小金刚红外探测器

随着近红外（NIR）和短波红外（SWIR）光谱在人工智能驱动技术（如机器人、自动驾驶汽车、增强现实/虚拟现实以及3D人脸识别）中的广泛应用，市场对高计数、低成本焦平面阵列的需求日益增长。传统短波红外光电二极管主要基于InGaAs或锗（Ge）晶体，其制造工艺复杂、器件暗电流大。有机半导体是一种可行的替代品，其制造工艺更简单且光学特性可调谐。据麦姆斯咨询报道，近日，华南理工大学的研究团队研制出基于有机半导体的新型红外光电探测器。这项技术有望彻底改变成像技术，该有机光电二极管在近紫外到短波红外的宽波段内均优于传统无机探测器。这项研究成果以“Infrared Photodetectors and Image Arrays Made with Organic Semiconductors”为题发表在Chinese Journal of Polymer Science期刊上。研究团队采用窄带隙聚合物半导体制造薄膜光电二极管，该器件探测范围涵盖红外波段。这种新技术的成本仅为传统无机光电探测器的一小部分，但其性能可与传统无机光电探测器（如InGaAs光电探测器）相媲美。研究人员将更大的杂原子、不规则的骨架与侧链上更长的分支位置结合起来，创造出光谱响应范围涵盖近紫外到短波红外波段的聚合物半导体（PPCPD），并制造出基于PPCPD的光电探测器，相关性能结果如图1所示。图1 基于PPCPD的光电探测器性能在特定探测率方面，该器件与基于InGaAs的探测器相比具有竞争力，在1.15 μm波长上的探测率可达5.55 × 10¹² Jones。该有机光电探测器的显著特征是，当其集成到高像素密度图像传感器阵列时，无需在传感层中进行像素级图案化。这种集成制造工艺显著简化了制备流程，大幅降低了成本。图2 短波红外成像系统及成像示例华南理工大学教授、发光材料与器件国家重点实验室副主任黄飞教授表示：“我们开发的有机光电探测器标志着高性价比、高性能的红外成像技术的发展向前迈出了关键的一步。与传统无机光电二极管相比，有机器件具有适应性和可扩展性，其潜在应用范围还包括工业机器人和医疗诊断领域。”该新型有机光电探测器有望对各行各业产生重大影响。它们为监控和安全领域的成像系统提供了更为经济的选择。未来，基于有机技术的医疗成像设备有望更加普及，价格也会更加合理，从而在医疗环境中实现更全面的应用。该器件的适应性和可扩展性还为尖端机器人和人工智能等领域的应用铺平道路。这项研究得到了国家自然科学基金（编号：U21A6002和51933003）和广东省基础与应用基础研究重大项目（编号：2019B030302007）的资助。论文链接：https://doi.org/10.1007/s10118-023-2973-8

美国伦斯勒理工学院的研究人员开发出了一种基于纳米技术的新型量子点红外探测器(QDIP)。这种以金为主要材料的新型元件可大幅提高现有红外设备的成像素质，将为下一代高清卫星相机和夜视设备的研发提供可能。相关论文发表在《纳米快报》杂志网站上。　　由美国空军科研局资助的这一项目，通过在传统量子点红外探测器元件上增加金纳米薄膜和小孔结构的方式，可将现有量子点红外探测器的灵敏度提高两倍。　　研究人员称，红外探测器的灵敏程度从根本上取决于在去除干扰后所能接收到的光线的多寡。目前大多数红外探测器都以碲镉汞技术(MCT)为基础。该元件对红外辐射极为敏感，可获得较强信号，但同时也面临着无法长时间使用的缺憾(信号强度会逐步降低)。　　在这项新研究中，研究人员使用了一个厚度为50纳米、具有延展性的金薄膜，在其上设置了大量直径1.6微米、深1微米的小孔，并在孔内填充了具有独特光学性能的半导体材料以形成量子点。纳米尺度上的金薄膜可将光线“挤进”小孔并聚焦到嵌入的量子点上。这种结构强化了探测器捕获光线的能力，同时也提高了量子点的光电转换效率。实验结果表明，在不增加重量和干扰的情况下，通过该设备所获得的信号强度比传统量子点红外探测器增强了两倍。下一步，他们计划通过扩大表面小孔直径和改良量子点透镜方法对设备加以改进。研究人员预计，该设备在灵敏度上至少还有20倍的提升空间。　　负责此项研究的伦斯勒理工学院物理学教授林善瑜(音译)称，这一实验为新型量子点红外光电探测器的发展树立了一个新路标。这是近10年来首次在不增加干扰信号的情况下成功使红外探测器的灵敏度得到提升，极有可能推动红外探测技术进入新的发展阶段。　　红外传感及探测设备在卫星遥感、气象及环境监测、医学成像以及夜视仪器研发上均有着广泛的应用价值。林善瑜在2008年时曾开发出一种纳米涂层，将其覆盖在太阳能电池板上，可使后者的阳光吸收率提高到96%以上。

一场突如其来的新冠肺炎疫情，成为了2020开年的头等大事。全民防疫的举措让这场没有硝烟的战争不再猝不及防。飞机场、火车站、公司、小区、超市等入口处都能见到防疫工作者的身影。他们是防疫先锋，是公共健康的卫士，是居民区的守护者。而他们的必备神器之一——手持测温仪，也进入了公众的视野，广为人知。今天，我们就来聊一聊测温仪的那些事。受疫情影响，很多人在家办公，出门不是去超市买菜，就是门口取快递。当然，还有不少人在硬核上班。无论出入小区，还是车站进站，现阶段都要经过体温检测。相信大家都有经历过，防疫工作者手持测温仪，对着额头一扫，立刻就显示你的体温数据，非常方便。有很多人对这测温仪都深感好奇，想知道它是怎么工作的。也有人担心它的准确性，担心把自己体温测高了。那么，我们就从测温仪的原理和精确度控制这两点说起。首先，大家都熟悉传统体温计测温的方法，而这种方法显然不适合用于传染性强的新型冠状病毒的防护工作。在这次防疫战中，小巧便携，无需身体接触的手持测温仪就成了急先锋。扫一扫，一秒之内测出体温的测温神器让人们眼前一亮；更令人印象深刻的，还有车站、机场等带有视频的成像测温仪，后者能在快速行进的人流中，辨别每个人的体温，并用保存视频成像。相信你肯定好奇过它们究竟是怎么做到的。接着，我们来一探究竟其中的科学原理。[1] 地铁站检票口的体温监测站（图片摘自人民网）温度和光我们都知道，水银体温计能够测人体的温度，是水银玻璃泡和人体接触后，经过一段时间的热量传递，最终与人体温度达到一致的原理（热平衡）。而测温仪并没有和人体接触，为何能如此快速采集温度信息呢？[2] 水银温度计（图片摘自百度网）答案其实大家也是耳熟能详，那就是---光！没错，就是我们所熟知的那个光！但是这个光，并不是人眼能看到的可见光，而是与可见光相邻的红外光，这里需要科普一下，我们平时所说的可见光实际上是电磁波的一种，电磁波有连续的波谱分布，红外光的波段在红色光之外，因此得名红外光。再简单提一下，除了可见光和红外光，很多电磁波都与大家的生活息息相关，按波长由短到长，有医院CT的X射线，防晒霜防的紫外线，太阳光，灯光，微波炉的微波，电台的射频信号等等，都属于电磁波。[3] 生活中的电磁波（图片摘自NASA Science)说到这里，肯定有人表示，道理我都懂，但是红外光跟人体温度有什么关联呢？关联是必然的，因为人体发射的光，就是红外光！没说错，人体是发光的，而且是无时无刻的在发光。复杂的原理就不赘述了，大家只要记住，任何温度高于绝对零度（零下273.15摄氏度）的物体都会以电磁波的形式向外辐射能量，至于绝对零度（-273.15℃）的物体嘛，大家放心，那是不存在的！红外光和人体温度的关系那么问题来了，既然每人每时每刻都在发射红外光，仪器凭什么就能辨别出正常温度和高烧呢？还能准确读出每个人的温度？这里，我们请一位大佬帮忙解答，他就是与爱因斯坦并称20世纪最重要的两大物理学家，量子力学奠基人之一的马克斯普朗克，他于1900年提出的普朗克黑体辐射定律，完美诠释了温度与辐射的关系。马克斯普朗克简单来讲就是，不同温度的物体发射的光是不一样的，如下示意图， 四条不同的曲线，代表不同温度下黑体辐射的光谱分布，这里的K是热力学温度，数值等于摄氏度+273.15。大家可以看到，温度越高，黑体辐射光的强度就越大，峰值的位置就越靠近紫外区域。那么，答案就呼之欲出了，如果探测到了人体的辐射强度和波谱分布，就完全可以反推出温度T！这就是测温仪测体温的原理。（人体虽不是黑体，却也遵循普朗克定律）。利用红外光探测人体温度究竟准不准？说完测温仪原理的故事，我们再来说说怎么确保每个测温仪都能测得准。上文中，细心的小伙伴发现，普朗克定律图示并没有想象中那么简单，图中展示差异性的谱图都相差了1000℃，人体怎么可能差上1000℃呢？没错，我们人体的温度平均值也就在36℃到37℃之间了，高过37℃的，抗疫期间怕是要去隔离观察了。那么关键点来了，相差几摄氏度的人体辐射谱图中，辐射强度和波谱的差异是非常小的，如何确保测温仪能把握这细小的差异呢？要知道，人体测温的准确性要求是比较高的，特别是在抗疫期间，正常的体温就是大家的通行证。这点上，咱们国家更是不含糊，对于此类测温装置也出台了相应的国家标准来规定精准度。那么，生产厂家是如何确保每台测温仪的准确性呢？下面就让我们来剖析测温仪，探究这里的科学原理。测温仪的"CPU"是什么？我们先从测温仪的构成说起，可以看到下图中，真正与红外光直接相关的，便是红外探测器，顾名思义，这正是测温仪利用红外测温的核心元件,就好比CPU芯片是手机电脑的核心。而它的质量直接决定了测温的准确性。那么，如何判定红外探测器的质量呢？[4] 额温枪（图片摘自网络）这就需要了解红外探测器测红外的细节。简单来说，红外探测器也是由材料构成，红外探测器上的特殊光感材料可以接收外界的红外辐射，并将其转换为电信号，再进行分析计算，最终给出温度值。因此评价红外探测器的好坏，就是评判其将光转换为电信号的能力。在讲红外探测器的评价之前，我们插一句，火车站，机场中带成像系统的测温仪，采用的是更高端的焦平面阵列红外探测器（FPA技术）。[5] 设置在火车站的带成像系统的测温仪（图片摘自包头新闻网）这类成像测温仪就如同照相机或摄像仪，内部感光平面内，分布了很多像素点，焦平面上每一个像素点就是一个红外探测器，这种技术具有二维空间分辨的能力，具备红外成像功能，可以将发高烧的人从人群中辨别出来。如何评价红外探测器，确保其准确性？一般来说，无论是采用单点红外检测器的耳温枪还是FPA焦平面检测器的红外成像测温仪都不需要极快的反应时间或极高的空间分辨率，甚至无需光谱分辨率。所以这类红外检测器的精确度通常是采用激光功率计或热敏电阻等方法来评定的。但是，类似原理的红外探测器还有很多其他的应用领域，尤其是需要FPA焦平面检测器的红外成像仪已经被广泛的应用于军需夜视或热追踪系统、高速热成像、质检或产品研发（针对散热或热工特性）、医疗热成像及红外显微镜等诸多方面。这些应用领域对红外检测器件本身以及对由这些器件组成的测量仪器的性能都有更严苛的要求，比如，需要微秒甚至纳秒级的超短反应时间，需要光谱信息用于化学成像，需要较高的空间分辨率以表征微小物品，需要较高的光谱分辨率，最佳的灵敏度和信噪比，甚至对FPA检测器中每个像素点的均匀一致性都有要求。为了研制和开发这些高端的红外检测器件，科学家们需要用到一种重要的表征方法---傅立叶红外光谱法。实现该法的核心设备就是在科学研究、监测分析领域常见的傅立叶红外光谱仪（简称FTIR红外光谱仪）。FTIR红外光谱仪——表征红外探测器FTIR红外光谱仪是专门应用于红外光谱研究相关的科学仪器，配有标准的红外光源，所发射的红外光经过干涉仪后，经过照射样品，最终到达红外探测器，解析探测器的电信号，并进行FT转换计算，即可得到包含能量强度和波谱分布的红外谱图。科学家们就是把这种检测技术应用到了评价红外探测器材料好坏的研究中，在对光敏度、稳定性等等复杂的研究分析之后，才研发出适合于各种不同应用领域的红外探测器材料，进而工厂将其研究的材料转化为探测器并且大量生产而成为真正实用的商品（包括红外测温仪及其他更为复杂的尖端仪器），发挥了科学家研究的作用。换言之，红外光谱仪对于探测器的表征研究，就好比是一把精准的卡尺，用它来检验每一根直尺的长度是否达到科学家们想要实现的标准。傅立叶变换红外光谱仪以上就是测温仪背后故事的小科普，相信大家对于最近很亮眼的测温仪会有更进一步的了解，对红外探测器精确度的控制以及红外探测器的诸多应用领域也有了更深层次的认知。通过科学家们的努力，和我们生活息息相关的大型红外成像测温仪的准确度、检测能力、检测距离、检出速度和检测区域内的均匀性（即精准度）都会越来越好。所谓工欲善其事必先利其器，实际上并不是所有的红外光谱仪都能做红外探测器的研究与表征，能作为标尺的设备，当然只有技术过硬，具备特殊技能红外光谱仪才能实现！如果您对检测器表征科研课题感兴趣，可以阅读布鲁克的相关应用信息。如果您对红外整体技术感兴趣，长按下方二维码填写产品需求信息表，与我们取得联系。疫情期间，大家做好防护，注意安全。一起为祖国加油！为武汉加油！点击下载布鲁克应用手册——红外检测器表征如果您对我们的红外技术感兴趣，欢迎与我们取得联系，请拨打400热线电话400-777-2600。

根据Yole Developpement的最新调查报告显示，智能建筑、智能照明与智能手机的温度感测等应用将持续带动红外线(IR)传感器市场快速成长。2014年全球IR探测器市场出货量为2.47亿套，销售额达到2.09亿美元，预计这一市场规模在2015年将成长至2.4亿美元。　　Yole Developpement预计，在2015年至2020年之间，全球红外线探测器市场销售额将以17%的复合年成长率(CAGR)成长，在出货量方面也将以14%的CAGR成长。这将使每单元平均销售价格(ASP)持续提高的情况较预期的时间更久。Yole表示，这种不寻常的情况可用应用组合发生变化来解释。　　Yole指出，在IR探测器的九大应用中，共有五项应用将快速推动这一段时间的营收成长：移动设备的红外线温度计、动作侦测、智能建筑、HVAC与人数统计等应用。　　受惠于智能照明、智能建筑物以及移动设备中的IR感测设计订单等驱动力道带动，全球IR探测器器市场预计将在2020年达到5亿美元的市场规模。　　随着越来越多的智能手机新增IR传感器设计以及作为智能照明的加值功能，小型的探测器器应用将在2020年以前持续两位数的速度成长。接着，一系列从 4x4与16x16像素的中型探测器到甚至高达32x32像素的大型探测器数组也陆续加进这一市场后，预计将带动相关传感器应用市场在2015至2020 年之间实现超过26%的CAGR成长。

红外双波段光电探测器是重要的多光谱探测器件，特别是近红外/短波红外区域，相较于可见光有更强的穿透能力，相较于中波红外可以以较低的损耗识别冷背景的物体，因此广泛应用于民用和军事领域。当前红外双波段探测器主要面临光谱不可调谐，器件结构复杂而不易与读出集成电路相结合的挑战。据麦姆斯咨询报道，近日，合肥工业大学先进半导体器件与光电集成团队在光电子器件领域取得重要进展，研究团队研发了一种光谱可调谐的近红外/短波红外双波段探测器，相关研究成果以“Bias-Selectable Si Nanowires/PbS Nanocrystalline Film n–n Heterojunction for NIR/SWIR Dual-Band Photodetection”为题，发表于《先进功能材料》（Advanced Functional Materials, 2023: 2214996.）。第一作者为许晨镐，通讯作者为罗林保教授，主要从事新型高性能半导体光电子器件及相关光电集成技术方面的研究工作。该研究使用溶液法制备了硅纳米线/硫化铅异质结光电探测器（如图1（a）），工艺简单，成功将硅基探测器的光谱响应拓宽到2000 nm。基于有限元分析法的COMSOL软件分析表明，一方面，有序的硅纳米线阵列具有较大的器件面积，提升了载流子的输运能力，且纳米线阵列具有较好的周期性，入射光可以在纳米线结构之间连续反射，产生典型的陷光效应。另一方面，小尺寸的纳米线阵列可以看作是微型谐振器，可以形成HE₁ₘ谐振模式，增强特定入射光的光吸收。通过调制外加偏压的极性，器件可以实现近红外/短波红外双波段探测、近红外单波段探测、短波红外单波段探测三种探测模式的切换。器件还具有较高的灵敏度，在2000 nm光照下的探测率高达2.4 × 10¹⁰ Jones，高于多数短波红外探测器。图1 双波段红外探测器结构图及相关仿真和实验结果图2 偏压可调的近红外/短波红外双波段探测及探测率随光强的变化曲线此外，该研究还搭建了单像素光电成像系统（如图3（a）），在2000 nm光照下，当施加-0.15 V和0.15 V偏压时，该器件能对一个简单的英文字母实现成像。但是不施加偏压时，缺无法清晰成像。这表明只需要对器件施加一个小的偏置电压时，就可以将成像系统的工作区域从近红外调整到短波红外，具有较高的灵活性。图3 光电成像系统及成像结果这项研究得到了国家自然科学基金、安徽省重点研发计划、中央高校基本科研业务费专项资金等项目的资助。

