一談到中紅外探測(cè)器，尤其是科研領(lǐng)域應(yīng)用，碲鎘汞MCT探測(cè)器一定榜上有名。濱松多年前也曾致力于MCT探測(cè)器的推廣，但是濱松現(xiàn)如今推出了新一代InAsSb探測(cè)器來全部替代MCT，主要原因如下：1、MCT晶體很難均勻生長(zhǎng)，探測(cè)器的光敏面以及不同芯片之間D*通常會(huì)發(fā)生變化，晶體生長(zhǎng)困難增加了探測(cè)器成本；2、探測(cè)器制冷增加了尺寸和運(yùn)行功耗；3、MCT含有重金屬元素汞，不符合RoHS標(biāo)準(zhǔn)。

InAsSb探測(cè)器的出現(xiàn)就可以很好地解決以上問題。接下來我們通過展示與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的參數(shù)對(duì)比和與同等類型材料的性能對(duì)比，用實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)一步說明濱松InAsSb探測(cè)器所能發(fā)揮的優(yōu)勢(shì)長(zhǎng)處。

濱松InAsSb與同類型材料性能對(duì)比

相比于碲鎘汞HgCdTe材料襯底昂貴、大面積組分不均勻，工作需低溫制冷，濱松InAsSb材料均勻性和穩(wěn)定性更好。InAsSb材料具有載流子壽命長(zhǎng)、吸收系數(shù)大等優(yōu)點(diǎn)，是一種具有廣闊應(yīng)用前景的中紅外光電材料。InAsSb探測(cè)器可以在150K甚至室溫下工作，具有較高的靈敏度和比探測(cè)率，是小型化、低功耗、高靈敏度和快響應(yīng)中紅外探測(cè)最佳選擇之一。并且完全符合RoHS標(biāo)準(zhǔn)，更容易大規(guī)模制造。

表1 制冷型中紅外探測(cè)器材料性能對(duì)比

濱松InAsSb與競(jìng)品對(duì)比分析

濱松提供專有的多級(jí)TE制冷InAsSb探測(cè)器，其受環(huán)境溫度變化影響較小并允許室溫下運(yùn)行。以下是濱松與競(jìng)品對(duì)比：

圖1 濱松InAsSb探測(cè)器（左）與VIGO高性能4級(jí)制冷MCT探測(cè)器（右）D*對(duì)比

對(duì)比核心指標(biāo)比探測(cè)率D*可以發(fā)現(xiàn)，濱松InAsSb探測(cè)器的優(yōu)點(diǎn)在于：

濱松InAsSb探測(cè)器1~2 μm波段的D*優(yōu)于VIGO MCT探測(cè)器 ；

濱松覆蓋3~8 μm波段C12494-210M的D*和VIGO的PVI-4TE-8基本接近 ；濱松單個(gè)探測(cè)器的波長(zhǎng)響應(yīng)范圍可以覆蓋10 μm以上（C12494-011LH） 。

表2 濱松InAsSb探測(cè)器P12691-201G與VIGO MCT探測(cè)器PVI-4TE-8對(duì)比

通過對(duì)勢(shì)壘層的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，濱松的InAsSb探測(cè)器P12691-201G 比探測(cè)率D*相比VIGO的4級(jí)TE制冷探測(cè)器PVI-4TE-8高了20%，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)更高的工作溫度（-30℃），大大降低了對(duì)于制冷的要求。在不犧牲探測(cè)面積的情況下P12691-201G的帶寬可以做到VIGO的PVI-4TE-8的4倍以上，高達(dá)百M(fèi)Hz量級(jí)。

圖2 濱松InAsSb探測(cè)器P12691-201G產(chǎn)品展示

濱松InAsSb新品預(yù)告

濱松將于2023年上半年推出緊湊型、高性價(jià)比、高速響應(yīng)InAsSb探測(cè)器模塊P16702-011MN（集成前放）。

圖3 InAsSb探測(cè)器模塊P16702-011MN展示

紅外探測(cè)器的發(fā)展歷史

講完了中紅外探測(cè)器，我們就借此機(jī)會(huì)回顧一下紅外探測(cè)器的百年發(fā)展史，（點(diǎn)擊了解，紅外探測(cè)器基礎(chǔ)知識(shí)）。

紅外線介于可見光和微波之間，波長(zhǎng)范圍0.76~1000 μm。凡是高于絕對(duì)零度（0 K，即-273.15℃）的物質(zhì)都可以產(chǎn)生紅外線，也叫黑體輻射。由于紅外肉眼不可見，要察覺這種輻射的存在并測(cè)量其強(qiáng)弱離不開紅外探測(cè)器。

1800年英國天文學(xué)家威廉·赫胥爾首次發(fā)現(xiàn)了紅外線，隨著后續(xù)對(duì)紅外技術(shù)的不斷研究以及半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，紅外探測(cè)器得到了迅猛的發(fā)展，先后出現(xiàn)了硫化鉛（PbS）、碲化鉛（PbTe）、銻化銦（InSb）、碲鎘汞（HgCdTe，簡(jiǎn)稱MCT）、銦鎵砷（InGaAs）、量子阱（QWIP）、銦砷銻（InAsSb）、二類超晶格（type-II superlattice，簡(jiǎn)稱T2SL）、量子級(jí)聯(lián)（QCD）等不同材料紅外探測(cè)器，如圖所示：

圖4 第一代至第四代紅外探測(cè)器發(fā)展路線及大事記[1]

從工作原理來看紅外探測(cè)器主要分兩類：熱探測(cè)器和光電探測(cè)器。熱探測(cè)器利用熱電效應(yīng)通過熱電偶將溫度轉(zhuǎn)換為電壓，比如熱電堆、熱電探測(cè)器和熱輻射計(jì)等。光電探測(cè)器通過光電效應(yīng)將紅外信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，比如PbS、PbSe、InGaAs、InAsSb、MCT等。

從材料來看紅外探測(cè)器主要有兩大類：以氧化釩、非晶硅為代表的非制冷型材料；以MCT、InSb、T2SL等為代表的制冷型材料。非制冷型材料主要利用紅外輻射熱效應(yīng)進(jìn)行工作，制冷型材料主要利用光電效應(yīng)工作。

表3 制冷型和非制冷型紅外探測(cè)器對(duì)比

從波長(zhǎng)范圍來看常見的紅外探測(cè)器及響應(yīng)波段如下表所示：

表4 典型紅外探測(cè)器響應(yīng)波段

濱松紅外探測(cè)器分類及介紹

濱松紅外探測(cè)器可以實(shí)現(xiàn)近紅外到長(zhǎng)波紅外（0.7~15 μm）全系列覆蓋，包括常見的Si、InAs、InSb、InAsSb、T2SL、QCD以及熱電堆探測(cè)器。

圖5 濱松紅外探測(cè)器分類及波長(zhǎng)范圍

參考文獻(xiàn)：

[1] Rogalski A. Next decade in infrared detectors[C]//Proc of SPIE, 2017, 10433: 104330 L.

關(guān)于中紅外探測(cè)器系列文章的第一篇到此就已經(jīng)結(jié)束了，后面我們還會(huì)陸續(xù)介紹濱松的二類超晶格T2SL探測(cè)器和量子級(jí)聯(lián)QCD探測(cè)器大家敬請(qǐng)期待。如果有任何問題都可以在評(píng)論區(qū)提問，以下濱松中國產(chǎn)品技術(shù)工程師會(huì)第一時(shí)間為您解答。

審核編輯黃宇