Подробный отчет об отрасли инфракрасных детекторов: анализ тенденций рынка и конкурентной среды ( I )
2025-10-10 09:00:03
1.Инфракрасные детекторы являются основными компонентами военной электроники
1.1 Характеристики инфракрасных лучей и разделение инфракрасных диапазонов
Свет в природе можно в целом классифицировать, от самых коротких до самых длинных длин волн, на такие категории, как рентгеновское излучение, ультрафиолетовое излучение, видимый свет, инфракрасное излучение и микроволны. Инфракрасное излучение с длиной волны от 0,75 до 1000 мкм отличается от других длин волн тем, что не требует специального источника. Все объекты в природе при температуре выше абсолютного нуля постоянно спонтанно излучают инфракрасное излучение. Эта особенность инфракрасного света стимулировала развитие технологий инфракрасного обнаружения.
На основе инфракрасного спектра инфракрасный свет можно разделить на ближний инфракрасный диапазон, средний инфракрасный диапазон и дальний инфракрасный диапазон, соответствующие длинам волн 1–3 мкм, 3–40 мкм и 40–1000 мкм соответственно. В области инфракрасного обнаружения инфракрасный свет обычно делят на ближний инфракрасный диапазон, коротковолновый инфракрасный диапазон, средневолновый инфракрасный диапазон и длинноволновый инфракрасный диапазон на основе его атмосферного пропускания, соответствующие длинам волн 1,1–2,5 мкм, 3–5 мкм и 8–14 мкм соответственно. Инфракрасный свет с длинами волн за пределами этих диапазонов в значительной степени поглощается или рассеивается атмосферой, что затрудняет его обнаружение детекторами. Поэтому инфракрасная полоса чувствительности инфракрасного детектора совпадает с инфракрасной атмосферной полосой пропускания.
1.2 Инфракрасный детектор и принцип его работы
Электронные компоненты, используемые для обнаружения сигналов инфракрасного излучения от объектов, называются инфракрасными детекторами. Основным компонентом детектора является чип детектора, состоящий из МЭМС-сенсора и КМОП-схемы считывания. МЭМС-сенсор принимает инфракрасное излучение от объекта и генерирует ответный сигнал. Чип КМОП-схемы считывания принимает ответный сигнал МЭМС-сенсора и преобразует его в электрический сигнал, который может быть интерпретирован внутренней схемой формирования изображения. Различные МЭМС-материалы генерируют различные ответные сигналы после получения инфракрасного излучения. Распространенные МЭМС-материалы делятся на две категории: материалы, работающие при комнатной температуре, такие как оксид ванадия и аморфный кремний; и материалы, работающие при низких температурах, такие как теллурид ртути-кадмия, антимонид индия и сверхрешетки типа II. Материалы, работающие при комнатной температуре, в основном используют тепловой эффект инфракрасного излучения. Прием инфракрасного излучения вызывает изменение удельного сопротивления материала, генерируя электрический сигнал. Низкотемпературные материалы работают на основе фотоэлектрического эффекта. Прием инфракрасного излучения приводит к образованию фотогенерированных носителей заряда, которые, в свою очередь, генерируют электрический сигнал.
1.3 Классификация инфракрасных детекторов
1.3.1 Охлаждаемые инфракрасные детекторы: наиболее широко используется теллурид кадмия-ртути, а сверхрешетки типа II являются будущим направлением развития.
Охлаждаемые инфракрасные детекторы используют МЭМС-датчики из криогенных материалов и работают на основе фотоэлектрического эффекта, создаваемого инфракрасным излучением. Эти детекторы обладают высокой чувствительностью и часто используются в высокотехнологичном военном оборудовании и системах обнаружения в аэрокосмической отрасли. Поскольку для их работы требуется низкотемпературная среда (70–200 К), они обычно оснащаются небольшим криогенным холодильником и, для минимизации потерь на охлаждение, вакуумным сосудом Дьюара. В результате эти детекторы имеют относительно большие размеры и вес.
Холодильники Стирлинга являются одними из наиболее распространённых охлаждающих устройств для инфракрасных детекторов. Принцип их действия основан на холодильном цикле Стирлинга, в котором газ совершает работу при адиабатическом расширении, охлаждая атмосферу за счёт понижения собственной температуры. Холодильники Стирлинга обладают такими преимуществами, как компактная конструкция, широкий диапазон рабочих температур, быстрый запуск, высокая эффективность и простота эксплуатации. Они широко используются в аэрокосмических исследованиях, системах точного наведения, инфракрасной разведке и других областях. В зависимости от конструктивных особенностей холодильники Стирлинга подразделяются на интегральные и раздельные. Минеральный спектрометр зонда «Тяньвэнь-1», успешно совершившего посадку на Марс в 2021 году, оснащён миниатюрным холодильником Стирлинга.
