61186入(1v a n c e d R e se a rc h P ro je c ts A gency, D A R P A ) 的低成
传感器也更小。传感器尺寸不变时可以提高分辨
率，”D l i a r 说。他们也研发了能像制造手机相机
一样压印在晶片上的新光学材料。
本热像仪计划旨在改善红外传感器的技术水平，
(信 息 来 源 ： h ttp s ://id s tc h .c o m 网 站 )
制造出足够小的红外传感器，可以将其嵌入智能
□张小华
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