基于宽禁带半导体的固态紫外探测技术是继红外、可见光和激光探测技术之后发展起来的新型光电探测技术，是对传统紫外探测技术的创新发展，具有体积小、重量轻、耐高温、功耗低、量子效率高和易于集成等优点，对紫外信息资源的开发和利用起着重大推动作用，在国防技术、信息科技、能源技术、环境监测和公共卫生等领域具有极其广阔的应用前景，成为当前国际研发的热点和各主要国家之间竞争的焦点。我国迫切要求在宽禁带半导体紫外探测技术领域取得新的突破，以适应信息技术发展和国家安全的重大需要。本书是作者团队近几年来的最新研究成果的总结，是一本专门介绍宽禁带紫外光电探测器的科技专著。本书的出版可以对我国宽禁带半导体光电材料和紫外探测器的研发及相关高新技术的发展起到促进作用。本书从材料的基本物性和光电探测器工作原理入手，重点讨论宽禁带半导体紫外探测材料的制备、外延生长的缺陷抑制和掺杂技术、紫外探测器件与成像芯片的结构设计和制备工艺、紫外单光子探测与读出电路技术等；并深入探讨紫外探测器件的漏电机理、光生载流子的倍增和输运规律、能带调控方法、以及不同类型缺陷对器件性能的具体影响等，展望新型结构器件的发展和技术难点；同时，介绍紫外探测器产业化应用和发展，为工程领域提供参考，促进产业的发展。本书作者都是长年工作在宽禁带半导体材料与器件领域第一线、在国内外有影响的著名学者。本书主编南京大学陆海教授是国内紫外光电探测领域的代表性专家，曾研制出多种性能先进的紫外探测芯片；张荣教授多年来一直从事宽禁带半导体材料、器件和物理研究，成果卓著；参与本书编写的陈敦军、单崇新、叶建东教授和周幸叶研究员也均是在宽禁带半导体领域取得丰硕成果的年轻学者。本书所述内容多来自作者及其团队在该领域的长期系统性研究成果总结，并广泛地参照了国际主要相关研究成果和进展。作者团队：中国科学院郑有炓院士撰写推荐语时表示：“本书系统论述了宽禁带半导体紫外探测材料和器件的发展现状和趋势，对面临的关键科学技术问题进行了探讨，对未来发展进行了展望。目前国内尚没有一本专门针对宽禁带半导体紫外探测器的科研参考书，本书的出版填补了这一空白，将会对我国第三代半导体紫外探测技术的研发起到重要的推动作用。”目前市面上还没有专门讲述宽禁带半导体紫外探测器的科研参考书，该书的出版可以填补该领域的空白。本书可为从事宽禁带半导体紫外光电材料和器件研发、生产的科技工作者、企业工程技术人员和研究生提供一本有价值的科研参考书，也可供从事该领域科研和高技术产业管理的政府官员和企业家学习参考。详见本书目录：本书目录：第1章 半导体紫外光电探测器概述1.1 引言1.2 宽禁带半导体紫外光电探测器的技术优势1.3 紫外光电探测器产业发展现状1.4 本书的章节安排参考文献第2章 紫外光电探测器的基础知识2.1 半导体光电效应的基本原理2.2 紫外光电探测器的基本分类和工作原理2.2.1 P-N/P-I-N结型探测器2.2.2 肖特基势垒探测器2.2.3 光电导探测器2.2.4 雪崩光电二极管2.3 紫外光电探测器的主要性能指标2.3.1 光电探测器的性能参数2.3.2 雪崩光电二极管的性能参数参考文献第3章 氮化物半导体紫外光电探测器3.1 引言3.2 氮化物半导体材料的基本特性3.2.1 晶体结构3.2.2 能带结构3.2.3 极化效应3.3 高Al组分AlGaN材料的制备与P型掺杂3.3.1 高Al组分AlGaN材料的制备3.3.2 高Al组分AlGaN材料的P型掺杂3.4 GaN基光电探测器及焦平面阵列成像3.4.1 GaN基半导体的金属接触3.4.2 GaN基光电探测器3.4.3 焦平面阵列成像3.5 日盲紫外雪崩光电二极管的设计与制备3.5.1 P-I-N结GaN基APD3.5.2 SAM结构GaN基APD3.5.3 极化和能带工程在雪崩光电二极管中的应用3.6 InGaN光电探测器的制备及应用3.6.1 材料外延3.6.2 器件制备3.7 波长可调超窄带日盲紫外探测器参考文献第4章 SiC紫外光电探测器4.1 SiC材料的基本物理特性4.1.1 SiC晶型与能带结构4.1.2 SiC外延材料与缺陷4.1.3 SiC的电学特性4.1.4 SiC的光学特性4.2 SiC紫外光电探测器的常用制备工艺4.2.1 清洗工艺4.2.2 台面制备4.2.3 电极制备4.2.4 器件钝化4.2.5 其他工艺4.3 常规类型SiC紫外光电探测器4.3.1 肖特基型紫外光电探测器4.3.2 P-I-N型紫外光电探测器4.4 SiC紫外雪崩光电探测器4.4.1 新型结构SiC紫外雪崩光电探测器4.4.2 SiC APD的高温特性4.4.3 材料缺陷对SiC APD性能的影响4.4.4 SiC APD的雪崩均匀性研究4.4.5 SiC紫外雪崩光电探测器的焦平面成像阵列4.5 SiC紫外光电探测器的产业化应用4.6 SiC紫外光电探测器的发展前景参考文献第5章 氧化镓基紫外光电探测器5.1 引言5.2 超宽禁带氧化镓基半导体5.2.1 超宽禁带氧化镓基半导体材料的制备5.2.2 超宽禁带氧化镓基半导体光电探测器的基本器件工艺5.3 氧化镓基日盲探测器5.3.1 基于氧化镓单晶及外延薄膜的日盲探测器5.3.2 基于氧化镓纳米结构的日盲探测器5.3.3 基于非晶氧化镓的柔性日盲探测器5.3.4 基于氧化镓异质结构的日盲探测器5.3.5 氧化镓基光电导增益物理机制5.3.6 新型结构氧化镓基日盲探测器5.4 辐照效应对宽禁带氧化物半导体性能的影响5.5 氧化镓基紫外光电探测器的发展前景参考文献第6章 ZnO基紫外光电探测器6.1 ZnO材料的性质6.2 ZnO紫外光电探测器6.2.1 光电导型探测器6.2.2 肖特基光电二极管6.2.3 MSM结构探测器6.2.4 同质结探测器6.2.5 异质结探测器6.2.6 压电效应改善ZnO基紫外光电探测器6.3 MgZnO深紫外光电探测器6.3.1 光导型探测器6.3.2 肖特基探测器6.3.3 MSM结构探测器6.3.4 P-N结探测器6.4 ZnO基紫外光电探测器的发展前景参考文献第7章 金刚石紫外光电探测器7.1 引言7.2 金刚石的合成7.3 金刚石光电探测器的类型7.3.1 光电导型光电探测器7.3.2 MSM光电探测器7.3.3 肖特基势垒光电探测器7.3.4 P-I-N和P-N结光电探测器7.3.5 异质结光电探测器7.3.6 光电晶体管7.4 金刚石基光电探测器的应用参考文献第8章 真空紫外光电探测器8.1 真空紫外探测及其应用8.1.1 真空紫外探测的应用8.1.2 真空紫外光的特性8.2 真空紫外光电探测器的类型和工作原理8.2.1 极浅P-N结光电探测器8.2.2 肖特基结构光电探测器8.2.3 MSM结构光电探测器8.3 真空紫外光电探测器的研究进展8.3.1 极浅P-N结光电探测器的研究进展8.3.2 肖特基结构光电探测器的研究进展8.3.3 MSM结构光电探测器的研究进展

一． 近红外双模式单光子探测器介绍SPD_NIR为900nm至1700 nm的近红外范围内的单光子检测带来了重大突破。 SPD_NIR建立在冷却的InGaAs / InP盖革模式单光子雪崩光电二极管技术上，是NIR单光子检测器的第一代产品，可同时执行同步“门控”（GM）和异步“自由运行”（FR ）检测模式。 用户通过提供的软件界面选择检测模式。冠jun级别的器件具有低至800 cps的超低噪声，高达30％的高校准量子效率，100 ns最小死区，100 MHz外部触发，150 ps的快速成帧分辨率和极低的脉冲 。 当需要光子耦合时，标准等级可提供非常有价值且经济高效的解决方案。基于工业设计，该设备齐全的探测器不需要任何额外的笨重的冷却系统和控制单元。 经过精心设计的紧凑性及其现代接口使SPD_NIR非常易于集成到最苛刻的分析仪器和Quantum系统中。OEM紧凑型 多通道控制器软件界面二． 近红外双模式单光子探测器原理TPS_1550_type_II是基于远程波长自发下变频的双光子源。TPS_1550_type_II采用波导周期性极化铌酸锂(WG-ppln)晶体，用于产生光子对。波导- ppln的转换效率比任何块状晶体都高2到3个数量级，并确保与单模光纤的高效耦合。0型和II型双光子的产生三． 近红外双模式单光子探测器应用特点特点： ▪ 自由模式 & 门模式▪ 集成电子计数▪ 校准后 QE可达 30%▪ TTL和NIM信号兼容▪ 暗记数 800 cps▪ 软件可远程控制▪ 最小死时间 100 ns▪ 冷却板兼容欧盟/美国▪ 外部触发频率：可达100 MHz▪ DLL 文件库 : Python, C++, LabVIEW应用方向：▪ 量子通信▪ 盖革模式激光雷达▪ 量子密钥分发▪ 高分辨率OTDR▪ 光子源特性▪ FLIM 成像▪ 符合测试▪ 光纤传感四． 近红外双模式单光子探测器技术规格五． Aura 介绍AUREA Technology是法国一家知名的探测器供应商，公司致力于尖端技术的研发，基于先进的单光子雪崩光电二极管，超快激光二极管和快速定时电子设备，设计和制造了新一代高性能，功能齐全的近红外探测器。作为全球技术领导者之一，AUREA技术提供盖革模式单光子计数，皮秒激光源，快速时间关联和光纤传感仪器。此外，AUREA Technology直接或通过其在北美，欧洲和亚洲的专业分销渠道为200多个全球客户提供一流的专业支持。并与客户紧密合作，以应对当今和未来在量子安全，生命科学，纳米技术，汽车，医疗和国防领域的挑战。昊量光电作为法国AUREA公司在中国区域的独家代理商，全权负责法国Aurea公司在中国的销售、售后与技术支持工作。AUREA技术提供了新一代的光学仪器，使科学家和工程师实现卓越的测量结果。奥瑞亚科技与全球的客户和合作伙伴紧密合作，共同应对量子光学、生命科学、纳米技术、化学、生物医学、航空和半导体等行业的当前和未来挑战双光子是展示量子物理原理的关键元素，并实现新的量子应用。例如，双光子使量子密钥分发技术得以发展，以确保数百公里范围内的数据网络安全。在生物成像应用中，双光子光源产生原始的无色散测量。 更多详情请联系昊量光电/欢迎直接联系昊量光电关于昊量光电：上海昊量光电设备有限公司是光电产品专业代理商，产品包括各类激光器、光电调制器、光学测量设备、光学元件等，涉及应用涵盖了材料加工、光通讯、生物医疗、科学研究、国防、量子光学、生物显微、物联传感、激光制造等；可为客户提供完整的设备安装，培训，硬件开发，软件开发，系统集成等服务。

p　　最新研究报告显示，2010年红外探测器市场预计为4.98亿美元，2025年该市场将增长到6.83亿美元，预测期内，预计年复合增长率为6.5%。/pp style="text-align: center"img style="max-width:100% max-height:100% " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202002/uepic/2b91041c-33ec-403e-8d1c-457ccbbd1166.jpg" title="ir-detector-market3.jpg" alt="ir-detector-market3.jpg"//pp　　非工业垂直领域对红外探测器的高度需求，特别是人与运动传感、温度测量、安全和监测应用等方面，是推动红外探测器市场发展的关键因素。另外，红外技术在气体分析和火灾探测方面的不断渗透，以及非制冷红外探测器的高度普及，也是影响红外探测器市场增长的积极因素。/pp　　根据波长，红外探测器市场按可以为分近红外(NIR)、短波红外(SWIR)、中波红外(MWIR)、长波红外(LWIR)。军事和国防垂直领域对LWIR产品的高需求是导致LWIR探测器在市场上占据主导地位的主要因素之一。此外，LWIR探测器也已广泛应用于民用和商用、航空航天、汽车、食品饮料和医疗保健等行业。上述行业对这些探测器的高需求主要是由于它们比大多数MWIR和SWIR探测器的成本更低。/pp　　在预测期内，非工业垂直领域将占据最大的市场份额，并且复合年增长率也最高。军事和国防以及民用和商业是非工业垂直领域的主要部分，对红外探测器的需求最高。/pp style="text-align: center"img style="max-width: 100% max-height: 100% width: 600px height: 240px " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202002/uepic/5bfc13f8-1da6-44a6-b66f-c981ceaf5c8c.jpg" title="ir-detector-market4.jpg" alt="ir-detector-market4.jpg" width="600" height="240" border="0" vspace="0"//pp　　在预测期内，北美预计将占据最大的市场份额。人与运动传感、温度测量、安全与监测是该地区红外探测器的主要应用领域。在上述应用中，军事及安防，以及民用和商用是红外探测器的主要需求来源。几家提供红外探测器的公司在这一地区都有业务，这进一步促进了北美市场的增长。/pp　　红外探测器市场的主要供应商包括：Excelitas Technologies(美国)、Nippon Ceramic (日本)、Hamamatsu Photonics (日本)、Murata Manufacturing (日本)和FLIR Systems (美国)等。/ppbr//p

歼11战机配备的光学红外探测器。　　近日，红外探测器技术航空科技重点实验室在中航工业导弹院挂牌成立。中航工业科技与信息化部部长魏金钟与中航工业导弹院党委书记、副院长刘松柏共同为实验室揭牌，标志着该实验室正式投入运行。　　红外探测器技术航空科技重点实验室的设立评审会由中航工业科技与信息化部主持召开。专家组认真听取了重点实验室的设立申请报告，考察了实验室现场，一致通过了该实验室的设立申请。　　红外探测器技术是导弹院的一个重要研究领域。多年来，导弹院重视红外探测器技术的发展，于2005年成立了院级重点实验室，在科学研究、手段建设、人才培养等方面取得了长足的进步，部分研究领域走在国内前列，开发出30多种各类短波、中波、长波红外探测器，获得多项国家级、省部级科技成果奖，发表高质量论文90多篇，申请国家或国防发明专利40多项。　　红外探测器是各类红外仪器设备的“眼睛”，广泛应用于众多的民用和军事领域。该实验室的成立，搭建了开放的红外探测器技术研究平台，必将进一步加强国内外同行的合作与交流，促进该领域的科学研究、人才培养，进而促进我国红外探测器技术的发展。

近日，红外探测器技术航空科技重点实验室在中航工业导弹院挂牌成立。中航工业科技与信息化部部长魏金钟与中航工业导弹院党委书记、副院长刘松柏共同为实验室揭牌，标志着该实验室正式投入运行。　　红外探测器技术航空科技重点实验室的设立评审会由中航工业科技与信息化部主持召开。专家组认真听取了重点实验室的设立申请报告，考察了实验室现场，一致通过了该实验室的设立申请。　　红外探测器技术是导弹院的一个重要研究领域。多年来，导弹院重视红外探测器技术的发展，于2005年成立了院级重点实验室，在科学研究、手段建设、人才培养等方面取得了长足的进步，部分研究领域走在国内前列，开发出30多种各类短波、中波、长波红外探测器，获得多项国家级、省部级科技成果奖，发表高质量论文90多篇，申请国家或国防发明专利40多项。　　红外探测器是各类红外仪器设备的“眼睛”，广泛应用于众多的民用和军事领域。该实验室的成立，搭建了开放的红外探测器技术研究平台，必将进一步加强国内外同行的合作与交流，促进该领域的科学研究、人才培养，进而促进我国红外探测器技术的发展。

【背景介绍】短波红外（SWIR，1000 ~ 3000 nm）光由于受空气中颗粒物的散射较弱，使其在恶劣天气或生物组织中也能提供长距离的有效探测，并在成像场景中提供更多物质化学信息，同时对人眼更安全。这使得短波红外在光通信、远程遥感、自动化视觉技术、生物成像、环境监测和光谱技术等领域中发挥着关键作用。然而，目前市场上的短波红外传感器采用异质外延技术，但由于其制备方法繁琐，不适合大规模、低成本的3D成像应用。随着胶体量子点（QDs）的出现，其尺寸可调的光学特性使其成为探测短波红外光的理想选择。虽然近年来短波红外光电二极管结构探测器的响应时间有所缩短，但至今仍未达到纳秒级水平，这成为将胶体量子点应用于短波红外光电探测领域的主要挑战之一。【成果简介】据麦姆斯咨询报道，近日，比利时根特大学的邓玉豪（第一作者兼通讯作者）等人取得了一项突破性进展，成功利用超薄的胶体量子点吸收层，实现了基于胶体量子点的短波红外光电二极管（QDPDs）的纳秒级响应。这一研究成果创造了短波红外领域全球最快响应的胶体量子点光电探测器，相关内容以“Short-Wave Infrared Colloidal QDs Photodetector with Nanosecond Response Times Enabled by Ultrathin Absorber Layers”为题在国际著名期刊《Advanced Materials》上发表，为胶体量子点在超快短波红外探测技术的进一步研究和应用提供了重要参考。【核心创新】1. 作者通过优化超薄结构器件的制备方法，克服了传统方法的不足，得到1600整流比，42%外量子点效率，98%内量子效率的光电二极管器件。2. 作者通过结构优化，实现了超薄结构下量子点层2.5倍的吸收增强，使得超薄层仍然可以获得较高EQE。3. 作者通过厚度与面积优化，平衡了载流子迁移与RC延迟时间，最终得到创纪录的4 ns响应时间。【研究概览】图1 胶体量子点探测器响应时间的数值模拟。计算表明，漂移时间将限制厚度较大的器件的响应，而RC延迟效应将决定较薄器件的响应时间，通过降低器件面积，可以实现纳秒级的响应时间。图2 胶体量子点光电探测器制备流程优化。作者通过浓度梯度的交换法，提高了PN结的质量，得到了整流比1600的器件。图3 胶体量子点光电探测器结构示意图和性能。该器件的胶体量子点层优化为100 nm，器件的EQE达到了42%，利用结构形成法布里-珀罗腔，在超薄结构的基础上将量子点层的吸收增强了2.5倍，器件的内量子效率可以高达98%。图4 不同大小、不同厚度的胶体量子点光电探测器的响应时间。通过降低器件面积、优化器件厚度可以使得器件具有更快的响应，最终实现了4 ns响应时间的世界纪录，也是首次将胶体量子点短波红外探测速度逼近到了纳秒级别。图5 进一步提快胶体量子点光电探测器的响应分析。通过提高胶体量子点层的迁移率，该器件结构还可以继续优化，完全可以实现亚纳秒级的响应时间，这为接下来胶体量子点超快探测器的研究阐明了研究方向。【成果总结】这项研究工作实现了一项重大的突破，首次设计出超薄吸收层的胶体量子点光电探测器，成功在短波红外波段实现了纳秒级的响应时间。通过采用浓度梯度的配体交换方法，制备了具有高质量PN结的薄膜结构器件。该光电探测器在1330 nm处获得了42%的外部量子效率，这得益于在胶体量子点光电二极管内形成的法布里-珀罗腔和高效的光生电荷提取。此外，通过进一步提高载流子迁移率，该器件可以实现亚纳秒级的响应时间。这项研究的成功突破将对短波红外超快光电探测技术的未来发展产生重大的影响。论文链接：https://doi.org/10 . 1002/adma.202402002【作者简介】Yu-Hao Deng（邓玉豪）博士，比利时根特大学BOF博士后研究员，主要研究方向为胶体量子点材料与光电器件，以及钙钛矿材料表征与光电器件。邓博士之前已在Nature、Advanced Materials、Matter、Nano Letters、Physical Review Letters、Advanced Science等国际期刊上发表论文数篇。

现有国产非制冷红外探测器多采用挡板校正进行非均匀性校正，影响了红外探测器的观测效果与目标搜跟。近期，湖北久之洋红外系统股份有限公司的科研团队在《光学与光电技术》期刊上发表了以“国产非制冷红外探测器新型场景校正方法”为主题的文章。该文章第一作者为刘品伟，主要从事红外技术方面的研究工作。本文提出了基于国产非制冷红外探测器的新型场景校正方法。该方法包含两部分：第一部分是基于高频非均匀性的场景校正；第二部分是基于低频非均匀性的场景校正。通过对不同频域非均匀性分别进行处理来去除探测器响应的非均匀性。国产非制冷红外探测器非均匀性分析国产非制冷红外探测器工作过程中，探测器的状态参数会产生缓变，从而导致图像非均匀性的变化。图1所示是以黑体为目标的具有较强非均匀性的非制冷红外图像。图1 具有较强非均匀性的非制冷红外图像非均匀性包括低频非均匀性与高频非均匀性两部分。低频非均匀性表现为全局灰度分布不均匀，在图像中表现为平缓的明暗变化，如图像四周与中心灰度值差别大，如图2所示。低频非均匀性主要是由探测器及镜头不同位置温度变化不均匀引起的。高频非均匀性表现为局部区域灰度值剧烈变化，在图像中表现为亮暗点或条纹。高频非均匀性主要是探测器的响应不均匀引起的，如图3所示。图2 低频非均匀性的三维显示图3 9×9邻域内高频非均匀性的三维显示传统的场景校正方式很少涉及对低频非均匀性的消除，而对高频非均匀性的消除容易产生“鬼影“等副作用，同时消除低频与高频非均匀性才能真正提高图像质量。因此，本文将针对高频与低频非均匀性，采用不同的场景校正方法处理。基于高频非均匀性的场景校正国产非制冷红外探测器在工作过程中，随着探测器整体温度的变化，由于探测器响应的不均匀性，会出现较强的高频非均匀性，具体在图像上表现为散粒及细条纹，如图4所示。图4 高频非均匀性的不同类型目前常用的场景校正算法有恒定统计法、时域高通滤波法、神经网络校正算法、基于图像配准的校正算法等。这些算法能够在一定程度上根据场景的信息自适应地补偿热像仪的增益和偏置的漂移，但是在实际使用过程中，这类算法存在各种各样的使用限制条件。以传统的神经网络场景校正算法为例，该算法要求场景信息不断变化，否则会造成图像退化或者模糊，并且如果图像中存在较强边缘信息，该算法容易导致图像出现“鬼影”现象，严重影响图像质量。对此，提出了一种基于神经网络的新型场景校正算法来消除图像退化和“鬼影”现象。首先分析图像退化与“鬼影”现象产生的原因。当原始图像中存在较强的边缘信息时，低通滤波会使边缘信息产生损失，预测图像会产生模糊失真现象。若场景保持静止不动，随着场景校正参数的不断更新，图像就会逐渐退化失真；若场景长期静止后开始运动，图像就会包含静止图像中损失的边缘信息，也就是“鬼影”现象，如图5所示。图5 传统场景校正算法产生的“鬼影”现象为了解决传统场景校正算法存在的问题，提出了一种基于中值滤波=2。同时采用时空联合阈值作为校正判断条件，选择更新系数与校正区域。时空联合阈值分为两个阈值条件：时域连续运动条件与空域邻域均匀性条件。针对高频非均匀性的场景校正算法流程图如图6所示。的自适应场景校正算法。由于高频非均匀性中包含大量的散粒非均匀性，同时为了更好地保留图像的边缘信息，该算法采用中值滤波作为滤波器，中值滤波半径r。图6 高频非均匀性场景校正算法流程图分别用此算法与传统神经网络场景校正算法对原始图像进行处理，比较两种算法是否具有“鬼影”现象。将热像仪静止工作500帧后，观察两种方法处理后的运动图像。可以看到，该算法基本没有“鬼影”现象，而传统算法“鬼影”现象严重。因此，该算法能够有效地抑制“鬼影”现象。图7 本文方法与传统神经网络“鬼影”现象比较基于低频非均匀性的场景校正高频非均匀性去除后，图像仍残留有大量的低频非均匀性。低频非均匀性在非制冷探测器开始工作时较弱，随着探测器及镜头温度的变化，图像的低频非均匀性会逐渐增加，在图像上表现为四角与中心灰度值差别较大。如图8所示，可以看到，图像灰度分布不均匀，四周有明显的光圈，影响图像观感与图像质量。图8 低频非均匀性对图像的影响这里提出了一种基于时空联合低频滤波的场景校正方法，通过在时域和空域同时进行低通滤波，分离出图像的固定低频非均匀性并进行去除。由于探测器输出图像的低频非均匀性在短时间内位置保持不变，当图像产生运动时，可以通过时域低频滤波对低频非均匀性进行分离去除，因此首先需要判断场景是否处于运动中。这里仍采用上节提到的连续运动条件来判断场景是否处于连续运动中。当场景处于连续运动时，采用基于自适应时间常数的时域低频滤波来筛选图像的低频信息。时域滤波结果包含低频非均匀性与部分边缘细节信息，因此还需要对在空域上进行低通滤波，以消除存在的边缘信息细节，达到获取低频非均匀性的目的。采用均值滤波进行空域的低通滤波。为了验证此场景校正算法的效果，对仅处理高频非均匀性的图像与高频低频非均匀性均处理的图像进行比较，如图9所示。可以看到，此算法对低频非均匀性有良好的处理效果，能够有效地减少图像四周与中央灰度差异较大的问题。图9 运动200帧后是否处理低频非均匀性图像对比为进一步验证此场景校正算法的效果，使用两台相同规格的红外机芯，第一台仅对高频非均匀性进行处理，第二台对高频低频非均匀性都进行处理，均在运动条件下连续工作1 h后，对同一温度黑体成像，计算其图像非均匀性。结果表明，仅处理高频非均匀性的图像非均匀性为2.3%，而对高频低频非均匀性都进行处理的图像非均匀性为0.5%，该算法有利于提高输出图像的均匀性。算法总体流程及效果图本文算法首先通过连续运动条件判断场景是否处于连续运动中，若处于运动过程则分别更新高频与低频非均匀性处理模块校正参数，然后进行非均匀性校正；否则直接进行非均匀性校正，整体流程如图10所示，最终效果如图11所示。图10 本文算法流程图图11 最终校正输出结果结论本文提出了一种基于非制冷红外探测器的新型场景校正方法。首先通过改进的神经网络场景校正方法滤除高频非均匀性，在此基础上通过时空联合的低频滤波去除低频非均匀性，得到最终校正结果。该方法具有良好的校正效果，并且能够有效地抑制“鬼影”现象，有利于非制冷红外探测器的推广应用。

