紅外線是波長介于微波與可見光之間的電磁波，波長在0.75～1000μm之間，其在軍事、通訊、探測、醫(yī)療等方面有廣泛的應(yīng)用。目前對紅外線的分類還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，各個專業(yè)根據(jù)應(yīng)用的需要，有著自己的一套分類體系。一般使用者對紅外線的分類為（1）近紅外(NIR, IR-A DIN)：波長在0.75～1.4μm；（2）短波紅外(SWIR, IR-B DIN)：波長在1.4～3μm；（3）中波紅外(MWIR, IR-C DIN)：波長在3～8μm；（4）長波紅外(LWIR, IR-C DIN)：波長在8～15μm；（5）遠(yuǎn)紅外(FIR)：波長在15～1000μm。

根據(jù)Maxwell電磁方程，紅外線在空氣等物質(zhì)內(nèi)部和界面?zhèn)鞑l(fā)生吸收、反射和透射等，其中吸收是影響傳播的主要因素?？諝庵械囊恍怏w分子如CO2、H2O等有著與其物質(zhì)分子結(jié)構(gòu)相對應(yīng)的特征吸收譜線，對某些波長的紅外線產(chǎn)生強(qiáng)烈地吸收，而對另外一些紅外線則不產(chǎn)生吸收，從而表現(xiàn)出很高的透射率。大氣中對紅外輻射吸收比較少的波段稱為“大氣窗口”，主要包括三個：1～3μm，3～5μm，8～14μm。

紅外探測器

從1800年英國W. Herschel發(fā)現(xiàn)紅外線到現(xiàn)在已有二百多年歷史。人們通過不斷地技術(shù)開發(fā)和創(chuàng)新，使紅外應(yīng)用從軍事國防迅速朝著資源勘探、氣象預(yù)報、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)學(xué)診治、海洋研究等關(guān)系到國計民生的各個領(lǐng)域擴(kuò)展。在這些應(yīng)用中紅外探測又顯得特別重要，因為要更好地研究紅外線必須先對其進(jìn)行探測。理論上任何形態(tài)的物質(zhì)只要在紅外輻射作用下發(fā)生某種性質(zhì)或物理量的變化，都可以被用來進(jìn)行紅外探測。

目前來說按照工作機(jī)理不同, 紅外探測器常被分為熱探測器和光子型探測器。熱探測器利用紅外光的熱效應(yīng)及材料對溫度的敏感性來測量紅外輻射，其原理是熱敏材料吸收紅外光后溫度升高，利用材料的溫度敏感特性將溫度的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?。目前主要利用溫差電效?yīng)、熱釋電效應(yīng)、金屬、氣體等熱脹冷縮現(xiàn)象、超導(dǎo)體在Tc附近升高溫度電阻急劇變化等等。熱探測的響應(yīng)速度較慢，但其波長響應(yīng)范圍寬。光子型探測器是利用光電效應(yīng)原理設(shè)計和制作的，光電效應(yīng)可分為光電子發(fā)射效應(yīng)、光電導(dǎo)效應(yīng)、光生伏應(yīng)和光磁電效應(yīng)。光電子發(fā)射效應(yīng)是指在光輻射作用下產(chǎn)生的光電子逸出被照射材料的表面，稱為外光電效應(yīng)，多發(fā)生在金屬材料中。光電導(dǎo)效應(yīng)，光生伏應(yīng)和光電磁效應(yīng)是在材料內(nèi)部產(chǎn)生的，電子并不逸出材料的表面，也稱為內(nèi)光電效應(yīng)。半導(dǎo)體材料具有明顯的光電效應(yīng)，因此大多數(shù)的紅外探測器都采用了半導(dǎo)體材料制作，其中基于內(nèi)光電效應(yīng)，特別是光生伏應(yīng)的半導(dǎo)體紅外探測器特別普遍。光生伏特探測器件中包含一個PN結(jié)（包括PN同質(zhì)結(jié)型，異質(zhì)結(jié)型，肖特基型等），在無光照的情況下，結(jié)內(nèi)存在著自建電場，當(dāng)紅外光照到PN結(jié)上或附近時，產(chǎn)生的光生載流子在結(jié)電場的作用下分別向兩邊移動，從而在PN結(jié)兩端形成光生電動勢。常見的一些光伏型探測器包括光電池，光電二極管，光電三極管，雪崩探測器，MSM探測器等。

當(dāng)全面考察半導(dǎo)體紅外探測器件發(fā)展時，可以看到其表現(xiàn)出從單元到多元、從單色到多色、從線列到面陣的明顯趨勢。目前應(yīng)用在軍事和民用上的多元探測器陣列有兩種顯著的系統(tǒng)：掃描系統(tǒng)(scanning systems)和凝視系統(tǒng)(staring systems)。其區(qū)別在于掃描系統(tǒng)采用時間延遲積分(TDI)技術(shù)，通過串行方式對電信號進(jìn)行讀取；而凝視型系統(tǒng)則直接形成一張二維圖像，采用并行方式對電信號進(jìn)行讀取。凝視型成像速度比掃描型成像速度快，但是成本高，電路也復(fù)雜。這些改進(jìn)提高了輸出信噪比，展寬了探測功能并簡化了成像系統(tǒng)。初人們只能以單個探測單元通過光機(jī)掃描的方式實現(xiàn)圖像探測，即代紅外系統(tǒng)；后來出現(xiàn)了探測像元數(shù)目在104以上，且自帶有信號讀出電路的二維M×N元焦平面陣列(FPA)探測器，即第二代紅外系統(tǒng)；現(xiàn)今集成了探測器后續(xù)信號處理電路，包括信號讀出電路、前放、模數(shù)轉(zhuǎn)換器等第三代大陣列焦平面已開始應(yīng)用到軍事和民用領(lǐng)域。

