引言

红外探测器技术兴盛于第二次世界大战，最初的应用主要集中于军事领域，如遥感、航天、夜视等。而随着数十年的发展，红外探测器技术在民用领域也开辟了自己强大的阵地，被广泛应用于气体检测、光通信、医学诊断等等。本文对航天先进红外探测器组件技术及其应用的相关问题进行了探讨。

一、红外探测器的技术与应用

（一）HgCdTe探测器

1959年，Lawson和他的同事们成功研制出基于HgCdTe合金的红外探测器。由于HgTe和CdTe的晶格匹配，HgCdTe的组分调节有着极大的自由度，使得它的带隙覆盖几乎整个红外探测的波段，成为了近几十年来泛用性最强的红外探测器。HgCdTe的优势不仅在于带隙可调，波长覆盖1-30µm，还在于它是直接带隙，对红外光的吸收能力也很强，制成的器件具有较高的量子效率。并且，HgCdTe材料的电子迁移率高，介电常数小，组分自由使得它应用模式也非常多样，可以制成光电导型红外探测器，然而，Hg-Te键作用较弱，其材料的表面态和界面态都缺乏稳定性，且其材料的均匀性差也是亟待解决的问题。近些年HgCdTe材料的研究进展愈发地缓慢，除了对HgCdTe探测器的技术改良外，科研人员已逐渐把注意力转向各种新型材料结构的红外探测器上来。

（二）超晶格探测器

随着材料外延技术的发展，人们对材料结构的控制能够越来越精细，能制备的结构逐渐进入存在量子限制效应的尺度。超晶格和量子阱的结构开始走进人们的视野。1970年，IBM的江崎和朱兆祥首次提出了超晶格的概念，即用两种晶格匹配的材料交替生长，使得结构具有量子限制的同时又具有各个势阱内波函数的耦合。各个势阱中的分立能级由于耦合作用得以扩展成微带，最终导致电子在结构中的运动产生周期性的振荡，用于探测器制备中则可以有效降低俄歇复合的几率。在红外探测器的结构中如今使用最广泛的是二类超晶格。相比于光电二极管和HgCdTe探测器，这类探测器由于电子和空穴在实空间中位置的分离，有效减低了俄歇复合概率，能够抑制器件的暗电流。并且，超晶格的能带带隙也有相当大的自由度，响应波长理论上也可覆盖3-30µm的超宽谱。尽管基于材料结构原理，理论上超晶格探测器在响应波长范围、工作温度等多个方面都足以取代甚至超越HgCdTe红外探测器。然而，目前超晶格探测器还主要存在于实验室中，得到材料结构中载流子寿命很短，实测暗电流很大，且现存的工艺水平以及物料成本也尚不足以支撑超晶格探测器大规模地走向实际的应用生产，亦即超晶格探测器的产业化还有较长的路需要走。

（三）量子阱探测器

不同于超晶格，多量子阱结构中势阱之间的垒层厚度更厚，可以有效隔开每个量子阱，因此波函数之间几乎没有交叠。这使得量子阱探测器的工作和超晶格有很大的不同。相比于其他几种红外探测器利用材料带隙的吸收跃迁来实现光电转换，量子阱探测器则是利用势阱中的子带吸收跃迁实现对入射光的响应，因为子带跃迁的能级差很小，所以很适合长波红外波段的探测。如果使用上述其他结构，利用带隙跃迁想要实现10µm波长以上的探测，就需要材料带隙小于0.1eV。这样窄带隙的材料对材料的外延生长制备要求非常高，且后续的工艺和封装难度也很大，并且过窄的带隙也会带来暗电流难以抑制等等诸多问题。因此，量子阱红外探测器的出现给了长波红外探测范围新的解决方案。较为典型的量子阱探测器是GaAs/AlGaAs探测器，由于使用的是GaAs基材料，其外延制备和工艺技术都相对成熟，使得QWIP能获得很好地均匀性和生产良率。随着半导体材料的发展，近年来除了上述GaAs基材料外，InP基QWIP也逐渐吸引了越来越多研究者的目光。

二、红外探测器组件技术与应用

（一）红外焦平面探测器封装

随着航天遥感仪器的发展，红外探测器逐步从单元器件和小规模线列发展为超长线列和超大规模面阵焦平面探测器。红外焦平面探测器的可靠性封装是制冷与红外焦平面器件耦合的关键部件，是红外成像系统的核心部件之一，集成了焦平面模块、滤光片、冷屏、封装结构、制冷器等部件，为红外焦平面器件低温工作提供良好的光、机、电、热平台及传输通道，同时是红外焦平面器件的封装和保护装置。

（二）制冷型红外探测器IDDCA组件

组件集成是指将各功能单元联系并组合成一个功能整体的过程。对于制冷型红外系统而言，是指将红外探测器、杜瓦及制冷机通过机械、热学、电学及光学等接口通过一系列技术手段，集成及耦合成为一个红外探测器组件的过程。随着波长向长波扩展和探测灵敏度的提高，红外探测器必须在深低温下才能工作，对于制冷型红外探测器组件，目前在应用中多采用机械制冷方式。制冷型红外探测器根据探测器波段不同一般工作于60-100K温度，一般使用杜瓦对红外探测器进行封装。杜瓦为红外探测器提供光、机、热接口，也为探测器提供一个真空环境，使探测器在降温中避免结霜，同时真空环境还可减小或消除气体对流产生的杜瓦热负载。红外探测器正常工作时，需要通过制冷机对杜瓦进行制冷，使贴装在杜瓦冷平台上的探测器冷却至工作温度。在分体式杜瓦与制冷机组件中，一般需要将制冷机气缸插入杜瓦冷指内部，将制冷机冷头与杜瓦冷平台进行耦合。

对于分置式杜瓦制冷机组件，在制冷时杜瓦冷指及制冷机气缸均有固体热传导漏热，同时在杜瓦与制冷机耦合后，杜瓦冷指与制冷机气缸间留有一空气间隙，里面的空气在制冷机制冷时会额外产生对流换热。而组件热负载的增大将导致制冷机输出冷量的增大，最终导致制冷机输入功率大增加，使红外探测器组件整体功耗增加。为减小红外探测器组件固体传导漏热，一般将杜瓦冷指与制冷机气缸合二为一。将红外探测器模块直接贴装在制冷机冷指的冷平台上，再通过封装形成杜瓦，最后与斯特林制冷机进行耦合集成。

结语

航天遥感领域是当今世界最具挑战性和引领性的高科技领域之一，积极发展红外线探测器组件技术，是增强我国经济实力、科技实力乃至综合国力的重要举措。随着航天遥感技术的发展和提高，科学界对遥感仪器提出了高空间分辨率、高时间分辨率、高光谱分辨率和高辐射分辨率的“四高”要求。“四高”要求对红外探测器的性能和规格要求也逐步提升。相关研究工作者应不断探寻航天红外探测器组件创新路径，通过技术革新为我国未来航天事业发展奠定坚实的基础。

参考文献：

[1]左雷.用于红外探测器组件检测的超高灵敏度检漏仪[J].激光与红外,2011(12):1327-1330.

[2]龚海梅,邵秀梅,李向阳,等.航天先进红外探测器组件技术及应用[J].红外与激光工程,2012(12):3129-3140.

[3]龚海梅,李雪,张永刚,等.室温近红外InGaAs焦平面探测器组件关键技术及航天应用[Z].中国科学院上海技术物理研究所,2020.