高速响应的中波红外探测器在自由空间光通信和频率梳光谱学等新兴领域的需求逐渐增加。中长波XBₙn势垒型红外光探测器对暗电流等散粒噪声具有抑制作用。近期，由中国科学院半导体研究所、昆明物理研究所、中国科学院大学和陆装驻重庆军代局驻昆明地区第一军代室组成的科研团队在《红外与毫米波学报》期刊上发表了以“非制冷势垒型InAsSb基高速中波红外探测器”为主题的文章。该文章第一作者为贾春阳，通讯作者为赵俊总工程师和张逸韵研究员。本工作制备了不同直径的nBn和pBn结构的中波InAsSb/AlAsSb红外接地-信号-接地（GSG）探测器。对制备的探测器进行了变温暗电流特性，结电容特性和室温射频响应特性的表征。材料生长、器件制备和测试通过固态源分子束外延装置在2英寸的n型Te-GaSb衬底上外延生长nBn和pBn器件。势垒型器件的生长过程如下所示：先在衬底上生长GaSb缓冲层来平整表面以及减少应力和位错，接着生长重掺杂（10¹⁸ cm⁻³）n型InAsSb接触层，然后生长2.5 μm厚的非故意掺杂（10¹⁵ cm⁻³）InAsSb体材料吸收层。之后生长了150 nm厚的AlAsSb/AlSb数字合金电子势垒层，通过插入超薄的AlSb层实现了吸收区和势垒层的价带偏移的显著减少，有助于空穴向接触电极的传输，同时有效阻止电子以减小暗电流。最后分别生长300 nm厚的重掺杂（10¹⁸ cm⁻³）n型InAsSb和p型GaSb接触层用于形成nBn和pBn器件结构。其中，Si和Be分别被用作n型和p型掺杂源。生长后，通过原子力显微镜（D3100，Veeco，USA）和高分辨X射线衍射仪（Bede D1，United Kingdom）对晶片进行表征以确保获得高质量的材料质量。通过激光划片将2英寸的外延片划裂为1×1 cm²的样片。样片经过标准工艺处理，包括台面定义、钝化和金属蒸镀工艺，制成直径从10 μm到100 μm的圆形台面单管探测器。台面定义工艺包括通过电感耦合等离子体（ICP）和柠檬酸基混合溶液进行的干法刻蚀和湿法腐蚀工艺，以去除器件侧壁上的离子诱导损伤和表面态。器件的金属电极需要与射频探针进行耦合来测试器件的射频响应特性，因此包括三个电极分别为Ground（接地）、Signal（信号）和Ground，其中两个Ground电极相连，与下接触层形成欧姆接触，Signal电极与上接触层形成欧姆接触，如图1（c）和（f）所示。通过低温探针台和半导体参数分析仪（Keithley 4200，America）测试器件77 K-300 K范围的电学特性。器件的光学响应特性在之前的工作中介绍过，在300 K下光电探测器截止波长约为4.8 μm，与InAsSb吸收层的带隙一致。在300 K和反向偏置为450 mV时，饱和量子效率在55%-60%。通过探针台和频率响应范围10 MHz-67 GHz的矢量网络分析仪（Keysight PNA-XN5247B，America）对器件进行射频响应特性测试。结果与讨论材料质量表征图1（a）和（d）的X射线衍射谱结果显示，从左到右的谱线峰分别对应于InAsSb吸收层和GaSb缓冲层/衬底。其中，nBn和pBn外延片的InAsSb吸收区的峰值分别出现在60.69度和60.67度，GaSb衬底的峰值则出现在60.72度。因此，InAsSb吸收层与GaSb 衬底的晶格失配分别为-108 acsec和-180 acsec，符合预期，表明nBn和pBn器件的InAsSb吸收区和GaSb衬底几乎是晶格匹配的生长条件。因此，nBn和pBn外延片都具有良好的材料质量。原子力显微镜扫描的结果在图1的（b）和（e）中，显示出生长后的nBn和pBn外延片具有良好的表面形貌。在一个5×5 μm²的区域内，nBn和pBn外延片的均方根粗糙度分别为1.7 Å和2.1 Å。图1 （a）和（a）分别为nBn和pBn外延片的X射线衍射谱；（b）和（e）分别为nBn和pBn外延片的原子力显微扫描图；（c）和（f）分别为制备的圆形GSG探测器的光学照片和扫描电子照片器件的变温暗电流特性图2（a）显示了器件直径90 μm的nBn和pBn探测器单管芯片的温度依赖暗电流密度-电压曲线，通过在连接到Keithley 4200半导体参数分析仪的低温探针台上进行测量。图2（b）显示了件直径90 μm的nBn和pBn探测器在77 K-300 K下的微分电阻和器件面积的乘积R₀A随反向偏压的变化曲线，温度下降的梯度（STEP）为25 K。图2（c）显示了在400 mV反向偏压下，nBn和pBn探测器表现出的从77 K到300 K的R₀A与温度倒数（1000/T）之间的关系，温度变化的梯度（STEP）为25 K。图2 从77K到300K温度下直径90 μm的nBn和pBn探测器单管芯片（a）暗电流密度-电压曲线；（b）微分电阻和器件面积的乘积R₀A随反向偏压的变化曲线；（c）R₀A随温度倒数变化曲线器件暗电流的尺寸效应由于势垒型红外探测器对于体内暗电流可以起到较好的抑制作用，因此研究人员关注与台面周长和面积有关的表面泄露暗电流，进一步抑制表面漏电流可以进一步提高探测器的工作性能。图3（a）显示了从20 μm到100 μm直径的nBn和pBn器件于室温工作的暗电流密度和电压关系，尺寸变化的梯度（STEP）为10 μm。图3（b）显示从20 μm-100 μm的nBn和pBn探测器的微分电阻和台面面积的乘积R₀A随反向偏压的变化曲线。图3（d）中pBn器件的相对平缓的拟合曲线说明了具有较高的侧壁电阻率，根据斜率的倒数计算出约为1.7×10⁴ Ωcm。图3 从20 μm到100 μm直径的nBn和pBn器件于室温下的（a）暗电流密度和电压变化曲线和（b）R₀A随反向偏压的变化曲线；（c）在400 mV反偏时，pBn和nBn器件R₀A随台面直径的变化；（d）（R₀A）⁻¹与周长对面积（P/A）变化曲线器件的结电容图4（a）显示了使用Keithley 4200 CV模块在室温下不同直径的nBn和pBn探测器的结电容随反向偏压的变化曲线，器件直径从20 μm到100 μm按照10 μm梯度（STEP）变化。对于势垒层完全耗尽的pBn探测器，预期器件电容将由AlAsSb/AlSb势垒层电容和InAsSb吸收区耗尽层电容的串联组合给出，其中包括势垒层和上接触层侧的InAsSb耗尽区。图4 （a）在室温下不同直径的nBn和pBn探测器的结电容随反向偏压的变化曲线；（b）反偏400 mV下结电容与台面直径的变化曲线。器件的射频响应特性通过Keysight PNA-X N5247B矢量网络分析仪、探针台和飞秒激光光源，在室温和0-3 V反向偏压下，对不同尺寸的nBn和pBn探测器在10 MHz至67 GHz之间进行了射频响应特性测试。根据图5推算出在3V反向偏压下的40 μm、50 μm、70 μm、80 μm、90 μm、100 μm直径的圆形nBn和pBn红外探测器的3 dB截止频率（f3dB）。势垒型探测器内部载流子输运过程类似光电导探测器，表面载流子寿命对响应速度会产生影响。图5 在300 K下施加-3V偏压的40 μm、50 μm、70 μm、80 μm、90 μm、100 μm直径的nBn和pBn探测器的归一化频率响应图图6 不同尺寸的nBn和pBn探测器（a）3 dB截止频率随反向偏压变化曲线；（b）在3 V反向偏压下的3 dB截止频率随台面直径变化曲线图6（a）展示了对不同尺寸的nBn和pBn探测器，在0-3 V反向偏压范围内的3 dB截止频率的结果。随着反向偏压的增大，不同尺寸的器件的3 dB带宽也随之增大。因此，在图6（a）中观察到在低反向偏压下nBn和pBn器件的响应较慢，nBn探测器的截止频率落在60 MHz-320 MHz之间而pBn探测器的截止频率落在70 MHz-750 MHz之间；随着施加偏压的增加，截止频率增加，nBn和pBn器件最高可以达到反向偏压3V下的2.02 GHz和2.62 GHz。pBn器件的响应速度相较于nBn器件提升了约29.7%。结论通过分子束外延法在锑化镓衬底上生长了两种势垒型结构nBn和pBn的InAsSb/AlAsSb/AlSb基中波红外光探测器，经过台面定义、工艺钝化工艺和金属蒸镀工艺制备了可用于射频响应特性测试的GSG探测器。XRD和AFM的结果表示两种结构的外延片都具有较好的晶体质量。探测器的暗电流测试结果表明，在室温和反向偏压400 mV工作时，直径90 μm的pBn器件相较于nBn器件表现出更低的暗电流密度0.145 A/cm²，说明了该器件在室温非制冷环境下表现出低噪声。不同台面直径的探测器的暗电流测试表明，pBn器件的表面电阻率约为1.7×10⁴ Ωcm，对照的nBn器件的表面电阻率为3.1×10³ Ωcm，而pBn和nBn的R₀A体积项的贡献分别为16.60 Ωcm²和5.27 Ωcm²。探测器的电容测试结果表明，可零偏压工作的pBn探测器具有完全耗尽的势垒层和部分耗尽的吸收区，nBn的吸收区也存在部分耗尽。探测器的射频响应特性表明，直径90 μm的pBn器件的响应速度在室温和3 V反向偏压下可达2.62 GHz，对照的nBn器件的响应速度仅为2.02 GHz，相比提升了约29.7%。初步实现了在中红外波段下可快速探测的室温非制冷势垒型光探测器，对室温中波高速红外探测器及光通讯模块提供技术路线参考。论文链接：http://journal.sitp.ac.cn/hwyhmb/hwyhmbcn/article/abstract/2023157

据麦姆斯咨询报道，以色列非制冷红外探测器和高功率激光二极管制造商Semi Conductor Devices（SCD），近期推出了一种基于事件（event-based）的新型短波红外（SWIR）探测器Swift-El。据SCD称，Swift-El是世界首款集成基于事件成像功能的短波红外探测器，使其成为国防和工业领域的“革命性”补充。Swift-El是一款尺寸、重量、功耗（SWaP）极低且成本低廉的VGA格式10 μm像素间距短波红外探测器。其先进的焦平面阵列（FPA）探测能力，使战术部队能够探测多个激光源、激光点、敌方火力指示（HFI）等。Swift-El具有的读出集成电路（ROIC）成像器技术，使其可在一个传感器中提供两个并行视频通道：一个标准成像短波红外视频通道和一个极高帧事件成像通道。Swift-El提供支持白天和弱光场景的短波红外成像，可实现全天候态势感知、更好的大气穿透能力，以及为战术级应用提供的低成本短波红外图像。此外，其基于事件的成像通道提供了多种先进的功能，如激光事件点检测、多激光点LST功能和基于事件的短波红外成像等，扩大了目标检测和分类的范围。Swift-El还为生产线分拣机、智慧农业等领域的机器视觉应用开辟了新可能，这些应用需要对先进短波红外图像进行分析以实现自动机器决策。Swift-El能够实现超过1200 Hz的全帧率，这对机器视觉和机器AI算法至关重要。Swift-El探测器的分辨率为640×512、像素间距10μm，由该公司位于以色列的晶圆厂生产，目前主要面向国防和工业应用，计划于2024年量产。SCD业务发展与营销副总裁Shai Fishbeing表示：“我们非常注重规模经济，以提高产能和良率，我们拥有世界上最大的热像仪制造厂。”

据麦姆斯咨询报道，以色列非制冷红外探测器和高功率激光二极管制造商Semi Conductor Devices（SCD），近期推出了一种基于事件（event-based）的新型短波红外（SWIR）探测器Swift-El。Swift-El是一款尺寸、重量、功耗（SWaP）极低且成本低廉的VGA格式10 μm像素间距短波红外探测器。据SCD称，Swift-El是世界首款集成基于事件成像功能的短波红外探测器，使其成为国防和工业领域的“革命性”补充。其先进的焦平面阵列（FPA）探测能力，使战术部队能够探测多个激光源、激光点、敌方火力指示（HFI）等。Swift-El具有的读出集成电路（ROIC）成像器技术，使其可在一个传感器中提供两个并行视频通道：一个标准成像短波红外视频通道和一个极高帧事件成像通道。Swift-El提供支持白天和弱光场景的短波红外成像，可实现全天候态势感知、更好的大气穿透能力，以及为战术级应用提供的低成本短波红外图像。此外，其基于事件的成像通道提供了多种先进的功能，如激光事件点检测、多激光点LST功能和基于事件的短波红外成像等，扩大了目标检测和分类的范围。Swift-El还为生产线分拣机、智慧农业等领域的机器视觉应用开辟了新可能，这些应用需要对先进短波红外图像进行分析以实现自动机器决策。Swift-El能够实现超过1200 Hz的全帧率，这对机器视觉和机器AI算法至关重要。Swift-El探测器的分辨率为640 x 512、像素间距10μm，由该公司位于以色列的晶圆厂生产，目前主要面向国防和工业应用，计划于2024年量产。SCD业务发展与营销副总裁Shai Fishbeing表示：“我们非常注重规模经济，以提高产能和良率，我们拥有世界上最大的热像仪制造厂。”

红外热成像技术通过探测物体自身所发出来的远场红外辐射从而感知表面温度，在军事、民航、安防监控及工业制造等重要领域有着广泛应用。但由于光学衍射极限的限制，红外热成像的分辨率通常在微米尺度及以上，因此无法用于观测纳米尺度的物体。近几年，我们开发了红外被动近场显微成像技术，通过探测物体表面的近场辐射从而极大地突破红外衍射极限限制，将红外温度探测及成像从传统的微米尺度拓展到了纳米尺度。据麦姆斯咨询报道，近期，中国科学院上海技术物理研究所红外科学与技术全国重点实验室的科研团队在《红外与毫米波学报》期刊上发表了以“红外近场辐射探测及超分辨温度成像”为主题的文章。该文章第一作者为朱晓艳，主要从事红外被动近场成像方面的研究工作。本文将围绕扫描噪声显微镜（SNoiM）技术的实验原理及其应用，详细介绍如何通过自主研制的红外被动近场显微镜，突破红外热成像的衍射极限限制，实现纳米级红外温度成像。近场辐射我们首先从黑体辐射的本源入手。如图1（a）所示，绝大多数物体内部都包含大量带正电荷和负电荷的粒子，这些带电粒子永远不会静止不动，而是一直处于随机扰动状态（热运动）。我们所熟知的热辐射就源自物体内部的这种带电粒子热运动，辐射特征可由普朗克黑体辐射定律描述。但鲜为人知地是，物体内的电荷扰动不仅在距离物体辐射波长尺度以外的区域产生红外热辐射（远场辐射），而且在物体近表面处会生成一种能量密度极高的表面扰动电磁波（以倏逝波形式存在），可称之为近场辐射。理论很早就预言了这种表面电磁波（近场辐射）的存在，并发现针对远场辐射所建立的认知及规律（如普朗克辐射定律等）将不再适用于近场辐射，但相关实验研究由于探测难度极高而一直未有明显突破。2009年，美国麻省理工学院和法国CNRS的研究组取得重要进展，先后在实验上验证了纳米尺度下近场辐射热传输效率可远超黑体辐射极限。尽管该实验验证了物体表面近场倏逝波的存在，但相关物理现象仍然缺少更直接的实验手段对其进行更进一步地研究。图1（a）物体表面存在的远场辐射及近场辐射；探针调制技术：（b）当探针远离样品时不会散射物体表面的近场倏逝波、（c）当探针靠近物体近表面时可以散射近场倏逝波；（d）红外被动近场显微镜（SNoiM）的示意图红外被动近场显微镜（SNoiM）的实验原理及其应用SNoiM技术的实验原理物体表面的近场辐射由于其倏逝波特性（即强度随着远离物体表面急剧衰退）而难以探测。在SNoiM中，利用扫描探针技术有效地解决了这一问题。如图1（b）所示，当不引入纳米探针（或探针远离物体表面）时，物体近表面的近场倏逝波无法被探测，该显微镜工作于传统红外热成像模式，即仅获得其远场辐射信号。SNoiM技术的关键是，将探针靠近样品近表面（比如10 nm以内），近场倏逝波可以被针尖有效散射出来。该探测模式下，探测器所获取的样品信号中同时存在近场和远场分量。因此，通过控制探针至物体表面的间距h，即可获得近场、远场混合信号（h 100 nm，称为近场模式）或单一的远场信号（h 100 nm或撤去探针，称为远场模式）。最终，利用探针高度调制及解调技术即可从远场背景中提取物体的近场信息。图1（d）展示了SNoiM系统探测近场信号的示意图。探针所散射的近场信号首先由一个高数值孔径的红外物镜进行收集。但在该过程中，无法消除来自环境、被测物体及仪器自身的远场辐射信号，它们随近场信号一同被红外物镜收集，导致被测物体微弱的近场信号湮没于巨大的远场背景辐射之中。为了最大程度降低远场背景信号，研究人员在红外物镜上方设计了一个孔径极小的共焦孔（约100 μm），通过此共焦结构可以缩小收集光斑，有效抑制背景辐射信号。然而，即使是这样，是否有足够灵敏的红外探测器能够检测到纳米探针所散射的微弱近场信号也是一大难点。为此，本团队研发了一款超高灵敏度红外探测器，攻克了这一技术壁垒。图2（a）展示了首套SNoiM设备实物图。其中，金色圆柱腔体为低温杜瓦，内部搭载了自主研制的超高灵敏度红外探测器（CSIP）及一些低温光学组件；白色方框内为实验室内组装的基于音叉的原子力显微镜（AFM）、红外收集物镜及样品台区域，具体细节参照图2（b）、（c）。红外近场图像的空间分辨率不再受探测波长限制，而是由探针尖端尺寸决定。如图2（b）中插图所示，通过电化学腐蚀方法，可制备出形貌优良的金属（钨）纳米探针，其中，针尖直径可小至100 nm以内。图2（a）红外被动近场显微镜SNoiM的实物图，其中搭载了超高灵敏度红外探测器；（b）AFM及红外收集物镜；插图为通过电化学腐蚀制备的金属（钨）纳米探针；（c）探针与样品的显微照片基于SNoiM的超分辨红外成像研究利用SNoiM技术探测物体表面的近场辐射可极大突破红外衍射极限，实现超分辨红外成像。首先以亚波长金属结构的成像结果为例进行展示。图3（a）为Au薄膜样品在普通光学显微镜下所拍摄的图像。其中，亮金色区域为Au薄膜（约50 nm厚），其他区域为SiO₂衬底。使用SNoiM系统可同时获取该样品的远场和近场红外图像（获取远场图像时只需将探针挪离样品表面）。如图3（b）所示，由于成像波长较长（~ 14 μm），远场红外图像的分辨率远不如普通光学显微图像。比如，Au与衬底（SiO₂）的边界无法清晰区分以及中间细小金属条状结构无法识别等（图中黑色虚线所示）。然而，在相同探测波长下，如图3（c）所示的近场红外图像则展现了超高的空间分辨率，其图像清晰度可完全与普通光学显微镜所获取的图像相比拟。为了进一步理清上述三种显微成像技术的区别，图3示意图中给出了探测到的信号来源：对于光学显微图像，其信号来自于可见光的反射。由于金属的反射能力较强，因而Au上的信号远比SiO₂强。可见光波长范围为400~760 nm，因而光学显微镜可清晰分辨该样品表面的细微结构。远场红外成像不依赖于外界光源照射，直接通过红外物镜收集物体自身所发射出来的辐射信号，并对其进行成像。在探测波长为14 μm情况下，受衍射极限的限制，系统的实际空间分辨率也只有约14 μm。近场红外成像则检测探针尖端所散射的样品表面近场辐射信号，因此不受远场光学衍射极限限制，可获得超分辨红外图像（图3c）。图3 样品Au（SiO₂衬底）的（a）光学显微、（b）远场红外和（c）近场红外的图像及成像原理示意图另外值得注意的一点是，图3（c）所示的红外近场图像不仅仅在分辨率上有所提高，而且在金属与衬底的信号强度对比上出现了明显反转（由远场切换至近场后，Au由弱信号方（蓝色）转变为强信号方（红色））。针对上述现象的解释如下：远场成像时，Au是高反射物体，因此吸收红外光的能力极弱，根据基尔霍夫定律，则其红外发射率也很低。因而远场红外成像中其信号弱于衬底SiO₂；而在近场成像中，室温金属（Au）中的自由电子存在剧烈的热运动（热噪声），从而在金属表面产生极强的表面电磁波，因而Au上的信号远强于SiO₂。由此可见，SNoiM技术不仅突破了红外衍射极限限制，而且能够检测远场显微镜所无法探测的物理过程。基于SNoiM的微观载流子输运及能量耗散可视化研究基于SNoiM技术的另一项创新与突破在于纳米尺度下通电器件中微观载流子输运及局域能量耗散的直接可视化。值得指出，SNoiM所检测的近场辐射信号来自于物体近表面的传导电子，因此其成像结果所反映的是物体表面的局域电子温度（Te）。目前仅SNoiM技术可实现纳米尺度下电子温度分布的直接成像。下面将以通电微小金属线（NiCr合金）为例进行说明。图4 （a）通电金属线显微图像及远场热成像；器件弯折区域分别为（b）凹形、（c）U形的扫描电镜图像及超分辨红外近场热成像图4（a）为NiCr金属线的光学显微图像（上）及其通电后的红外远场热图像（下）。红外远场成像检测通电器件的远场辐射，从而估算出器件的表面温度。比如，器件中心处出现明显热斑，该处温度最高，表明电流流经微小弯曲金属线时能量耗散最大。而受衍射极限限制，远场红外热成像无法分辨微小金属线（宽度约3.3 μm）上不同区域的温度分布，因此无法有效反映微观尺度上载流子的能量耗散特性。与之相比，近场红外热成像则可清晰展示器件中心区域微观载流子的输运及能量耗散行为。如图4（b）所示，当电流经过器件凹形弯折区时，近场红外热成像下，该区域内存在极其不均匀的温度分布，而且在凹形内侧出现显著热斑。该现象表明，通电NiCr器件的凹形区内存在非均匀局部焦耳热，且内侧区域电子能量耗散最大，这是由于电流的拥挤效应所造成的。此外，该温度分布图像似乎表明，通电时，载流子倾向于避开直角拐角处，并趋于沿着U形路径分布。为验证这一猜想，该实验进一步设计了中心区域呈U形弯折的通电NiCr金属线，并对其进行了近场红外热成像表征。图4（c）显示，U形区域温度均匀分布，无明显局域热斑，这表明载流子倾向于沿着U形路径均匀输运。基于SNoiM纳米热分析研究而提出的新设计大大缓解了电流拥挤效应可能对器件造成的局部热损伤，具有重要的指导意义。总结与展望综上，利用SNoiM技术，可以实现物体表面的近场辐射探测及红外超分辨温度成像。该技术是目前国际上唯一能够进行局域电子温度成像的科学仪器，不仅突破了红外远场热成像的衍射极限限制，且首次实现了纳米尺度下通电器件中载流子输运行为与能量耗散的直接可视化。该研究内容均基于第一代室温SNoiM系统，目前，第二代低温SNoiM系统已被成功搭建，有望进一步突破后摩尔时代信息和能源器件的功耗降低及能效提升难题，探索物理新机制，并推动纳米测温技术新的发展。这项研究获得国家自然科学基金优秀青年基金的资助和支持。论文链接：DOI: 10.11972/j.issn.1001-9014.2023.05.001