目前紅外光電探測器發(fā)展速度迅猛，種類繁多，已經(jīng)覆蓋到從近紅外到長波紅外大部分波段。在三個主要的“大氣窗口”中，1～3μm短波紅外波段是重要的一個波段，其廣泛存在于自然界中，主要來源有自然環(huán)境反射、高溫物體主動輻射、人造短波紅外光源等。除可見光外夜光的大部分能量都集中在短波紅外波段，因此可以利用自然反射的短波紅外光進(jìn)行短波紅外成像。另外在該波段中，很多物質(zhì)具有*的光譜特性，如巖石、礦物中含有的氫氧根，農(nóng)作物中的水，空氣中的CO2、H2S、NH3、N2O等。因此短波紅外探測在如了解資源分布、土壤水分檢測、大氣成分分析、農(nóng)作物分析、軍事偵察和監(jiān)視、工業(yè)多光譜成像分析、紅外預(yù)警和夜視成像等眾多民用和軍事領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。常見的用于制造短波紅外焦平面探測器的材料包括HgCdTe、InGaAs、InAs/GaSb、PtSi等。經(jīng)過長時間研究和應(yīng)用，基本上形成了HgCdTe、InGaAs，GaSb、PtSi等其它材料百花齊放的格局。隨著材料工藝和集成電路研究低不斷深入，采用HgCdTe和InGaAs等材料制造的短波紅外焦平面探測器已經(jīng)商品化并已廣泛應(yīng)用于多種領(lǐng)域。相對于HgCdTe來說，InGaAs更容易生長質(zhì)量控制和工藝處理，并且有對應(yīng)的大直徑和高質(zhì)量III-V族襯底，因此InGaAs紅外焦平面探測器在短波紅外波段的應(yīng)用具有不可估量的前景。

InGaAs紅外探測器

三元系材料InxGa1-xAs是由GaAs和InAs形成的混合固溶體，為閃鋅礦結(jié)構(gòu)，屬于直接帶隙半導(dǎo)體，其能帶隨合金的變化而變化，如圖3所示。InxGa1-xAs的禁帶寬度從InAs的0.35eV(3.5μm)到GaAs的1.42eV(0.87μm)，晶格常數(shù)由InAs的6.06?到GaAs的5.65?。其中與InP襯底(晶格常數(shù)為5.87?)晶格匹配的In0.53Ga0.47As禁帶寬度為0.74eV(1.7μm)，目前已經(jīng)在0.9～1.7μm波段得到廣泛的應(yīng)用，如光纖通信，夜視等。如果要探測更長一點的波段，比如檢測農(nóng)作物中水分的吸收峰1.9μm，就需要增加InxGa1-xAs中In的組分，不過隨之帶來的問題是沒有合適的襯底與其晶格匹配。一種有效的方法是采用InP襯底，通過在其上淀積緩沖層形成“贗襯底”，然后再生長InxGa1-xAs，不過這樣依然無法得到非常高性能的材料，存在著很多位錯。目前有很多基于此的研究工作，也取得了一些可喜的結(jié)果。

InGaAs器件

目前采用InxGa1-xAs材料的探測器有很多，如InGaAs光伏探測器，InGaAs雪崩探測器，InGaAs肖特基探測器和量子阱探測器等等。優(yōu)化的探測器應(yīng)該滿足以下幾點：輕摻雜吸收層；電極無暗電流貢獻(xiàn)；吸收層表面不暴露；光生載流子遠(yuǎn)離表面等。異質(zhì)結(jié)N+-p-P+和P+-n-n+光伏探測器可以滿足以上幾個條件，其結(jié)構(gòu)在設(shè)計時簡單，生長也方便。基于InxGa1-xAs吸收層的N+-p-P+或P+-n-n+光伏探測器，有時也稱InxGa1-xAs PIN探測器。PIN探測器材料可以通過MOCVD或者M(jìn)BE等外延手段生長而成，器件目前主要有兩種不同結(jié)構(gòu)：臺面型結(jié)構(gòu)和平面型結(jié)構(gòu)。臺面型器件是在原位摻雜的P+-i-N+結(jié)構(gòu)上通過刻蝕來隔離相鄰的器件，這種方式的優(yōu)點是工藝簡單，重復(fù)性好，相鄰器件之間的串音比較少；缺點是刻蝕使得器件側(cè)面失去保護(hù)，器件的暗電流和噪聲特性變差，因而需要有效的臺面鈍化技術(shù)，對于III-V化合物來說，目前還沒有找到非常令人滿意的鈍化手段。平面型器件是在N-i-N+結(jié)構(gòu)材料基礎(chǔ)上采用離子注入或擴(kuò)散的方法形成pn結(jié)，這種方法的優(yōu)點是pn埋在材料內(nèi)，與外界隔離從而暗電流和噪聲相對較??；缺點是工藝較復(fù)雜并且像元之間可能存在較大的串音。