红外热成像技术通过探测物体自身所发出来的远场红外辐射从而感知表面温度，在军事、民航、安防监控及工业制造等重要领域有着广泛应用。但由于光学衍射极限的限制，红外热成像的分辨率通常在微米尺度及以上，因此无法用于观测纳米尺度的物体。近几年，我们开发了红外被动近场显微成像技术，通过探测物体表面的近场辐射从而极大地突破红外衍射极限限制，将红外温度探测及成像从传统的微米尺度拓展到了纳米尺度。本文将介绍红外被动近场显微成像技术的基本原理，以及基于此可实现的物体表面近场辐射探测与红外超分辨温度成像研究。近场辐射我们首先从黑体辐射的本源入手。如图1（a）所示，绝大多数物体内部都包含大量带正电荷和负电荷的粒子，这些带电粒子永远不会静止不动，而是一直处于随机扰动状态（热运动）。我们所熟知的热辐射就源自物体内部的这种带电粒子热运动，辐射特征可由普朗克黑体辐射定律描述。但鲜为人知的是，物体内的电荷扰动不仅在距离物体辐射波长尺度以外的区域产生红外热辐射（远场辐射），而且在物体近表面处会生成一种能量密度极高的表面扰动电磁波（以倏逝波形式存在），可称之近场辐射。理论很早就预言了这种表面电磁波（近场辐射）的存在，并发现针对远场辐射所建立的认知及规律（如普朗克辐射定律等）将不再适用于近场辐射，但相关实验研究由于探测难度极高而一直未有明显突破。2009年，美国麻省理工学院和法国CNRS的研究组取得重要进展，先后在实验上验证了纳米尺度下近场辐射热传输效率可远超黑体辐射极限。尽管该实验验证了物体表面近场倏逝波的存在，但相关物理现象仍然缺少更直接的实验手段对其进行更进一步的研究。图1 物体表面存在的近场辐射及其探测方式 （a）物体表面存在的远场辐射及近场辐射；探针调制技术：（b）当探针远离样品时不会散射物体表面的近场倏逝波、（c）当探针靠近物体近表面时可以散射近场倏逝波；（d）红外被动近场显微镜（SNoiM）的示意图红外被动近场显微镜（SNoiM）的实验原理及其应用SNoiM技术的实验原理物体表面的近场辐射由于其倏逝波特性（即强度随着远离物体表面急剧衰退）而难以探测。在SNoiM中，利用扫描探针技术有效地解决了这一问题。如图1（b）所示，当不引入纳米探针（或探针远离物体表面）时，物体近表面的近场倏逝波无法被探测，该显微镜工作于传统红外热成像模式，即仅获得其远场辐射信号。SNoiM技术的关键是，将探针靠近样品近表面（比如10 nm以内），近场倏逝波可以被针尖有效散射出来。该探测模式下，探测器所获取的样品信号中同时存在近场和远场分量。因此，通过控制探针至物体表面的间距，即可获得近场、远场混合信号（ 100 nm，称为近场模式）或单一的远场信号（ 100 nm或撤去探针，称为远场模式）。最终，利用探针高度调制及解调技术即可从远场背景中提取物体的近场信息。图1（d）展示了SNoiM系统探测近场信号的示意图。探针所散射的近场信号首先由一个高数值孔径的红外物镜进行收集。但在该过程中，无法消除来自环境、被测物体及仪器自身的远场辐射信号，它们随近场信号一同被红外物镜收集，导致被测物体微弱的近场信号湮没于巨大的远场背景辐射之中。为了最大程度降低远场背景信号，研究人员在红外物镜上方设计了一个孔径极小的共焦孔（约100 μm），通过此共焦结构可以缩小收集的光斑，有效抑制背景辐射信号。然而，即使是这样，是否有足够灵敏的红外探测器能够检测到纳米探针所散射的微弱近场信号也是一大难点。为此，本团队研发了一款超高灵敏度红外探测器，攻克了这一技术壁垒。图2（a）展示了首套SNoiM设备实物图。其中，金色圆柱腔体为低温杜瓦，内部搭载了自主研制的超高灵敏度红外探测器（CSIP）及一些低温光学组件；白色方框内为实验室内组装的基于音叉的原子力显微镜（AFM）、红外收集物镜及样品台区域，具体细节参照图2（b）、（c）。红外近场图像的空间分辨率不再受探测波长限制，而是由探针尖端尺寸决定。如图2（b）中插图所示，通过电化学腐蚀方法，可制备出形貌优良的金属（钨）纳米探针，其中，针尖直径可小至100 nm以内。图2 红外被动近场显微镜SNoiM的实物图（a）　红外被动近场显微镜SNoiM的实物图，其中搭载了超高灵敏度红外探测器；（b）AFM及红外收集物镜；插图为通过电化学腐蚀制备的金属（钨）纳米探针；（c）探针与样品的显微照片基于SNoiM的超分辨红外成像研究利用SNoiM技术探测物体表面的近场辐射可极大突破红外衍射极限，实现超分辨红外成像。首先以亚波长金属结构的成像结果为例进行展示。图3（a）为Au薄膜样品在普通光学显微镜下所拍摄的图像。其中，亮金色区域为Au薄膜（约50 nm厚），其他区域为SiO2衬底。使用SNoiM系统可同时获取该样品的远场和近场红外图像（获取远场图像时只需将探针挪离样品表面）。如图3（b）所示，由于成像波长较长（ ~ 14 μm），远场红外图像的分辨率远不如普通光学显微图像。比如，Au与衬底（SiO2）的边界无法清晰区分以及中间细小金属条状结构无法识别等（图中黑色虚线所示）。然而，在相同探测波长下，如图3（c）所示的近场红外图像则展现了超高的空间分辨率，其图像清晰度可完全与普通光学显微镜所获取的图像相比拟。为了进一步理清上述三种显微成像技术的区别，图3示意图中给出了探测到的信号来源：对于光学显微图像，其信号来自于可见光的反射。由于金属的反射能力较强，因而Au上的信号远比SiO2强。可见光波长范围为400~760 nm，因而光学显微镜可清晰分辨该样品表面的细微结构。远场红外成像不依赖于外界光源照射，直接通过红外物镜收集物体自身所发射出来的辐射信号，并对其进行成像。在探测波长为14μm情况下，受衍射极限的限制，系统的实际空间分辨率也只有约14μm。近场红外成像则检测探针尖端所散射的样品表面近场辐射信号，因此不受远场光学衍射极限限制，可获得超分辨红外图像（图3c）。图3 样品Au（SiO2衬底）的几种显微图像及成像原理示意图：（a）光学显微、（b）远场红外和（c）近场红外另外，值得注意的一点是，图3（c）所示的红外近场图像不仅仅在分辨率上有所提高，而且在金属与衬底的信号强度对比上出现了明显反转（由远场切换至近场后，Au由弱信号方（蓝色）转变为强信号方（红色））。针对上述现象的解释如下：远场成像时，Au是高反射物体，因此吸收红外光的能力极弱，根据基尔霍夫定律，则其红外发射率也很低。因而远场红外成像中其信号弱于衬底SiO2；而在近场成像中，室温金属（Au）中的自由电子存在剧烈的热运动（热噪声），从而在金属表面产生极强的表面电磁波，因而Au上的信号远强于SiO2。由此可见，SNoiM技术不仅突破了红外衍射极限限制，而且能够检测远场显微镜所无法探测的物理过程。基于SNoiM的微观载流子输运及能量耗散可视化研究基于SNoiM技术的另一项创新与突破在于纳米尺度下通电器件中微观载流子输运及局域能量耗散的直接可视化。值得指出，SNoiM所检测的近场辐射信号来自于物体近表面的传导电子，因此其成像结果所反映的是物体表面的局域电子温度（Te）。目前仅SNoiM技术可实现纳米尺度下电子温度分布的直接成像。下面将以通电微小金属线（NiCr合金）为例进行说明。图4（a）为NiCr金属线的光学显微图像（上）及其通电后的红外远场热图像（下）。红外远场成像检测通电器件的远场辐射，从而估算出器件的表面温度。比如，器件中心处出现明显热斑，该处温度最高，表明电流流经微小弯曲金属线时能量耗散最大。而受衍射极限限制，远场红外热成像无法分辨微小金属线（宽度约3.3 μm）上不同区域的温度分布，因此无法有效反映微观尺度上载流子的能量耗散特性。与之相比，近场红外热成像则可清晰展示器件中心区域微观载流子的输运及能量耗散行为。如图4（b）所示，当电流经过器件凹形弯折区时，近场红外热成像下，该区域内存在极其不均匀的温度分布，而且在凹形内侧出现显著热斑。该现象表明，通电NiCr器件的凹形区内存在非均匀局部焦耳热，且内侧区域电子能量耗散最大，这是由于电流的拥挤效应所造成的。此外，该温度分布图像似乎表明，通电时，载流子倾向于避开直角拐角处，并趋于沿着U形路径分布。为验证这一猜想，该实验进一步设计了中心区域呈U形弯折的通电NiCr金属线，并对其进行了近场红外热成像表征。图4（c）显示，U形区域温度均匀分布，无明显局域热斑，这表明载流子倾向于沿着U形路径均匀输运。基于SNoiM纳米热分析研究而提出的新设计大大缓解了电流拥挤效应可能对器件造成的局部热损伤，具有重要的指导意义。图4 NiCr金属线在不同测试模式下的红外热成像结果：（a）通电金属线显微图像及远场热成像；器件弯折区域分别为（b）凹形、（c）U形的扫描电镜图像及超分辨红外近场热成像

红外探测器是一种能够探测红外辐射的设备，主要由探测元件和信号处理电路组成。根据其工作原理的不同，红外探测器可以分为制冷型和非制冷型两种类型。本文将详细介绍制冷型红外探测器和非制冷型红外探测器的原理、特性、区别、应用场景等。制冷型红外探测器【原理】制冷型红外探测器采用红外辐射的吸收来产生电信号，其探测元件是一种特殊的半导体材料，例如氧化汞、锑化铟等。当红外辐射照射到探测元件上时，将会激发探测元件中的载流子，进而产生电信号。但由于载流子的寿命非常短，为了保证探测器的灵敏度和响应速度，需要将探测元件制冷至低温，通常为77K。这种制冷技术通常采用制冷剂制冷的方法，例如液氮和制冷机等。【特性】制冷型红外探测器具有高灵敏度、高分辨率、高响应速度和宽波段响应等特点。由于探测元件的制冷温度非常低，因此可以有效减少热噪声的影响，提高探测器的灵敏度和分辨率。同时，制冷型红外探测器具有极高的响应速度，可以实现高速实时探测，非常适合于远距离监测、目标跟踪等应用场景。【应用场景】制冷型红外探测器广泛应用于远距离监测、目标跟踪、导弹导航、航空、航天、军事侦察、安防监控等领域。例如，制冷型红外探测器可以用于导弹的制导和跟踪，对于高速飞行的目标，需要具备高灵敏度和高响应速度，这正是制冷型红外探测器的优势所在。此外，制冷型红外探测器还可以用于医学诊断和科学研究等领域，例如在医学诊断中，可以通过制冷型红外探测器来检测人体的体表温度分布，从而诊断疾病。非制冷型红外探测器【原理】非制冷型红外探测器采用红外辐射的吸收来产生电信号，其探测元件通常是一种半导体材料，例如硅和锗等。当红外辐射照射到探测元件上时，将会激发探测元件中的载流子，进而产生电信号。由于探测元件的电阻随温度的变化而变化，因此可以通过测量探测元件的电阻来实现对红外辐射的探测。【特性】非制冷型红外探测器具有体积小、重量轻、价格低廉等特点，相较于制冷型红外探测器来说，更加便于制造和使用。同时，非制冷型红外探测器还具有响应速度快、适用于宽波段的特点，因此在一些特定的应用场景中具有优势。【应用场景】非制冷型红外探测器广泛应用于热成像、火灾报警、工业检测、安防监控等领域。例如，在热成像领域，非制冷型红外探测器可以用于检测建筑物和设备的热分布，从而提高能源利用效率和安全性。此外，非制冷型红外探测器还可以用于火灾报警，可以及时发现火灾并进行报警处理。在工业检测中，非制冷型红外探测器可以检测工业设备的异常热量，从而及时发现设备故障。在安防监控领域，非制冷型红外探测器可以用于监测人员和车辆等移动目标的热分布，从而提高监控的精度和准确性。区别【灵敏度与精度】制冷型红外探测器由于配备了制冷机组件，可以使红外探测器工作温度降低到很低的水平，从而提高了灵敏度，并具备更高的测量精度，能够实现更高的信号检测和分辨能力【工作波长】制冷式红外热像仪是敏感型红外热成像仪，可探测物体间细微的温差，它们工作在光谱短波红外(SWIR)波段、中波红外(MWIR)波段和长波红外(LWIR)波段。因为从物理学角度来讲在这些波段热对比度较高，热对比度越高就越容易探到那些目标湿度与背景差异不大的场景。非制冷型红外热像仪光谱集中在长波红外(LWIR)波段，8~14um范围。【使用功耗】制冷型红外探测器需要通过制冷机维持较低的工作温度，这个制冷系统通常需要耗费较高的电能来驱动。所以，相对于非制冷红外探测器，制冷型红外探测器的功耗一般较高。【应用】制冷型红外探测器通常具有更高的灵敏度和分辨率，适用于需求更高性能的应用场景，例如远距离探测系统等、科学研究等。非制冷型红外探测器虽然相对于制冷型红外探测器性能较低，但价格更经济实惠，适用于安防监控、消防救援、无人机载荷、户外观测等领域。举例说明以非制冷型红外探测器在安防监控领域的应用为例，一些商业场所需要进行24小时的监控，以确保安全。在这种情况下，非制冷型红外探测器可以用于监测人员和车辆等目标的热分布，从而提高监控的精度和准确性。例如，在停车场的监控中，可以通过非制冷型红外探测器来检测停车位上是否有车辆，以及车辆的数量和位置。当检测到停车位上有车辆时，就可以向管理人员发送相应的通知，以便及时采取措施维护停车场的秩序和安全。另外，非制冷型红外探测器还可以用于火灾报警。在一些需要保持高温的场所，例如电力设施、化工厂等，火灾的风险较高。这些场所可以使用非制冷型红外探测器来监测设备的温度，一旦检测到异常温度变化，就可以及时发出火灾报警信号，通知相关部门进行应急处理。综上所述，红外探测器作为一种重要的光学传感器，在热成像、安防监控、工业检测、医学诊断等领域中发挥着重要作用。制冷型红外探测器和非制冷型红外探测器各有优缺点，在不同的应用场景中都有广泛的应用前景。

在背景与目标红外辐射量差距不大或背景较为复杂等情况下，传统红外成像技术对目标进行探测与识别的难度较大。而红外偏振探测在采集目标与背景辐射强度的基础上，还获取了多一维度的偏振信息，因此在探测隐藏、伪装和暗弱目标和复杂自然环境中人造目标的探测和识别等领域，有着传统红外探测不可比拟的优势。但同时，偏振装置的加入也增加了成像系统的复杂度与制作成本，且对于远距离成像，在红外成像系统前加入偏振装置对成像系统的探测距离有多大的影响，也有待进一步的研究论证。据麦姆斯咨询报道，近期，中国科学院上海技术物理研究所、中国科学院红外探测与成像技术重点实验室和中国科学院大学的科研团队在《红外与毫米波学报》期刊上发表了以“考虑探测器非理想性的红外偏振成像系统作用距离分析”为主题的文章。该文章第一作者为谭畅，主要从事红外偏振成像仿真方面的研究工作；通讯作者为王世勇研究员，主要从事红外光电系统技术、红外图像信号处理方面的研究工作。本文将从分析成像系统最远探测距离的角度出发，对成像系统的探测能力进行评估。综合考虑影响成像系统探测能力的各个因素，参考传统红外成像系统作用距离模型，基于系统的偏振探测能力，建立了红外偏振成像系统的作用距离模型，讨论了偏振装置非理想性对系统探测能力的影响，并设计实验验证了建立模型的可靠性。红外成像系统作用距离建模目前较为公认的对扩展源目标探测距离进行估算的方法是MRTD法。该方法规定，对于空间频率为f的目标，人眼通过红外成像系统能够观察到该目标需要满足两个条件：①目标经过大气衰减到达红外成像系统时，其与背景的实际表观温差应大于或等于该频率下的成像系统最小可分辨温差MRTD（f）。②目标对系统的张角θT应大于或等于相应观察要求所需要的最小视角。只需明确红外成像系统的各项基本参数与观测需求，我们就可以计算出系统的噪声等效温差与最小可分辨温差，进而求解出它的最远探测距离。红外偏振成像系统作用距离建模偏振成像根据成像设备的结构特性可分为分振幅探测、分时探测、分焦平面探测和分孔径探测。其中分时探测具有设计简单容易计算等优点，但只适用于静态场景；分振幅探测可同时探测不同偏振方向的辐射，但存在体积庞大、结构复杂，计算偏振信息对配准要求高等问题；分孔径探测也是同时探测的一种方式，且光学系统相对稳定，但会带来空间分辨率降低的问题；分焦平面偏振探测器具有体积小、结构紧凑、系统集成度高等优势，可同时获取到不同偏振方向的偏振图像，是目前偏振成像领域的研究热点，也是本文的主要研究对象。图1为分焦平面探测系统示意图。图1 分焦平面探测器系统示意图本文仿真的分焦平面偏振探测器，是在红外焦平面上集成了一组按一定规律排列的微偏振片，一个像元对应着一个微偏振片，其角度分别为 0°、45°、90°和135°，相邻的2×2个微像元组成一个超像元，可同时获取到四种不同的偏振态。图1为分焦平面探测系统结构示意图。传统方法认为在红外成像系统前加入偏振装置后，会对系统的噪声等效温差与调制传递函数MTF（f）产生影响，改变系统的最小可分辨温差，进而改变系统的最远探测距离。本文将从偏振装置的偏振探测能力出发，分析成像系统的最小可分辨偏振度差，建立红外偏振成像系统的探测距离模型。我们首先建立一个探测器偏振响应模型，该模型将探测器视为一个光子计数器，光子被转换为电子并在电容电路中累积，综合考虑探测器井的大小、偏振片消光比、信号电子与背景电子的比率以及入射辐射的偏振特性，通过应用误差传播方法对结果进行处理。从噪声等效偏振度（NeDoLP）的定义出发，NeDoLP是衡量偏振探测器探测能力的指标，即探测器对均匀极化场景成像时产生的标准差。对其进行数学建模，进而分析得到红外偏振成像系统的最远探测距离。图2 DoLP随光学厚度变化曲线对于探测器来说，积分时间越长，累积的电荷越多，探测器的信噪比（SNR）就越高，但这种增加是有限度的。随着积分时间的增加，光生载流子有更多的时间被收集，增加信号。然而，同时，暗电流及其相关噪声也会增加。对于给定的探测器，最佳积分时间是在最大化信噪比和最小化暗电流及噪声的不利影响之间取得平衡，为方便分析，我们假设探测器工作在“半井”状态下。通过以下步骤计算红外偏振成像系统最远作用距离：a. 根据已知的目标和背景偏振特性以及环境条件，计算在给定距离下，目标与背景之间的偏振度差在传输路径上的衰减。b. 结合系统的探测器性能参数，确定目标在给定距离下是否可被观察到。如果不能则减小设定的距离。目标被观察到需同时满足衰减后的偏振度差大于或等于系统对应于该频率的最小可分辨偏振度差MRPD，目标对系统的张角θT大于或等于相应观察要求所需要的最小视场角。c. 逐步增加距离，直到目标与背景之间的偏振度差不再满足观察要求。这个距离即为成像系统最远作用距离。τp (R)为大气对目标偏振度随探测距离的衰减函数，可根据不同的天气条件，根据已有的测量数据进行插值，计算出不同探测距离下大气对目标偏振度的衰减，图4. 5给出了根据文献中测量数据得到的偏振度随光学厚度增加衰减关系图。这里给出的横坐标是光学厚度，不同天气条件下，光学厚度对应的实际传播距离与介质的散射和吸收系数有关。综上，我们建立了传统红外成像系统和考虑了偏振片非理想性的红外偏振成像系统的作用距离模型，下面我们将对模型的可靠性进行验证，分析讨论探测器各参数对成像系统探测能力的影响。验证与讨论由噪声等效偏振度的定义可知，其数值越小，代表偏振探测器的性能越优秀。下面我们对影响红外偏振成像系统探测性能的各因素进行讨论，并设计实验验证本文建立模型的正确性。偏振片消光比消光比是衡量偏振片性能的重要参数，市售的大面积偏振片的消光比可以超过200甚至更多。对其他参数按经验进行赋值，从图3可以看到，对于给定设计参数的探测器，偏振片消光比超过20后，随着偏振片消光比的增加，探测器性能上的提升微乎其微。对于分焦平面探测器，为实现更高的消光比，不可避免地要牺牲探测器整体辐射通量。由于辐射通量降低而导致的信噪比损失可能远远超过消光比增加所获得的收益。这一结果同样可以对科研人员研制偏振片提供启发，对需要追求高消光比的偏振片来说，增大透光轴方向的最大透射率要比降低最小透射率更有益于成像系统的性能。图3 偏振片消光比与探测器噪声等效偏振度关系图探测器井容量红外探测器的井容量是指探测器像素在饱和之前能够累积的电荷数量的最大值。井容量是衡量红外探测器性能的一个关键参数，井容量通常以电子数（e-）表示。较大的井容量意味着探测器可以在饱和之前存储更多的电荷，从而能够在更大的亮度范围内准确检测信号。这对于在具有广泛亮度变化的场景中捕获清晰图像至关重要。从图4可以看出，增大探测器井的容量，同样能很好的提高成像系统的偏振探测能力。图4 探测器井容量与探测器噪声等效偏振度关系图然而，井容量的增加可能会导致像素尺寸增大或探测器面积减小，这可能对系统的整体性能产生负面影响。因此，在设计红外探测器时，需要权衡井容量、像素尺寸和其他性能参数，以实现最佳性能。目标偏振度虽然推导出的噪声等效偏振度公式包含目标偏振度这一参量，但目标的偏振度本身对探测器的噪声等效偏振度没有直接影响。NeDolp 是一个衡量探测器性能的参数，它主要受探测器内部噪声、电子学和其他系统组件的影响。然而，目标的偏振度会影响探测器接收到的信号强度，从而影响信噪比（SNR）。从图5也可以看出，探测器的NeDolp受目标的偏振度影响不大。图5 目标偏振度与探测器噪声等效偏振度关系图读取噪声与产生复合噪声比值读取噪声主要来自于探测器的读出电路、放大器和其他电子元件。它通常在整个光强范围内保持相对恒定。产生复合噪声是由光子的随机到达和电荷生成引起的，与光子数成正比。在低光强下，产生复合噪声通常较小；而在高光强下，它会逐渐变大。通过计算读取噪声和产生复合噪声的比值，可以确定系统的性能瓶颈。如果读取噪声远大于产生复合噪声，这意味着系统在低光强下受到读取噪声的限制。在这种情况下，优化读出电路和放大器等元件可能会带来性能提升。如果产生复合噪声远大于读取噪声，这意味着系统在高光强下受到产生复合噪声的限制。在这种情况下，提高信号处理和光子探测效率可能有助于改善性能。从图6可以看出，降低读取噪声与产生复合噪声比值可以有效提升系统偏振探测能力。图6 δ与探测器噪声等效偏振度关系图信号电子比例综合图4~6可以看出，提升β的数值可有效提高探测器的偏振探测能力，由β的定义可知，对于确定井容量的探测器，β的取值主要取决于探测器的各种噪声与积分时间，降低探测器的工作温度、优化探测器结构、减少表面和界面缺陷等途径都可以降低探测器的噪声，调节合适的积分时间也有助于探测系统的性能提升。实验验证根据噪声等效偏振度的定义，利用面源黑体与红外可控部分偏振透射式辐射源创建一组均匀极化场景。如下图7所示，黑体发出的红外辐射，经过两块硅片，发生四次折射，产生了偏振效应，通过调节硅片的角度，即可产生不同线偏振度的红外辐射。以5°为间隔，将面源黑体平面与硅片间的夹角调为10°~40°共七组。每组将面源黑体设置为40℃和70℃两个温度，用国产自主研制的红外分焦平面偏振探测器采取不少于128帧图像并取平均，然后将每组两个温度下相同角度获得的图像作差，以减少实验装置自发辐射和反射辐射对测量结果的干扰，差值图像就是透射部分的红外偏振辐射。对差值图像进行校正和去噪后，即可按公式计算出探测器对均匀极化场景产生的偏振度图像。计算出红外辐射的线偏振度，为减小测量误差，仅取图像中心区域的像元进行分析。该区域像元的标准差就是该成像系统的噪声等效偏振度（NeDoLP）。探测器具体参数如表1所示。图7 实验示意图表1 偏振探测器参数利用本文建立的探测器仿真模型计算出硅片的线偏振度仿真值，公式19计算出硅片线偏振度的理论值，与实验的测量值进行对比，图8展示了三组数据的变化曲线，从图中可以看出，三组数据存在一定偏差，这可能与硅片调节角度误差、面源黑体稳定性、干涉效应、硅片摆放是否平行等因素有关，但在误差允许的范围内，实验验证了偏振探测系统的性能，也证明了本文建立仿真模型的可靠性。NeDoLP测量结果如表2所示。图8 线偏振度理论值、测量值与本文模型仿真值曲线图表2 实验结果从上表可以看到NeDoLP的测量值与仿真值的差值基本能控制在5%以内，实验结果再次印证了本文设计的模型的可靠性。实例计算应用建立的模型对高2.3m，宽2.7m，温度47℃，发射率为1的目标的最远探测距离进行预测，目标差分温度6℃；背景温度27℃；发射率1；目标偏振度30%，背景偏振度1%，使用3.2节中样机的探测器参数，最后，采用文献中介绍的“等效衰减系数-距离”关系的快速逼近法对红外探测系统最远作用距离R进行求解，得到表3的结果。表3 红外成像系统的最远作用距离根据红外探测系统最远探测距离，利用本文第二节提出的方法，得到不同探测概率下红外偏振成像系统最远作用距离结果如表4所示。表4 红外偏振成像系统的最远作用距离所选例子为目标与背景偏振度差异大于其温差，所以在这种探测场景下红外偏振成像系统的探测能力要优于红外成像系统。探测器的参数不同，探测场景与目标的变化都会对模型的结果产生影响，但本文提供的成像系统作用距离模型可为实际探测中不同应用场景下的成像系统选择提供参考。结论针对不同的探测场景，红外成像系统与红外偏振成像系统在最远探测距离方面哪个更有优势并没有定论，探测目标的大小，背景与目标的温差与偏振度差，大气透过率，具体探测器的参数等因素都会对成像系统的最远探测距离产生影响。经实验验证，本文所建立的非理想红外偏振成像系统的响应模型是可靠的，可以用于估算成像系统的最远作用距离，针对不同的探测场景，读者可通过实验确定探测器的具体性能参数，利用仿真软件或实验测量的方式获取探测目标的温度与偏振信息，明确探测环境的具体大气参数，利用模型对红外成像系统与偏振成像系统的最远作用距离进行预估，选择更具优势的成像系统。这项研究获得上海市现场物证重点实验室基金（No. 2017xcwzk08）和上海技术物理研究所创新基金（No. CX-267）的资助和支持。论文链接：http://journal.sitp.ac.cn/hwyhmb/hwyhmbcn/article/abstract/2023041

近期，高性能制冷红外探测器生产厂商中科爱毕赛思（常州）光电科技有限公司（以下简称“中科爱毕赛思”）完成数亿元融资，资金将用于二期产线建设、新一代产品研发及市场拓展。本次融资由海通证券旗下海通创新资本领投，方广资本、常金控、元科投资跟投；老股东昇和资本、国海创新资本、常州高新投持续投资。锑化物II类超晶格技术自从20世纪70年代锑化物II类超晶格的理论被提出以来，基于InAs/GaSb 体系的II类超晶格材料受到了极大的关注，其基本原理是通过InAs层与GaSb层的重复交替排列形成一维周期性结构。类似于周期性排列的晶格，超晶格周期性的长短变化使超晶格表现出从半金属到窄带隙半导体的特性。InAs/GaSb超晶格的特点是InAs与GaSb之间形成II型离隙型能带结构，电子与空穴被分别限制在InAs与GaSb层中，相邻InAs层中电子波函数的交叠形成电子微带，同样地，相邻GaSb层中空穴波函数的交叠形成空穴微带。通过电子吸收光子在最高空穴微带（重空穴带）与最低电子微带（第一电子微带）之间的跃迁来实现对光信号的响应。红外探测器“一代器件，一代整机，一代装备”，红外探测器是红外产业链的核心器件。红外探测器性能高低直接决定了红外成像的质量。红外探测器在红外成像系统中的地位类似于人视觉系统中的视网膜，将从环境中检测的红外辐射的信号，转变为机器可以识别的电流或电压的信号，是探测、识别和分析目标物体红外信息的关键。据具体的需求和应用，红外探测器会有不同的分类，最为常见的是根据制冷需求，分为制冷红外探测器和非制冷红外探测器。制冷型红外探测器一般指的是利用半导体材料的光子效应制成的探测器，光电效应需要半导体冷却到较低温度才能够观测，所以红外系统需要制冷后才能使用。制冷型红外探测器具有温度灵敏度高、响应速度快、探测器距离远等优点，因此应用广泛，主要包括：（1）科学研究：在科学研究领域，制冷型长波红外探测器可用于天文学、气象学、地球物理学等学科的研究。它能够探测到来自宇宙的红外辐射，为科学家提供有关宇宙起源、星体演化等重要信息。（2）野生动物研究：中长波双色制冷红外探测器可以用于野生动物研究中，通过探测动物的红外辐射来观察和研究动物的行为和习性，对于生态保护和动物学研究具有重要意义。（3）工业应用：在工业领域，制冷型长波红外探测器可用于检测机器设备的工作状态和故障预警，例如对发动机、涡轮机等进行检测。它能够实时监测机器设备的运行状态，及时发现潜在的故障和问题，从而提高生产效率和设备使用寿命。（4）环境监测：在环境监测领域，制冷型长波红外探测器可用于检测空气污染、气体泄漏、森林火灾等环境问题。它能够快速准确地检测到环境中的异常变化，为环境保护和应急响应提供及时准确的信息支持。（5）安防应用：在安防领域，制冷型长波红外探测器可用于安全监测、防止非法入侵和犯罪活动。它能够进行24小时不间断的红外监测，对目标进行精确的探测和识别，从而有效地保障公共安全和财产安全。（6）消防救援：在火灾发生时，中长波双色制冷红外探测器可以通过探测火焰和烟雾的红外辐射来及时发现火源，从而帮助消防人员快速定位火点并进行救援。（7）特殊应用：制冷型长波红外探测器可用于侦察、目标跟踪等任务。它具有抗干扰能力强、探测距离远、探测精度高等优点。展望未来中科爱毕赛思正式成立于2020年，是一家专注于光电技术领域的高科技企业，致力于锑化物超晶格技术产业化，推动高性能半导体光电子技术产业的发展。公司已经掌握了分子束外延生长（MBE）与芯片制备的核心技术，并具备新一代高性能光电子器件从结构设计、材料外延、器件制备到组件封装的全产业链技术能力。未来，中科爱毕赛思（常州）光电科技有限公司将持续推动锑化物超晶格的发展，坚持科技创新、自立自强的理念，不断追求卓越，努力成为一流的高性能红外探测器供应商。

题注：韦布通过将冷却至极低温的大口径太空望远镜(预计是斯皮策红外天文望远镜的50倍灵敏度和7倍的角分辨率)和先进的红外探测器工艺相结合，带来了科学能力的巨大进步。它将为以下四个科学任务做出重要贡献：1. 发现宇宙的“光”；2. 星系的集合，恒星形成的历史，黑洞的生长，重元素的产生；3. 恒星和行星系统是如何形成的；4. 行星系统和生命条件的演化。而这一切，都离不开部署在韦布上的先进的红外探测器阵列！ ============================================================近日，NASA公布了“鸽王”詹姆斯韦布望远镜拍摄的一张照片！ 图1. 韦布拍的一张照片，图源：NASA 什么鬼？！这台花费百亿美金的望远镜有点散光啊… … 怕不是在逗我玩呢吧… … 别急，这确实是韦布望远镜用它的近红外相机(NIRCam)拍的一张照片。确切来说，这只是一张马赛克拼图的中间部分。上面一共18个亮点，每个亮点都是北斗七星附近的同一颗恒星。因为韦布的主镜由18块正六边形镜片拼接而成，之前为了能够塞进火箭狭窄的“货舱”发射升空，韦布连主镜片都折叠了起来，直到不久前才完全展开。但这些主镜片还没有对齐，于是便有了首张照片上那18个看似随机分布散斑亮点。对于韦布团队的工程师而言，这张照片可以指导他们接下来对每一块主镜片作精细调整，直到这18个亮点合而为一，聚成一个清晰的恒星影像为止。想看韦布拍摄的清晰版太空美图，我们还要再耐心等几个月才行。小编觉得，大概到今年夏天，就差不多了吧。=============================================================================中红外仪器MIRI如果把韦布网球场般大小的主反射镜，比作人类窥探宇宙的“红外之眼”的晶状体的话，韦布携带的中红外仪器，可以说就是这颗“红外之眼”的视网膜了。今天，小编要带大家了解的，就是韦布得以超越哈勃望远镜的核心设备——中红外仪器 (MIRI，Mid-infared Instrument)。图2. 韦布望远镜的主要子系统和组件，中红外仪器MIRI位于集成科学仪器模组(ISIM)。原图来源：NASA如图2所示，韦布望远镜的主、副镜片经过精细调整和校准后，收集来自遥远太空的星光，并将其导引至集成科学仪器模组(ISIM)进行分析。ISIM包含以下四种仪器：l 中红外仪器(MIRI)l 近红外光谱仪 (NIRSpec)l 近红外相机 (NIRCam)l 精细导引传感器/近红外成像仪和无狭缝光谱仪 (FGS-NIRISS)其中，最引人注目的，便是韦布望远镜的中红外仪器 (MIRI，Mid-infared Instrument) 。MIRI包含一个中红外成像相机和数个中红外光谱仪，可以看到电磁光谱中红外区域的光，这个波长比我们肉眼看到的要长。 图3. MIRI 将工作在 5 至 28 微米的中远红外波长范围。图源：NASAMIRI 的观测涵盖 5 至 28 微米的中红外波长范围(图3)。 它灵敏的探测器将使其能够看到遥远的星系，新形成的恒星，以及柯伊伯带中的彗星及其他物体的微弱的红移光。 MIRI 的红外相机，将提供宽视场、宽谱带的成像，它将继承哈勃望远镜举世瞩目的成就，继续在红外波段拍摄令人惊叹的天文摄影。 所启用的中等分辨率光谱仪，有能力观察到遥远天体新的物理细节(如可能获取的地外行星大气红外光谱特征)。MIRI 为中红外波段天文观测提供了四种基本功能：1. 中红外相机：使用覆盖 5.6 μm 至 25.5μm 波长范围的 9 个宽带滤光片获得成像；2. 低分辨光谱仪：通过 5 至 12 μm 的低光谱分辨率模式获得光谱，包括有狭缝和无狭缝选项，3. 中分辨光谱仪：通过 4.9 μm 至 28.8 μm 的能量积分单元，获得中等分辨率光谱；4. 中红外日冕仪：包含一个Lyot滤光器和三个4象限相位掩模日冕仪，均针对中红外光谱区域进行了优化。韦布的MIRI是由欧洲天文科研机构和美国加州喷气推进实验室 (JPL) 联合开发的。 MIRI在欧洲的首席研究员是 Gillian Wright(英国天文技术中心)，在美国的首席研究员是 George Rieke(亚利桑那大学)。 MIRI 仪器科学家，是 英国天文技术中心 的 Alistair Glasse 和 喷气推进实验室 的 Michael Ressler。 ===============================================================================深入了解MIRI的技术细节 图4. 集成科学仪器模组(ISIM)的三大区域在韦布上的位置。图源：NASA 将四种主要仪器和众多子系统集成到一个有效载荷 ISIM 中是一项艰巨的工作。 为了简化集成，工程师将 ISIM 划分为三个区域(如图4)： “区域 1” 是低温仪器模块，MIRI探测器就包含在其中。这部分区域将探测器冷却到 39 K，这是必要的最初阶段的冷却目标，以便航天器自身的热量，不会干扰从遥远的宇宙探测到的红外光(也是一种热量辐射)。ISIM和光学望远镜(OTE)热管理子系统提供被动冷却，而使探测器变得更冷，则需使用其他方式。“区域 2” 是ISIM电子模块，它为电子控制设备提供安装接口和较温暖的工作环境。“区域 3”，位于航天器总线系统内，是 ISIM 命令和数据处理子系统，具有集成的 ISIM 飞行控制软件，以及 MIRI 创新的低温主动冷却器压缩机(CCA)和控制电子设备(CCE)。 图5. MIRI整体构成及各子系统所处的区域。图源：NASA图5示出了MIRI的整体构成及其子系统在韦布三大区域中的分布情况。包含成像相机，光谱仪，日冕仪的光学模块 (OM) 位于集成科学仪器模块 (ISIM) 内，工作温度为 40K。 OM 和焦平面模块 (FPM) 通过基于脉冲管的机械主动冷却器降低温度，航天器中的压缩机 (CCA) ，控制电子设备 (CCE) 和制冷剂管线 (RLDA) 将冷却气体(氦气)带到 OM 附近实现主动制冷。仪器的机械位移，由仪器控制电子设备 (ICE) 控制，焦平面的精细位置调整，由焦平面电子设备 (FPE) 操作，两者都位于上述放置在 ISIM 附近的较温暖的“区域 2”中。 图6. ISIM低温区域1(安装于主镜背后)中的MIRI结构设计及四个核心功能模块的位置。原图来源：NASA MIRI光模块由欧洲科学家设计和建造。来自望远镜的红外辐射通过输入光学器件和校准结构进入，并在焦平面(仪器内)在中红外成像仪(还携带有低分辨率光谱仪和日冕仪)和中等分辨率光谱仪之间分光。经过滤光，或通过光谱分光，最终将其汇聚到探测器阵列上(如图6)。 探测器是吸收光子并最终转换为可测量的电压信号的器件。每台光谱仪或成像仪都有自己的探测器阵列。韦布需要极其灵敏的，大面积的探测器阵列，来探测来自遥远星系，恒星，和行星的微弱光子。韦布通过扩展红外探测器的先进技术，生产出比前代产品噪音更低，尺寸更大，寿命更长的探测器阵列。 图7. (左)韦布望远镜近红外相机 (NIRCam) 的碲镉汞探测器阵列，(右)MIRI 的红外探测器(绿色)安装在一个被称为焦平面模块的块状结构中，这是一块1024x1024 像素的砷掺杂硅像素阵列(100万像素)。图源：NASA。 韦布使用了两种不同材料类型的探测器。如图7所示，左图是用于探测 0.6 - 5 μm波段的近红外碲镉汞(缩写为 HgCdTe或MCT)“H2RG”探测器，右图是用于探测5 - 28 μm波段的中红外掺砷硅(缩写为 Si:As)探测器。 近红外探测器由加利福尼亚州的 Teledyne Imaging Sensors 制造。 “H2RG”是 Teledyne 产品线的名称。中红外探测器，由同样位于加利福尼亚的 Raytheon Vision Systems 制造。每个韦布“H2RG”近红外碲镉汞探测器阵列，有大约 400 万个像素。每个中红外掺砷硅探测器，大约有 100 万个像素。(小编点评：以单像素碲镉汞探测器的现有市场价格计算，一块韦布碲镉汞探测器阵列的价格就要四十亿美金！！！为了拓展人类天文知识的边界，韦布这回真是不计血本啊！) 碲镉汞是一种非常有趣的材料。 通过改变汞与镉的比例，可以调整材料以感应更长或更短波长的光子。韦布团队利用这一点，制造了两种汞-镉-碲化物成分构成的探测器阵列：一种在 0.6 - 2.5 μm范围内的汞比例较低，另一种在 0.6 - 5 μm范围内的汞含量较高。这具有许多优点，包括可以定制每个 NIRCam 检测器，以在将要使用的特定波长上实现峰值性能。表 1 显示了韦布仪器中包含的每种类型探测器的数量。 表1. 韦布望远镜上的光电探测器，其中MIRI包含三块砷掺杂的硅探测器，一块用于中红外相机和低分辨光谱仪，另外两块用于中分辨光谱仪。来源：NASA而MIRI 的核心中红外探测功能，则是由三块砷掺杂的硅探测器(Si:As)阵列提供。其中，中红外相机模块提供宽视场，宽光谱的图像，光谱仪模块在比成像仪更小的视场内，提供中等分辨率光谱。MIRI 的标称工作温度为7K，如前文所述，使用热管理子系统提供的被动冷却技术无法达到这种温度水平。因此，韦布携带了创新的主动双级“低温冷却器”，专门用于冷却 MIRI的红外探测器。脉冲管预冷器将仪器降至18K，再通过Joule-Thomson Loop热交换器将其降至7K目标温度。 韦布红外探测器工艺及架构 图8. 韦布太空望远镜使用的红外探测器结构。探测器阵列层(HgCdTe 或 Si:As)吸收光子并将其转换为单个像素的电信号。铟互连结构将探测器阵列层中的像素连接到 ROIC(读出电路)。ROIC包含一个硅基集成电路芯片，可将超过 100万像素的信号，转换成低速编码信号并输出，以供进一步的处理。图源：Teledyne Imaging Sensors 韦布上的所有光电探测器，都具有相同的三明治架构(如上图)。三明治由三个部分组成：(1) 一层半导体红外探测器阵列层，(2) 一层铟互连结构，将探测器阵列层中的每个像素连接到读出电路阵列，以及 (3) 硅基读出集成电路 (ROIC)，使数百万像素的并行信号降至低速编码信号并输出。红外探测器层和硅基ROIC芯片是独立制备的，这种独立制造工艺允许对过程中的每个组件进行仔细调整，以适应不同的红外半导体材料(HgCdTe 或 Si:As)。铟是一种软金属，在稍微施加压力下会变形，从而在探测器层的每个像素和 ROIC阵列之间形成一个冷焊点。为了增加机械强度，探测器供应商会在“冷焊”工艺后段，在铟互连结构层注入流动性高，低粘度的环氧树脂，固化后的环氧树脂提高了上下层的机械连接强度。 韦布的探测器如何工作？与大多数光电探测器类似，韦布探测器的工作原理在近红外 HgCdTe 探测器和中红外 Si:As 探测器中是相同的：入射光子被半导体材料吸收，产生移动的电子空穴对。它们在内置和外加电场的影响下移动，直到它们找到可以存储的地方。韦布的探测器有一个特点，即在被重置之前，可以多次读取探测器阵列中的像素，这样做有好几个好处。例如，与只进行一次读取相比，可以将多个非重置性读取平均在一起，以减少像素噪声。另一个优点是，通过使用同一像素的多个样本，可以看到信号电平的“跳跃”，这是宇宙射线干扰像素的迹象。一旦知道宇宙射线干扰了像素，就可以在传回地球的信号后处理中，应用校正来恢复受影响的像素，从而保留其观测的科学价值。 对韦布探测器感兴趣的同学们，下面的专业文献，可供继续学习。有关红外天文探测器的一般介绍，请参阅Rieke, G.H. 2007, "Infrared Detector Arrays for Astronomy", Annual Reviews of Astronomy and Astrophysics, Vol. 45, pp. 77-115有关候选 NIRSpec 探测器科学性能的概述，请参阅Rauscher, B.J. et al. 2014, "New and Better Detectors for the Webb Near-Infrared Spectrograph", Publications of the Astronomical Society of the Pacific, Vol 126, pp. 739-749有关韦布探测器的一般介绍，请参阅Rauscher, B.J. "An Overview of Detectors (with a digression on reference pixels)" 参考资源:[1]. 亚利桑那大学关于MIRI的介绍网页. http://ircamera.as.arizona.edu/MIRI/index.htm[2]. Space Telescope Science Institute 关于MIRI的技术网页 https://www.stsci.edu/jwst/instrumentation/instruments[3]. 韦布的创新制冷设备介绍 https://www.jwst.nasa.gov/content/about/innovations/cryocooler.html

锑化物超晶格红外探测器具有均匀性好、暗电流低和量子效率较高等优点，其探测波长灵活可调，可以覆盖短波至甚长波整个红外谱段，是实现高均匀大面阵、长波、甚长波及双色红外探测器的优选技术，得到了国内外相关研究机构的关注和重视，近年来取得了突破性的进展。中国科学院上海技术物理研究所科研团队介绍了InAs/GaSb超晶格红外探测器的技术特点和发展历程，并对后续发展趋势作了初步的展望和探讨。相关研究内容以“锑化物超晶格红外探测器研究进展与发展趋势”为题发表在《红外与激光工程》期刊上。InAs/GaSb超晶格红外探测器的技术原理和特点超晶格是由两种晶格匹配良好的半导体材料交替重复生长而形成的周期性结构，每一层的厚度通常在纳米尺度。根据组成材料相互间能带排列特点，超晶格一般分为I类超晶格和II类超晶格。在III-V族化合物半导体中，InAs、GaSb、AlSb之间可组成不同类别的能带排列，GaSb/AlSb组成I类能带排列，InAs/GaSb、InAs/AlSb组成II类能带排列。特别的，InAs导带底能量比GaSb价带顶能量低约150 meV，当InAs和GaSb结合时，两者形成“破隙型”II类能带排列，电子被限制在InAs层中，而空穴被限制在GaSb层中。当两者组成超晶格时，相邻InAs和GaSb层中电子和空穴会由于相互作用分别形成电子微带和空穴微带，如图1所示。图1 InAs/GaSb超晶格能带简图电子微带与空穴微带的能量差即为超晶格的有效禁带宽度，随着InAs层和GaSb层厚度的改变而改变。对InAs/GaSb II类超晶格的能带结构进行计算和模拟，可以获得超晶格材料光电特性等信息。图2是InAs/GaSb超晶格的截止波长随InAs厚度变化关系，通过改变InAs层的厚度，可以调节超晶格的截止波长，实现短波红外、中波红外和长波红外等不同谱段的红外探测。图2 InAs/GaSb II类超晶格截止波长随InAs厚度变化关系（GaSb厚度为2.1 nm）总体来说，InAs/GaSb超晶格红外探测技术具有如下特点：1）改变周期厚度可以调节InAs/GaSb超晶格的禁带宽带（响应截止波长），因此，可以通过结构设计来灵活调节超晶格探测器的光电响应特性，响应波段可以覆盖短波至甚长波的整个红外谱段，并实现多色探测。2）InAs/GaSb超晶格结构可以吸收垂直入射光。理论计算表明，InAs/GaSb超晶格可达到与HgCdTe材料相当的吸收系数，因此具有较高的量子效率。3）在InAs/GaSb超晶格结构中，由于轻、重空穴带的分离，抑制了Auger复合速率。在理论上，InAs/GaSb超晶格比HgCdTe具有更高的探测率。4）相比HgCdTe材料，InAs/GaSb超晶格有更大的有效质量，有助于抑制长波探测器的隧穿暗电流。5）现代材料生长技术，如分子束外延技术，可以在单原子层精度上控制材料的生长，十分有利于材料性能的可控性、稳定性和可重复性。6）InAs/GaSb超晶格是III-V族化合物半导体材料，材料生长与器件工艺较为成熟，有利于实现大规格、高均匀性焦平面器件。锑化物超晶格焦平面探测器发展历程技术孕育阶段（20世纪80年代—21世纪初）该阶段主要是超晶格红外探测技术概念的提出、超晶格探测器性能的理论计算分析、超晶格材料外延生长和基本光电特性研究，初步证实了超晶格材料具有优良的红外探测性能。超晶格概念是20世纪70年代美国国际商用机器（IBM）公司的江琦、朱兆详等人提出的，指出电子在沿超晶格材料生长方向运动将受到超晶格周期势的影响，形成与自然界材料性能迥异的特性，分子束外延技术的发展又允许人们生长出高质量的超晶格材料。1977年，江琦、朱兆祥等人又提出了锑化物（InAs/GaSb）II类超晶格的概念。技术突破阶段（21世纪初—2010年）该阶段主要聚焦于突破高性能焦平面器件制备的关键技术。采用先进的异质结构抑制超晶格长波探测器的暗电流；研究超晶格材料的刻蚀和侧壁钝化技术，制备出超晶格面阵器件。长波探测是超晶格技术发展的一个重要方向，而降低暗电流是长波红外探测器研究工作的一个重要内容。对于锑化物超晶格探测器，利用其灵活的能带结构调节能力以及分子束外延低维材料生长能力，国外各研究机构设计、制备出了多种宽禁带势垒的探测器结构来抑制暗电流，如pπMn结构、CBIRD结构、nBn结构等。上述不同结构的基本思想是利用宽禁带势垒层与吸收区形成异质结，从而达到抑制产生-复合电流的效果。像元台面刻蚀与侧壁钝化是超晶格焦平面制备研究的一个重要内容。在台面侧壁，由于半导体周期性晶格结构的突然中断，会引起能带在表面的弯曲，从而使得接近表面的半导体层内形成电荷累积，甚至引起表面反型，这会导致在表面形成导电通道。另外，在刻蚀等工艺过程中产生的损伤、沾污或者氧化物等也可能引起表面势能的变化，在带隙内形成载流子陷阱，增加隧穿电流。随着超晶格探测器结构的不断优化，器件制备工艺水平的提升，基于高质量分子束外延超晶格材料，结合前期建立的红外焦平面技术（如读出电路、铟柱混成互联等），相关研究机构相继研制出了320×256、640×512、1024×1024等不同规格的超晶格红外焦平面。双色或多色探测器具备多谱段探测能力，可显著提升识别距离、抗红外干扰与抗伪装能力，是新一代焦平面探测器重点发展方向之一。锑化物超晶格材料能带灵活可调及宽谱响应的特性，使得其成为制备双色、多色探测领域的优选技术。各研究机构先后报道了基于该材料体系的中/中波、中/长波、长/长波双色焦平面探测器。技术发展阶段（2010年—至今）超晶格焦平面制备能力的提升在相关政府机构的支持下，西方技术先进国家突破了超晶格结构设计、材料生长、芯片制备工艺等关键技术，多家研发机构先后获得高性能的超晶格长波大面阵器件和双色焦平面器件。这些成果的取得也使人们充分认识到超晶格技术在红外探测领域的意义和价值。在此基础上，2011年，美国启动了“重要红外传感器技术加速计划（VISTA）”，这是一个由政府主导的，包括JPL、MIT林肯实验室、Sandia国家实验室、海军实验室等研究结构，以及休斯实验室、洛克-马丁公司、L3辛辛那提电子公司等行业领先公司的联合体，技术链涵盖了衬底制备、超晶格材料外延生长、焦平面芯片制备工艺、读出电路设计、超晶格组件集成等。在5年时间内，VISTA计划在高性能长波、中长波双色、超大面阵焦平面、高温工作（HOT）焦平面器件等多方面获得了进一步的发展。图3 （a）超晶格5 μm像元尺寸的SEM照片，（b）超晶格中波红外焦平面在160 K和170 K工作温度下成像示意图，（c）超晶格中长波双色野外成像图超晶格焦平面的工程应用随着制备能力和探测器性能的不断提高，超晶格红外焦平面开始了应用试验。2005年，德国IAF和AIM公司研制的中/中波超晶格双色焦平面探测器应用于欧洲大型运输机Airbus A400 M的多色红外预警系统（MIRAS）。图4 非洲某地区的可见（来源谷歌地图）和CTI红外成像图片（来自美国NASA国际空间站拍摄），Band 1为中波红外图像，Band 2为长波红外图像锑化物超晶格探测器的展望与思考碲镉汞是当前最成功的红外探测材料，其响应波段可以覆盖短波至甚长波的整个红外谱段，具有高的吸收系数和量子效率。由于碲镉汞非常低的肖特基-里德-霍尔（SRH）复合速率，少子寿命长，暗电流低，可以实现高性能红外探测器。碲镉汞的挑战主要来自于材料生长、芯片制备工艺等方面难度大及由此而带来的成品率和制备成本等问题。InAs/GaSb超晶格在谱段覆盖性方面和碲镉汞一样可以在短波至甚长波整个红外谱段内调节。与碲镉汞相比，超晶格红外探测器在量子效率和少子寿命还需要进一步的提升。但另一方面，InAs/GaSb超晶格属于III-V族化合物半导体，其物理化学性质较为稳定，超晶格焦平面在空间均匀性、时间稳定性等方面具有优势，同时，超晶格在材料、芯片的制备技术方面也具备更好的可控性。近年来，InAs/GaSb超晶格红外探测器取得了飞速的发展。在国外，超大规格、高像元密度、高温工作中波焦平面、高性能长波红外焦平面及双色焦平面等已先后获得突破，超晶格探测器也已初步获得航天应用。国内自“十二五”布局开展锑化物超晶格红外探测技术研究，相关研究单位先后在超晶格长波焦平面技术、双色焦平面技术等方面取得突破，初步形成了超晶格材料外延生长、芯片制备等技术能力和平台。后续，超晶格红外探测技术将在进一步提升材料基本性能（量子效率、少子寿命）的基础上，发展大规格和超大规格红外焦平面，高像元密度焦平面，甚长波和双色、多色探测器，高工作温度红外焦平面等。提升超晶格材料基本性能在少子寿命方面，在超晶格中，轻、重空穴带的分离抑制了俄歇复合过程，因此，理论上超晶格的少子寿命可以比碲镉汞更长。但目前InAs/GaSb超晶格的少子寿命一般小于100 ns，与碲镉汞相比有很大的差距，这主要是由于超晶格材料存在较强的SRH复合。InAs/InAsSb超晶格因表现出了更长的载流子寿命而颇受关注，但对于相同的探测波长，InAs/InAsSb超晶格的吸收系数较小；同时，InAs/InAsSb超晶格的空穴迁移率和扩散长度也较小。另一种新型超晶格材料——晶格匹配 InAs/GaAsSb超晶格展现出了优良的光电性能，计算表明，对于相同的探测波长，InAs/GaAsSb超晶格具有与InAs/GaSb超晶格相似的吸收系数。在量子效率方面，由于在超晶格中电子和空穴分别位于InAs和GaSb层中，吸收系数的大小与电子波函数和空穴波函数的交叠积分相关，从而导致器件的量子效率随波长增大而下降。目前中波红外超晶格探测器的量子效率可以实现70%~80%，长波器件的量子效率约30%~40%。提升长波、甚长波超晶格焦平面器件的量子效率是一个重要的研究课题。近年来，采用超表面微纳光子结构提升器件量子效率成为一个有效途径。与探测器集成的微纳光子结构主要包括一维、二维光子晶体、光栅、汇聚透镜、微腔结构等。近年来，美国麻省理工学院、空军实验室、JPL等在该方面开展研究并取得了较好的成果。超晶格红外焦平面发展趋势展望在焦平面器件发展趋势方面，将充分利用超晶格自身技术优势，发展高像元密度大面阵探测器、甚长波探测器、双色和多色探测器、高工作温度探测器及新型雪崩探测器等。在高像元密度大面阵器件发展方面，国际上超晶格外延材料尺寸已经达到6 in（1 in=2.54 cm），正向更大晶圆发展；像元尺寸已缩小至5 μm，最大规格达到6 K×4 K。国内已具备4~6 in超晶格外延材料生长和锑化物半导体探测器芯片制备能力，在小像元尺寸的台面芯片制备方面也具有技术基础。在甚长波红外探测器方面，关键在于降低器件暗电流，红外探测器的暗电流与少子寿命密切相关。因此，提升超晶格材料的少子寿命是一个重要的研究课题。晶格匹配InAs/GaAsSb新型超晶格材料有助于降低材料的深能级缺陷，从而提升少子寿命。降低器件暗电流的另一途径是运用InAs、GaSb、AlSb等材料间多样的能带排列方式，灵活设计出先进的抑制暗电流器件结构。最近，国外报道了14 μm超晶格甚长波焦平面探测器，采用先进势垒设计结构，大大地抑制了器件的暗电流。在实现高温工作超晶格红外探测器的研究方面，主要集中在设计和制备各种具有暗电流抑制功能的异质势垒结构器件。国外研究机构采用nBn等异质势垒结构，很好地将超晶格中波红外探测器的工作温度提升至150 K以上。在国外，高温工作的超晶格中波红外焦平面已经显示出了替代传统InSb器件的趋势。实现双色或多色探测是超晶格发展的一个重要发展方向。超晶格主要采用改变材料周期厚度来调节响应波长，采用分子束外延技术，只要改变InAs、GaSb单层的生长时间（改变层厚）就可以获得不同响应波长的超晶格材料，因此非常容易在一次外延生长过程中集成两个甚至多个响应不同波长的探测器材料结构。近期研究结果也表明，超晶格是实现双色或多色探测的优先技术。在新型探测器方面，锑化物超晶格雪崩探测器（APD）近年来也备受关注。美国伊利诺斯大学研究发现，InAs/GaSb超晶格的空穴/电子碰撞电离系数比可以近似为零，研制的电子雪崩型器件的增益为300时，过剩噪声因子小于1.2。该团队与美国雷神公司合作研制的电子雪崩型超晶格APD，在增益为500时，过剩噪声因子仍旧保持在接近于1的水平，表现出了极低的雪崩噪声特性。结论这项研究简要介绍了锑化物超晶格红外探测技术的技术特点、发展历程及其发展趋势。自InAs/GaSb超晶格红外探测器的设想被提出后，30多年来，通过结构设计优化和制备技术提升，国内外研究结构先后获得了一系列的大面阵、高温工作、长波、多色红外探测器，超晶格红外焦平面也表现出了高均匀性、高稳定性、高制备可控性等优势，并且在红外遥感成像等航空航天领域得到应用。今后，超晶格红外焦平面将向着更高的像素密度、更大的规格、更高的工作温度、甚长波、双色（多色）、雪崩器件等方向发展。

受神经形态计算并行处理能力的启发，多通道超构成像（meta-imaging）在成像系统的分辨率增强和边缘识别方面取得了相当大的进步，甚至扩展到中远红外光谱。目前典型的多通道红外成像系统由分离的光栅或合并的多个相机构成，这需要复杂的电路设计和巨大的功耗，阻碍了先进的类人眼成像器的实现。近期，由成都大学郭俊雄特聘研究员、清华大学Yu Liu、电子科技大学黄文教授和北京师范大学张金星教授领导的科研团队开发了一种由铁电超畴（superdomain）驱动的可打印石墨烯等离子体光电探测器阵列，用于具有增强边缘识别能力的多通道超构红外成像。通过直接重新调整铁电超畴而不是重建分离光栅，所制造的光电探测器在零偏压下表现出多光谱响应。与单通道探测器相比，研究人员所开发的多通道红外成像技术表现出更强和更快的形状分类（98.1%）和边缘检测（98.2%）。研究人员开发的概念验证光电探测器阵列简化了多通道红外成像系统，并为人脑型机器视觉中的高效边缘检测提供了潜在的解决方案。相关研究成果以“Type-printable photodetector arrays for multichannel meta-infrared imaging”为题发表在Nature Communications期刊上。基于“活字印刷式”多通道光电探测器阵列的红外成像使用铁电超畴打印的光电探测器的多通道超构红外成像技术方案如上图所示。与多个相机的合并不同，所提出的超构成像的像素点被设计为使用通过“活字印刷式”探测器实施的单个孔径实现并行多通道。通过将单层石墨烯和具有纳米级宽度条纹超畴的BiFeO₃ （BFO）薄膜集成，研究人员开发了一种简单的双端零偏压多通道阵列（MCA）探测器，用于超构红外成像。基于拉曼信号的载流子密度空间监测表明，通过重新调整铁电超畴可以实现石墨烯导电性的非均匀图案化。当工作在零偏压和室温下时，所开发的器件阵列在中红外区域表现出可调谐的透射光谱和选择性响应。“活字印刷式”等离子体光电探测器的制造和架构为了验证这种可打印架构的性能，研究人员通过重新调整铁电畴宽度（对应于活字印刷技术的排版过程）在同一BFO薄膜上制作了一个器件阵列。研究人员重点研究了石墨烯/ BFO超畴（不同宽度）混合结构的光谱响应。所开发的光电探测器实现了约30 mA W⁻ ¹ 的增强响应度和10⁹ Jones数量级的比探测率（D*）。“活字印刷式”光电探测器阵列的表征重要的是，研究人员展示了MCA光电探测器在红外成像应用中的集成，与单通道阵列（SCA）探测器相比，显示出对整体目标形状和边缘检测的更高识别精度，以及更快的训练和识别速度。“活字印刷式”探测器在手势红外成像和识别中的应用总而言之，通过将单层石墨烯和具有纳米级宽条纹超畴的BFO薄膜集成，研究人员开发了一种可打印的光电探测器阵列，证明了这种类型的器件阵列是为多通道超构红外成像应用而设计的，并实现了增强的边缘检测。所开发的可打印光电探测器在零偏压下工作，在室温下表现出约30 mA W⁻ ¹ 的高响应度。这可以归因于石墨烯等离子体与入射光的共振耦合。此外，器件阵列在中红外区域表现出选择性响应，这是通过在环境条件下直接重新调整BFO超畴宽度实现的。这项研究证明，通过在纳米尺度上改变铁电畴可精确控制石墨烯载流子密度。与依赖复杂纳米制造技术的传统器件相比，石墨烯片与不同衬底的兼容性提供了多种优势。此外，该研究还证明了MCA探测器可以增强红外成像中的形状和边缘检测。这些特性使得未来具有简单的电路设计和低功耗的集成光电子平台成为可能。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-49592-4

德国亥姆霍兹德累斯顿罗森多夫(HZDR)研究中心的科学家通过在 SiC 上一个微小的片状石墨烯加上天线，开发出一种新的光学探测器。据称，这种新型探测器可以迅速的反射所有不同波长的入射光，并可在室温下工作。这是单个检测器首次实现监测光谱范围从可见光到红外辐射，并一直到太赫兹辐射。　　HZDR 中心的科学家们已经开始使用新的石墨烯探测器用于激光系统的精确同步。据HZDR 物理与材料科学研究所的物理学家 Stephan Winnerl 称，相对于其他半导体，如硅或砷化镓，石墨烯可以承载具有超大范围光子能量的光，并将其转换成电信号，只需要一个宽带天线和恰当的衬底来。　　石墨烯片和天线组件吸收光线，将光子的能量转移至石墨烯的电子中。这些“热电子”能够增加探测器的电阻，产生快速电信号，在短短 40 皮秒内便可完成入射光注入。　　衬底的选择是提高捕光器的关键。过去使用的半导体衬底吸收了一些波长的光，但碳化硅可在光谱范围不主动吸收光。 此外，天线的作用就像一个漏斗，捕捉长波红外和太赫兹辐射。目前，科学家们已经能够将光谱范围增加为此前型号探测器的90倍，所能探测到的最短波长比最长的小 1000倍。而在可见光中，红光波长最长，紫光波长最短，红光波长仅是紫光的两倍。　　该光学探测器已被 HZDR 中心采用，用于易北河中心的两个自由电子激光器的精确同步。这种精确同步对“泵浦探针”实验尤为重要，研究员使用其中一个激光器激发材料，再使用另一个具有不同波长的激光器进行测定。在这种实验中，激光脉冲必须精确同步。因此，科学家们使用石墨烯探测器如同使用秒表。精确同步的探测器可以显示出激光脉冲何时达到目标，大带宽有助于防止探测器变为潜在错误来源。该种探测器的另一个优点是，所有的测量可以在室温下进行，避免了其他探测器所需的昂贵和费时的氮气或氦气冷却过程。

为了进一步提高红外变焦光学系统的性能，兼顾其空间分辨率和灵敏度的要求，基于可变冷光阑技术的制冷型变F数红外探测器需求迫切。相较于传统的红外变焦光学系统，变F数红外变焦光学系统可在大视场和小视场切换时保持分辨率和灵敏度的平衡，提高光学系统的孔径利用率，进而缩小光学系统的径向尺寸，有利于红外光学系统成像质量的提升和小型化设计。昆明物理研究所科研团队对变F数与变焦之间的关系进行研究，概述了国内外在可变冷光阑红外探测器技术领域的研究进展，并对主流技术路线的关键技术难点进行了分析。相关研究内容以“可变冷光阑红外探测器研究进展和关键技术分析”为题发表在《红外技术》期刊上。变焦和变F数的关系变焦光学系统的理论依据：光学系统的焦距是一项重要的设计指标，其关系到系统的视场角、空间分辨率等关键性能。变F数与变焦的关系：为了理清变焦与变F数的关系，首先对传统的红外变焦系统进行分析。传统变焦系统中，探测器的F数是固定不变的，而光学系统（为方便讨论，将冷屏作为光学系统的一部分）的F数则分以下几种情况：① 假设系统在最长焦距时入瞳尺寸与物镜尺寸相等：该种情况下，光学系统的F数由最长焦距和物镜尺寸的比值决定，此时冷屏开口即为系统的孔径光阑。在系统由最长焦距切换到短焦状态时，孔径光阑及其尺寸均保持不变，入瞳由原来占满整个物镜逐步等比例缩小。由F数的公式可知，此时光学系统的F数保持不变。如图1所示，探测器的F数固定不变，为F/3，在长焦窄视场时，通光孔径被完全利用，见图中浅蓝色部分；当系统切换至短焦大视场状态时，通光孔径大幅减小，见图1中深蓝色部分。图1 传统变焦红外光学系统的孔径利用率示意图② 假设系统在最短焦距时入瞳尺寸与物镜尺寸相等：该种情况下，系统的F数由最短焦距和物镜尺寸的比值决定。在系统由短焦向长焦切换时，由于物镜尺寸固定，孔径光阑不再是冷屏开口，物镜边框成为了新的孔径光阑，也就是说此时虽然焦距在变大，但是入瞳直径保持不变，使得光学系统的F数逐步增加，并大于探测器的F数，造成冷屏效率的下降。如图2所示，光学系统的F数为F/6，探测器的F数为F/3，光学系统的F数大于探测器，光学系统自身产生的红外辐射大量的进入焦平面，大幅增加系统的NETD，干扰成像。图2 25%冷屏效率系统的辐射示意图实际的变焦光学系统设计时，往往是上述两种情况的平衡，通常不会只考虑某一个状态的性能。而对于变F数光学系统来说，在设计时保证系统在各个焦距下的孔径光阑均为探测器冷光阑，则当系统由长焦变换到短焦时，通过等比例增大冷光阑尺寸，可保证入瞳尺寸保持不变，通光孔径被充分利用，如图3所示。图3 变F数红外光学系统的孔径利用率示意图当系统由短焦变为长焦时，变F数光学系统可以通过等比例减小探测器冷光阑开口尺寸，使得探测器的F数变大，从而保持100%的冷屏效率，避免系统自身的杂散辐射进入焦平面，如图4所示。图4 100%冷屏效率系统的辐射示意图变焦光学系统可兼顾大视场搜索目标和极小视场识别目标的需求，但是由于探测器的F数固定不变，因此要么不能充分利用通光孔径，要么引入大量杂散辐射，不能达到最佳的成像质量。而变F数光学系统则可以很好地解决上述问题。因此理论上，凡是红外变焦光学系统应用的场合，变F数光学系统均可应用，具有广泛的应用前景。可变冷光阑红外探测器的研究进展可变冷光阑的优势可变冷光阑红外探测器技术是目前实现变F数红外系统的重要技术路线。相对于温阑来说，其具有以下几个优势：F数调节范围大且可连续调节。为了解决温阑自身及反射的杂散辐射对成像的影响问题，通常做成球面温阑，这使得F数调节范围小，通常只有两个F数可以选择，或者只能在某两个接近的F数之间进行调节，而可变冷光阑红外探测器可实现系统F数的连续可调，且调节范围较大。可降低系统的复杂度。在传统变焦光学系统中增加温阑设计，将大幅增加光学系统的复杂度和成本。而采用可变冷光阑红外探测器，只需针对探测器杜瓦封装结构进行设计和装配，可大幅降低系统的复杂度。可提升系统的灵敏度。长春光机所的常松涛等人研究了球面温阑对中波640×512（15 μm）红外探测器的NETD的影响，假设球面温阑的温度为20℃，球面温阑的发射率为0.01，当温阑发生0.5℃的温度变化时，温阑引入的NETD达到3.6 mK，虽然引入的NETD很小，但也接近目前探测器本身的NETD。而采用可变冷光阑探测器的方法，引入的NETD可进一步降低。可变冷光阑红外探测器的研究进展国外研究进展：美国弹道导弹防御局（BMDO）在2000年为高空观测系统（HALO）进行更新时设计了一个双波段红外分光系统。如图5所示，该系统在中波和长波的焦平面前端分别设置滤光片转盘，每个转盘上可放置5片不同带通的滤光片以及一片用于背景测试的空白片。美国OKSI公司的Nahum Gat等人先后开发了两套中继光学系统，如图6所示。2013年Nahum Gat等人提出了与杜瓦集成封装的内置式可变冷光阑结构，该结构相较于外置可变冷光阑结构来说结构紧凑，如图7所示。2014年，雷神公司的Jeffrey和Eric等人在Nahum Gat的基础上改进了刀片虹膜式的可变冷光阑结构，其结构示意图如图8所示。雷神公司的第三代前视红外系统是可变冷光阑探测器技术的集大成者。其冷光阑结构如图9所示。此外，雷神公司将中长双波段探测器芯片、双F数可变冷光阑、制冷机、制冷机驱动电路、成像控制电路、冷光阑控制电路等均集成为一个前视红外系统，该系统的体积和重量相对于第二代长波标准先进杜瓦组件（SADA Ⅱ）来说反而更小。包含中长双波段探测器芯片、双F数可变冷光阑、制冷机、成像控制电路、冷光控制电路等均在内的第三代前视红外系统的组成以及实物如图10所示。图5 HALO的双色红外系统图6 带可变冷光阑的真空密封结构和外置可变光阑与滤光片转盘的集成结构图7 刀片虹膜式可变冷光阑图8 双稳态螺线管驱动的可变冷光阑示意图图9 雷神公司可变冷光阑杜瓦俯视图图10 第三代前视红外系统的主要组成部件及系统的实物图国内研究进展：国内对基于可变冷光阑的变F数红外探测器研究较少。上海技物所于2001年发明了一种带可变冷光阑功能的用于红外探测器芯片中测的杜瓦（如图11所示），上海技物所的可变冷光阑结构用于芯片的中测筛选，对结构的小型化以及制冷时间、制冷量的要求不高，因此不适合正式的红外探测器。2014年长春光机所发明了一种与滤光片转盘相似的可变光阑机构（如图12所示）。在光学系统设计方面，613所于2017年设计了可以匹配不同F数探测器的中波大视场光学系统；中电科11所于2022年设计了F/2和F/4可调的变F数光学系统。图11 用于中测杜瓦的可变冷光阑图12 可变式的固定光阑目前国内对于可变冷光阑红外探测器的研究较少，相关产品不够成熟；国外也只有美国雷神公司对该技术进行深入研究，目前产品已进行小批量试制。通过对国内外研究现状的对比，可以发现雷神公司采用的与杜瓦集成封装的内置式可变冷光阑是实现变F数红外探测器的可行的技术路线。该技术路线有如下几点优势：1）集成度高：针对640×480（20 μm）的芯片封装，雷神公司的探测器体积和重量甚至还略小于SADA II探测器；2）可靠性高：可变冷光阑在制冷状态下可进行1万次的开合运动，在非制冷状态下可进行10万次的开合运动；3）功耗低：由于可变冷光阑机构与杜瓦进行集成封装，无需单独为其再配备制冷机，因此功耗不大于75 W，且常温降温时间小于10 min；4）响应时间快：虽然雷神的报道中没有明确说明F数的切换时间，但是根据其使用的压电电机的特性，F数的切换时间可满足光学系统视场切换时间的要求。可变冷光阑红外探测器的关键技术采用刀片虹膜式的可变冷光阑结构，并将其与杜瓦进行集成封装，存在以下关键技术：1）可变冷光阑杜瓦的整体设计技术可变冷光阑杜瓦与传统的固定光阑杜瓦在设计上有很大的不同，需从整体设计上来保证功能的实现。主要需考虑整体结构设计、光阑片的设计、驱动方式的选择、结构的温度控制、整体装配集成、小型化以及可靠性等多方面的技术。2）可变冷光阑精密装配技术可变冷光阑涉及到光阑片的精密装调、驱动电机的隔热装配以及整体结构的精密封装等装配步骤，由于其结构比传统冷屏结构复杂得多，且存在运动部件，其装配更加困难。而光阑片的装配精度关系到运动机构的长期可靠性以及运动过程中的摩擦力，同时影响驱动功率的大小；而驱动电机的装配精度关系到光阑片的受力均匀性以及温控效果；整体结构的装配精度关系到成像的质量。因此需从设计和工艺等多方面进行综合考虑，保证其装配精度及长期可靠性。3）微型电机设计和制造技术对于可变冷光阑来说，压电陶瓷电机是一种比较适合的驱动方式。压电陶瓷电机单位体积下的力矩较大，没有电磁干扰，具有断电自锁功能。一方面，为了缩小可变冷光阑红外探测器的体积，压电陶瓷电机的体积必须很小，另一方面，光阑片的运动阻力要求压电电机的力矩不能过小。因此需通过电机结构设计优化、高性能压电陶瓷的制造、电机制造工艺的改进等多个方面实现小型化大力矩电机的研制，将杜瓦的体积控制在可接受的范围内。4）杜瓦热固耦合设计技术可变冷光阑由于引入了复杂的运动机构，冷头热质量大幅增加，因此，需从结构设计以及材料选择等多方面进行研究和考虑，减小杜瓦热质量，解决快速制冷的问题。此外，可变冷光阑通过电机与杜瓦外壳热连接，需通过结构设计减小杜瓦的漏热。最后，光阑片之间通过叠加的方式互相贴合，热阻很大，需减小光阑片之间以及光阑片与冷屏之间的热阻，从而使光阑片温度降低至不影响焦平面成像的水平。5）可变冷光阑运动控制技术探测器的F数由冷光阑的开口尺寸决定，因此需精确控制冷光阑的运动，从而精确控制探测器的F数。压电陶瓷电机具有断电自锁的功能，即电机断电后可变冷光阑将立即停止运动，停在断电瞬间的位置，因此在控制方面只需要考虑可变冷光阑运动的反馈问题即可，这关键在于选择合适的小型化位置传感器，并结合可变冷光阑的结构设计，将传感器安装固定在合适的位置。6）光阑片表面镀膜技术光阑片表面需进行镀膜处理，膜层需满足摩擦系数小、耐磨以及反射率低3个条件。摩擦系数小可以减小光阑片之间的摩擦力，减小压电电机的力矩需求，有利于电机的小型化；耐磨性高则有利于可变冷光阑机构的可靠性，防止出现膜层脱落干扰成像的现象；反射率低则可以防止芯片的冷反射。结论这项研究从变焦和变F数的关系出发，阐述了变F数光学系统的优势。与传统的变焦光学系统相比，具有可变F数功能的变焦光学系统可兼顾系统的空间分辨率和灵敏度需求，提高系统的孔径利用率，有利于成像质量的提升和系统的小型化。对可变冷光阑的研究进展进行了分析，发现雷神公司的内置刀片虹膜式可变冷光阑是可行性高、性能优异的技术路线，并对该技术路线的关键技术进行了详细分析。对可变冷光阑红外探测器的研究和应用提供了参考。论文信息：http://hwjs.nvir.cn/cn/article/id/7222d189-ab24-490d-9bd9-98f665c31ed1

01 研究背景随着红外成像技术的不断发展，市场对红外探测器的灵敏度、红外成像的清晰度要求越来越高。由于氧化钒（VOx）探测器的灵敏度要高于非晶硅，目前已成为非制冷探测器领域的主流路线，氧化钒探测器占据非制冷探测器的比例近七成，部分氧化钒探测器甚至表现出了接近制冷型红外探测器的优异性能。缺点是它不兼容标准的 CMOS 工艺生产线，需要有单独的CMOS工艺生产线。国内外多数企业选择氧化钒技术路线。相比于非晶硅和氧化钒等热红外探测器，工作于短波红外波段的探测器具有极强的天气适应性，穿透雾、霾、烟尘的能力更强，识别度更高，目标细节表达更清晰，有效探测距离更长。同时，短波红外成像技术具有在湿热天气下仍表现良好等优势。常见的铟镓砷（InGaAs）、硫化铅（PbS）和碲镉汞（MCT）等短波红外材料存在有毒（砷化物摄入过量会导致中毒，引起贫血、肠胃炎、肺炎肝炎等疾病；铅中毒会严重影响人体的神经系统、心血管系统、骨骼系统、生殖系统和免疫系统等；汞中毒会导致人体肾脏损害、皮肤损害、神经系统障碍、肌肉震颤、肝肾功能不全等）、大面积污染环境、不兼容标准的CMOS制造工艺、良率低、无法大规模量产、不宜进入消费电子领域等劣势，限制了短波红外成像技术的应用场景。在此背景下，研究院首席科学家、光电集成电路研发中心主任Henry教授长期致力于无毒且环保、大面积均匀性良好、高度兼容CMOS工艺生产线、可大批量生产的红外成像技术，相关技术有望逐渐取代现有红外成像技术的军用市场，并将创造红外成像技术在民用领域的新市场（特别是短波红外成像技术），比如汽车辅助驾驶系统、工业检测、医疗诊断、消费电子、智能安防、森林防火和商业航天等应用，对促进国民经济健康发展具有重大的科学价值和现实意义。02 研究进展近期，Henry教授团队在大尺寸硅衬底上异质外延了高质量的SiGe/Si和GeSi/Ge多量子阱传感材料，并采用标准的CMOS制造工艺制备了PIP和PIN两种结构的量子阱红外探测器。结果表明SiGe/Si和GeSi/Ge多量子阱传感材料在长波红外波段展现出了优异的电阻温度系数（如图1所示），超过了商用的氧化钒（VOx）和非晶硅（a-Si）长波红外探测器。同时，GeSi/Ge多量子阱探测器在短波红外波段的光电响应优于Ge半导体材料，它是非常重要的短波红外光电传感材料。相关结果分别以“A SiGe/Si Nanostructure with Graphene Absorbent for Long Wavelength Infrared Detection”和“High-performance GeSi/Ge multi-quantum wells photodetector on a Ge-buffered Si substrate”为题目发表于国际知名期刊ACS Applied Nano Materials和Optics Letters，两篇论文的第一作者均为Henry教授指导的联合培养博士生王贺，两篇论文的共同通讯作者均为研究院赵雪薇博士、中国科学技术大学胡芹研究员和研究院Henry教授。其中，硅基异质材料外延、探测器设计与制造、实验和表征分析方面均是在Henry教授及其团队成员的通力合作下完成。图1 不同温度下GeSi/Ge MQW探测器（直径为10 μm）：（a）电流-电压特性曲线（b）TCR曲线此外，Henry教授团队创新性的在大尺寸的绝缘体上锗（GOI）晶圆上制备了谐振腔增强型GOI短波红外光电探测器，证明了谐振腔结构有效的提升了GOI短波红外光电探测器在1550nm波段的光电响应，可与商用的InGaAs短波红外光电探测器相媲美，被认为是颠覆InGaAs短波红外成像技术的重要技术方案（如图2所示）。相关结果以“High-Performance Ge PIN Photodiodes on a 200 mm Insulator with a Resonant Cavity Structure and Monolayer Graphene Absorber for SWIR Detection”为题目发表于国际知名期刊ACS Applied Nano Materials，论文的第一作者为Henry教授指导的博士生余嘉晗，共同通讯作者为研究院赵雪薇博士、研究院苗渊浩副研究员和研究院Henry教授。图2 谐振腔增强型GOI短波红外光电探测器的光响应谱（器件直径为100 μm）综上，Henry教授团队近期开发了多类型兼容CMOS工艺的红外探测器，系统地研究了SiGe/Si多量子阱材料、GeSi/Ge多量子阱材料和GOI谐振腔结构对红外探测器的作用机理，红外探测器的响应度、暗电流、电阻温度系数及量子效率等关键性能指标均处于国际领先水平。此前，Henry教授团队在人民日报展示了应变GOI短波红外成像芯片的高清晰成像效果，实现了廉价且高性能的短波红外成像技术的范式创新，突破了现有技术在民用消费领域的新市场，具有非常重要战略意义与现实价值。迄今为止，Henry教授团队围绕红外成像晶圆、红外探测器结构与制造工艺、红外成像芯片以及芯片集成方法等方面进行了全方位的专利布局，旨在形成完善的专利池。03 Henry H. Radamson院士简介Henry教授，“中国政府友谊奖”获得者，“广东省友谊奖”获得者，欧洲科学院院士，国际知名的纳米光子学、电子学和半导体光电材料研究领域专家，欧洲材料研究协会（E-MRS）执行主席，Springer-Nature期刊编辑，Fundamental Research期刊编委，在国际会议和重要学术期刊上发表了250余篇高水平论文。2023年，Henry教授撰写了名为《Analytical methods and instruments for micro-and nanomaterials》的英文书籍（研究院为第一单位），这本书详细介绍了用于表征纳米结构材料的分析仪器，提供了评估材料质量、缺陷、表面和界面状态、元素分布、应变、晶格畸变以及电光特性的方法。广东省人民政府给Henry教授颁发了2022年度“广东省友谊奖”，感谢Henry教授对促进广东省经济社会发展和对外交流合作做出的重要贡献。Henry教授经广东省人民政府推荐，荣获2023年度中国政府友谊奖，国务院总理李强于2024年2月4日下午在人民大会堂亲切会见了在华工作的外国专家代表，Henry教授作为获奖者受邀参加了座谈。

由23个国家150多个研究团队组成的国际联盟 Graphene Flagship 运用纳米材料石墨烯研发出一款高精度的新型红外探测器。据团队介绍，这种新型探测仪可检测出纳瓦级的热辐射变化——相当于手轻轻摆动时释放出的能量的千分之一。　　石墨烯的优点是在高性能红外成像和光谱学中的开放性可能性。来自剑桥大学(英国)，恩伯顿有限公司(英国)，光子科学学院(ICFO 西班牙)，诺基亚和约阿尼纳大学(希腊)工作的Graphene Flagship的研究人员开发了一种基于石墨烯的，通过红外辐射检测，对于温度的微小变化的测量，具有极高精确性的热释电热辐射测量仪。　　在《自然通讯》上发表的工作证明了基于石墨烯的非冷却热检测器的最高报告的温度敏感性，能够将温度变化分解为几十μ K。仅需要几纳米的IR辐射功率来在隔离器件中产生这样小的温度变化，比通过紧密靠近的人手递送到检测器的IR功率小大约1000倍。石墨烯红外探测器，可检测出极微小的热辐射变化　　检测器的高灵敏度对于超过热成像的光谱应用是非常有用的。使用高性能的基于石墨烯的IR检测器，可以提供较少的入射辐射的强信号，可以隔离IR光谱的不同部分。这在安全应用中是至关重要的，其中不同的材料(例如爆炸物)可以通过它们的特征IR吸收或透射光谱来区分。　　恩伯顿首席工程师和研究的联合负责人Alan Colli博士说：“使用更高灵敏度的检测器，可以限制大的热带，并且仍然使用在非常窄的光谱范围内的光子形成图像，并且做多光谱红外成像对于安全检查，有特定的签名，材料在窄带中发射或吸收，因此，需要一个在窄带中训练的检测器，这在寻找爆炸物，有害物质或任何分类。”　　典型的IR光电探测器通过热电效应或作为测量由于加热引起的电阻变化的测辐射热计进行操作。基于石墨烯的热释电测辐射热计将这两种方法与石墨烯的优异电性能相结合，以获得最佳性能。石墨烯作为信号的内置放大器，消除了对外部晶体管的需要，意味着没有寄生电容的损失和显着低的噪声。　　石墨烯的高电导率还提供与用于与检测器像素和记录装置接口的外部读出集成电路(ROIC)的方便的阻抗匹配。随着石墨烯质量的持续改进(例如，更高的迁移率)，可以制造具有扩展的动态范围(器件将可靠地工作的温度范围)的稳健器件，同时保持相同的优异的温度响应性。　　剑桥石墨烯中心主任Andrea Ferrari教授说，“这项工作是石墨烯在应用路线图上稳步前进的另一个例子，恩伯顿是一家新公司，专门生产石墨烯光子学和电子学红外光电探测器和热传感器，这项工作例证了基础科学技术如何可以导致迅速的商业化。”Andrea Ferrari是Graphene Flagship的科学技术官员，也是Graphene Flagship管理小组的主席。　　该项目的合作者FrankKoppens教授是 ICFO的量子纳米光电子技术的领导者，并领导Graphene Flagship的光子和光电子工作包。“石墨烯最有前途的应用之一是宽带光电探测和成像，在任何其他现有技术的基础上，在一个材料系统中结合可见光和红外探测是不可能的，Graphene Flagship计划将进一步发展高光谱成像系统，开发石墨烯独特的方向，”他说。　　DanielNeumaier博士(德国AMO)是Graphene Flagship电子和光子学集成部门的领导者，并没有直接参与这项工作。他说：“在过去几年里，红外探测器的市场规模急剧增加，这些设备正在越来越多的应用领域，特别是光谱安全检查变得越来越重要，这需要在室温下的高灵敏度。目前的工作是在满足石墨烯红外探测器的这些要求方面迈出的巨大一步。”相关工作全文发表在Nat. Commun.2017.(DOI: 10.1038/ncomms14311 )上。

短波红外和中波红外波段是两个重要的大气窗口。在该波段范围内，碲化汞胶体量子点表现出良好的光响应。此外，胶体量子点具有易于液相加工制备以及与硅基工艺兼容等优势，因此有望显著降低红外光电探测器的成本。然而，目前胶体量子点红外光电探测器在比探测率、响应度等核心性能方面与传统块体半导体红外探测器相比仍存在一定差距。有效地调控掺杂和迁移率等输运性质是提升量子点红外光电探测器性能的关键。据麦姆斯咨询报道，近期，北京理工大学光电学院和北京理工大学长三角研究院的科研团队在《光学学报》期刊上发表了以“高载流子迁移率胶体量子点红外探测器”为主题的文章。该文章第一作者为薛晓梦，通讯作者为陈梦璐和郝群。在本项工作中，采用混相配体交换的方法将载流子迁移率提升，并且实现了N型、本征型、P型等多种掺杂类型的调控。在此基础之上，进一步研究了输运性质对探测器性能的影响。与光导型探测器相比，光伏型探测器不需要额外施加偏置电压，没有散粒噪声，拥有更高的理论灵敏度，因此是本项工作的研究重点。同时，使用高载流子迁移率的本征型碲化汞量子点薄膜制备了短波及中波红外光伏型光电探测器。实验过程材料的合成：Te前驱体的制备在氮气环境下，称量1.276 g（1 mmol）碲颗粒置于玻璃瓶中，并加入10 ml的三正辛基膦（TOP）中，均匀搅拌至溶解，得到透明浅黄色的溶液，即为TOP Te溶液。碲化汞胶体量子点的合成在氮气环境下，称量0.1088 g（0.4 mmol，氮气环境下储存）氯化汞粉末置于玻璃瓶中，并加入16 ml油胺（OAM），均匀搅拌并加热至氯化汞粉末全部溶解。本工作中合成短波红外和中波红外碲化汞胶体量子点的反应温度分别为65℃和95℃。使用移液枪取0.4 mL的TOP Te溶液，快速注入到溶于油胺的氯化汞溶液中，反应时间分别为4 min和6 min。反应结束后加入20 ml无水四氯乙烯（TCE）作为淬火溶液。碲化银纳米晶体颗粒的合成在氮气环境下，称量0.068 g（0.4 mmol）硝酸，并加入1 mL油酸（OA）和10 mL油胺（OAM）中，均匀搅拌30 min。溶解后，注入1 mL TOP，快速加热至160℃并持续30-45 min。然后向反应溶液中注入0.2 mL TOP Te（0.2 mmol），反应时间为10 min。碲化汞胶体量子点的混相配体交换混相配体交换过程包括液相配体交换和固相配体交换。选择溴化双十二烷基二甲基铵（DDAB）作为催化剂，将碲化汞胶体量子点溶在正己烷中，取4 ml混合溶液与160 μL β-巯基乙醇（β-ME）和8 mg DDAB在N,N-二甲基甲酰胺（DMF）中混合。之后向溶液中加入异丙醇（IPA）进行离心，倒掉上清液，将沉淀物重新溶解在60μL DMF中。固相配体交换是在制备量子点薄膜后，用1,2-乙二硫醇（EDT）、盐酸（HCL）和IPA（体积比为1:1:20）溶液对已成膜的碲化汞胶体量子点表面进行处理。碲化汞胶体量子点的掺杂调控在调控碲化汞胶体量子点的掺杂方面，Hg²⁺可以通过表面偶极子稳定量子点中的电子，所以选择汞盐（HgCl₂）来调控量子点的掺杂状态。在液相配体交换结束后，向溶于DMF的碲化汞胶体量子点溶液中加入10 mg HgCl₂得到本征型碲化汞胶体量子点，加入20 mg HgCl₂得到N型碲化汞胶体量子点。材料表征采用混相配体交换的方法不仅可以提高载流子迁移率还可以通过表面偶极子调控碲化汞胶体量子点的掺杂密度。液相配体交换前后中波红外碲化汞胶体量子点的TEM图像如图1（a）所示，可以看到，进行液相配体交换后的碲化汞胶体量子点之间的间距明显减小，排列更加紧密。致密的排列可以提高碲化汞胶体量子点对光的吸收率。混相配体交换后的短波红外和中波红外碲化汞胶体量子点的吸收光谱如图1（b）所示，从图1（b）可以看出，短波红外和中波红外碲化汞胶体量子点的吸收峰分别为5250 cm⁻¹和2700 cm⁻¹。利用场效应晶体管（FET）对碲化汞胶体量子点的迁移率和薄膜的掺杂状态进行测量，把碲化汞胶体量子点沉积在表面有一层薄的SiO₂作为绝缘层的Si基底上，基底两侧的金电极分别作为漏极和源极，Si作为栅极，器件结构如图1（c）所示。通过控制栅极的极性和电压大小，可以使场效应晶体管分别处于截止或导通状态。图1（d）是N型、本征型和P型中波红外碲化汞胶体量子点的场效应晶体管转移曲线。利用FET传输曲线的斜率计算了载流子的迁移率μFET。图1 （a）混相配体交换前后碲化汞胶体量子点的透射电镜图；（b）短波红外和中波红外碲化汞胶体量子点的吸收光谱；（c）碲化汞胶体量子点薄膜场效应晶体管测量原理图；（d）在300K时N型、本征型和P型中波红外碲化汞胶体量子点的场效应晶体管转移曲线测试结果。分析与讨论碲化汞胶体量子点光电探测器的制备光伏型探测器不需要施加额外的偏置电压，没有散粒噪声，理论上会具有更好的性能，借鉴之前文献中的报告，器件结构设计为Al₂O₃/ITO/HgTe/Ag₂Te/Au，制备方法如下：第一步，在蓝宝石基底上磁控溅射沉积50 nm ITO，ITO的功函数在4.5~4.7 eV之间。第二步，制备约470 nm的本征型碲化汞胶体量子点薄膜。第三步，取50 μL碲化银纳米晶体溶液以3000 r/min转速旋转30 s，然后用HgCl₂/MEOH（10 mmol/L）溶液静置10 s后以3000 r/min转速旋转30 s，重复上述步骤两次。在这里，Ag⁺作为P型掺杂层，与本征型碲化汞胶体量子点层形成P-I异质结。最后，将器件移至蒸发镀膜机中，在真空环境（5×10⁻⁴ Pa）下蒸镀50 nm Au作为顶层的电极。高迁移率光伏型探测器的结构图和横截面扫描电镜图如图2（a）所示。能级图如图2（b）所示。制备好的探测器的面积为0.2 mm × 0.2 mm。图2 （a）高迁移率碲化汞胶体量子点P-I异质结结构示意图及扫描电镜截面图 （b）碲化汞胶体量子点P-I异质结能带图。器件性能表征为了探究高载流子迁移率短波红外和中波红外光伏型探测器的光电特性，我们测试了器件的I-V曲线以及响应光谱。图3（a）和（b）分别是高迁移率短波红外和中波红外器件的I-V特性曲线，可以看到短波红外和中波红外探测器的开路电压分别为140 mV和80 mV，这表明PI结中形成了较强的内建电场。此外，在零偏置下，高迁移率短波红外和中波红外器件的光电流分别为0.27 μA和5.5 μA。图3（d）和（e）分别为1.9 μm（300 K） ~ 2.03 μm（80 K）的短波红外器件的响应光谱和3.5 μm（300 K） ~ 4.2 μm（80 K）的中波红外器件的响应光谱。比探测率D*和响应度R是表征光电探测器性能的重要参数。R是探测器的响应度，用来描述器件光电转换能力的物理量，即输出信号光电流与输入光信号功率之比。图3 （a）300 K时短波红外I-V曲线；（b）80 K时中波红外I-V曲线；（c）短波红外及中波红外器件的比探测率随温度的变化；（d）短波红外器件在80 K和300 K时的光谱响应；（e）中波红外器件在80 K和300 K时的光谱响应；（f）短波红外和中波红外器件的响应度随温度的变化。图3（e）和（f）给出了探测器的比探测率D*和响应度R随温度的变化。可以看到，短波红外器件在所有被测温度下，D*都可以达到1×10¹¹ Jones以上，中波红外器件在110 K下的D*达到了1.2×10¹¹ Jones。应用此外，本工作验证高载流子迁移率的短波红外和中波红外量子点光电探测器在实际应用，如光谱仪和红外相机。光谱仪实验装置示意图如图4（a）所示，其内部主要是一个迈克尔逊干涉仪。图4（b）和（c）为使用短波红外和中波红外量子点器件探测时有样品和没有样品的光谱响应结果。图4（e）和图4（f）为样品在短波红外和中波红外波段的透过率曲线。对于短波红外波段，选择了CBZ、DDT、BA和TCE这四种样品，它们在可见光下都是透明的，肉眼无法进行区分，但在短波红外的光谱响应和透过率不同。对于中波红外波段，选择了PP和PVC这两个样品。在可见光下它们都是白色的塑料，但在中波红外光谱响应和透过率不同。图4（d）为自制短波红外和中波红外单点相机的扫描成像。，短波相机成像可以给出材质信息。中波红外相机成像则是反应热信息。以烙铁的中波红外成像为例，我们可以清楚地了解烙铁内部的温度分布。在可见光下，硅片呈现不透明的状态使用自制的短波红外相机成像后硅片呈现半透明的状态。图4 （a）利用高载流子迁移率探测器进行响应光谱测量的原理示意图；（b）和（c）分别是在有样品和没有样品两种模式下用自制探测器所探测到的光谱响应；（d）自制短波红外和中波红外光电探测器的单像素扫描成像结果图；（e）TCE、BA、DDT和CBZ在短波红外模式下的透光率，插图为四种样品的可见光图像；（f）PVC和PP在中波红外模式下的透光率，插图为两种样品的可见光图像。结论综上所述，采用混相配体交换的方法，将量子点薄膜中的载流子迁移率提升到了1 cm²/Vs，相较于之前的研究提升了2个量级。并且通过加入汞盐实现了对量子点薄膜的掺杂调控，分别实现了P型、本征型以及N型多种类型的量子点薄膜。同时，基于本征型高迁移率量子点制备了短波红外和中波红外波段的光伏型光电探测器。测试结果表明，提升量子点的输运性质，有效的提升了探测器的响应率、比探测率等核心性能，并且实现了光谱仪和红外相机等应用。本项工作促进了低成本、高性能量子点红外光电探测器的发展。这项研究获得国家自然科学基金（NSFC No.U22A2081、No.62105022）、中国科学技术协会青年托举工程（No.YESS20210142）和北京市科技新星计划（No.Z211100002121069）的资助和支持。论文链接：https://link.cnki.net/urlid/31. 1 252.o4.20230925.0923.016

近日，中国科学院上海技术物理研究所胡伟达、苗金水团队与北京大学彭海琳团队合作，提出将动量匹配和能带匹配（能动量匹配）的范德华异质结应用于红外探测，结果表明该器件设计可显著提高二维材料红外探测器量子效率，为研制高量子效率红外探测器提供了新方法。相关研究成果以Momentum-matching and band-alignment van der Waals heterostructures for high-efficiency infrared photodetection为题，发表在《科学进展》（Science Advances）上。窄禁带二维半导体具有层间范德华力任意堆叠成异质结构、无表面悬挂键、暗电流极易被外场操控等优点，为研制室温、高灵敏红外探测器提供了新机遇。然而，二维半导体原子级薄层特性限制了其高量子效率红外探测器的应用。本研究创新性地将新型能动量匹配范德华异质结应用于红外探测器技术。研究显示，二维半导体Black phosphorus（BP）的价带顶和Bi2O2Se的导带底位于布里渊区的Γ点（图1a），光生载流子在界面处能直接跃迁到BP和Bi2O2Se的导带，提高了光生载流子的跃迁几率和产生率。BP和Bi2O2Se形成了完美的Ⅱ类能带结构（图1b），进而提高了光生载流子的收集效率。本研究制备的能动量匹配BP/Bi2O2Se异质结红外探测器实现了与传统材料红外探测器相比拟的量子效率，在1.3 μm时量子效率达到84%，在2 μm时量子效率达到76.5%（图1c）。此外，该BP/Bi2O2Se异质结红外探测器实现了较高的偏振特性，在短波红外波段偏振比达到17（图1d）。研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、中科院、上海市自然科学基金的支持。动量匹配与能带匹配的范德华红外探测器：a、动量匹配的BP/Bi2O2Se异质结能谷结构示意图；b、能带匹配的BP/Bi2O2Se异质结能带结构示意图；c、能动量匹配的BP/Bi2O2Se异质结红外探测器的量子效率；d、能动量匹配的BP/Bi2O2Se异质结红外探测器的偏振特性。

北京理工大学郝群教授团队在室温运行中波红外探测器研究方面取得突破性的进展，相关论文于2023年1月发表于光学顶刊Light：Science & Applications，获得封面论文。近日该论文入选ESI高被引。 中红外波段是重要的大气窗口，相比可见光波段提供额外的热信息，在医学检测、气象遥感、航天探测等方面均具有重要价值。然而，该波段却不能被人眼直接感知。红外光电探测器运用光电技术，突破人类视觉障碍，以被动的方式探测物体所发出的红外辐射。目前，中红外光电探测器主要基于外延生长材料，与读出电路耦合的倒装键合工艺复杂，，并且其高性能需要斯特拉制冷机等设备制冷，无法满足轻量化、低成本需求。胶体量子点作为新兴红外材料，化学热注射法大规模合成易，“墨水式”液相加工可以与读出电路直接耦合，并且其“量子限域”效应在三维尺度限制了热激发载流子的产生，有望实现非制冷、低成本、高性能的中波红外探测器。然而，目前胶体量子点并且异质结设计导致的界面传输和能带不匹配，使探测器依然必须在液氮（80K）温度下才能达到背景限，理论预测的室温运行依然遥远。量子点表面偶极子调控过程郝群教授团队创新性的提出量子点表面偶极子掺杂方法，开发混相配体交换技术，首次在红外量子点领域提出并制备了“强P-弱P-本征-弱N-强N”梯度堆叠同质结器件。该新型器件：1. 工作温度优。通过大幅优化内建电场，使量子点中波红外探测器的“背景限”工作温度提升了百开尔文，成功实现了室温运行。2. 制备成本低。该红外材料化学合成、液相涂敷硅基耦合、无需斯特林制冷，从材料、工艺、工作机理等各个层面降低成本至传统红外探测器的十分之一。3. 探测性能高。梯度同质结器件结构，避免了界面输运不匹配导致的光生载流子损耗，优化了光生载流子的传输与收集过程。量子点梯度同质结器件与能带示意图该工作极大提升了探测器的工作温度，中波4-5微米探测器在200 K下，比探测高于1011 Jones，性能达到背景限制；280 K下，仍能保持1010比探测率。 梯度同质结量子点探测器的外量子效率相比常规量子点探测器提升近1个量级，达到77%。本工作同时验证了探测器的热成像及气体检测等实际应用功能。该论文的第一作者为北京理工大学博士生薛晓梦、陈梦璐准聘教授，通讯作者为北京理工大学陈梦璐准聘教授、唐鑫教授及郝群教授。原文链接：https://www.nature.com/articles/s413 7 7-022-01014-0 附作者简介：郝群，北京理工大学特聘教授。国家级高层次人才，高校创新引智基地负责人，科技部重点领域创新团队负责人，教育部跨世纪优秀人才，北京市教学名师，全国“巾帼建功”标兵。长期在新型光电成像传感技术和光电精密测试技术领域从事教学和科研工作，主要研究方向包括新型光电成像技术、仿生光电感测技术、抗振干涉测量技术及仪器等方面。主持国家自然科学基金仪器专项/重点项目、科技部重点研发计划等。担任中国光学学会常务理事、光电专业委员会主任委员，中国仪器仪表学会常务理事、光机电技术与系统集成分会常务副理事长，中国计量测试学会常务理事，中国兵工学会理事、光学专业委员会主任委员，中国光学光电子协会理事、红外分会副理事长等社会兼职。担任《Defense Technology》杂志副主编。