Для работы холодильников JT требуются газовые баллоны высокого давления. Эти баллоны обеспечивают холодильник источником газа высокого давления. Процесс дросселирования приводит к снижению температуры газа, охлаждая детектор. По сравнению с другими холодильниками, самым значительным преимуществом холодильника JT является отсутствие необходимости в электропитании, что обеспечивает более простую и компактную конструкцию. Кроме того, он запускается значительно быстрее, чем другие типы холодильников, достигая температуры охлаждения за считанные секунды. Он часто используется в высокоточных системах наведения. В американской противотанковой ракете Javelin, российской ракете класса «воздух-воздух» Р73 и китайской ракете класса «воздух-воздух» PL-9C холодильники JT используются в качестве инфракрасного охладительного оборудования.
Охладитель импульсной трубки герметичен с одного конца, а другой подключен к устройству хранения холода и теплообменнику холодного конца. При поступлении газа высокого давления в импульсную трубку сжатие создает градиент температуры внутри трубки, максимальная температура которого достигается на закрытом конце. Тепло, выделяющееся при сжатии, рассеивается охлаждающей водой. При откачке газа высокого давления на выходе трубки образуется низкотемпературная зона охлаждения. Холодный конец охладителя импульсной трубки не имеет подвижных частей и может достигать крайне низких температур, что делает его распространенным выбором для компонентов детекторов в аэрокосмической промышленности. Охладитель импульсной трубки используется в сверхвысокочастотном инфракрасном спектрометре на борту спутника «Гаофэнь-5», запущенного в 2018 году.
Охлаждаемые инфракрасные детекторы можно разделить на детекторы на основе теллурида кадмия-ртути (HgCdTe), детекторы на основе антимонида индия (InSb), детекторы с квантовыми ямами, детекторы на сверхрешетках типа II и детекторы на квантовых точках, в зависимости от материала МЭМС-сенсора. Среди них детекторы на основе теллурида кадмия-ртути (HgCdTe) и антимонида индия (InSb) являются хорошо разработанными и широко используемыми.
Инфракрасные детекторы на основе теллурида кадмия ртути (HgCdTe) являются одними из наиболее широко используемых охлаждаемых инфракрасных детекторов. Их инфракрасным полупроводниковым материалом является теллурид кадмия ртути (Hg1-xCdxTe). Регулируя компоненту Cd, можно полностью перекрыть весь инфракрасный диапазон от коротких до средних, длинных и очень длинных волн. Преимуществами HgCdTe являются его малая эффективная масса электронов, низкая собственная концентрация носителей заряда, высокий коэффициент поглощения и высокая квантовая эффективность, что приводит к низкому уровню шума и высокой обнаружительной способности. Однако недостатком является то, что теллур, кадмий и ртуть связаны ионными связями, что приводит к слабому взаимодействию. Составляющий элемент, ртуть, крайне нестабилен и легко улетучивается из материала HgCdTe, вызывая дефекты, неоднородности материала и нестабильную работу устройства. Эта присущая проблема особенно ярко выражена в длинноволновых приложениях. Ещё одной серьёзной проблемой для инфракрасных детекторов на основе HgCdTe являются эпитаксиальные подложки, на которых выращиваются тонкие плёнки HgCdTe. Хотя идеальной подложкой для согласования кристаллической решётки HgCdTe является CdZnTe, в настоящее время коммерчески доступные подложки CdZnTe имеют максимальный диаметр приблизительно 90 мм и являются дорогостоящими. Для получения более крупных подложек и материалов HgCdTe необходимо учитывать альтернативные подложки и проблемы качества, возникающие из-за несоответствия кристаллической решётки. Для длинноволновых инфракрасных детекторов качество длинноволновых материалов HgCdTe, выращенных на альтернативных подложках, по-прежнему нуждается в дальнейшем улучшении.
Детекторы на основе InSb являются собственными поглотителями, что обеспечивает чрезвычайно высокую квантовую эффективность и чувствительность материала. В результате они достигают исключительно высокой тепловой чувствительности и превосходного качества изображения, что делает их одними из важнейших детекторов средневолнового инфракрасного диапазона. Детекторы на основе InSb быстро эволюционировали от одно- и многоэлементных устройств к одномерным линейным и двумерным планарным решеткам, и в настоящее время развиваются в новое поколение сверхбольших инфракрасных решеток фокальной плоскости (VFI), отличающихся низкой стоимостью, миниатюризацией, оцифровкой, интеллектуальностью и высокой степенью интеграции. Разработка инфракрасных решеток фокальной плоскости на основе InSb значительно способствовала применению инфракрасных технологий и значительно улучшила характеристики инфракрасного оружия. В настоящее время они широко используются в военных системах, таких как системы точного наведения, поиска и сопровождения, разведки и электрооптического противодействия, став важнейшим компонентом оптоэлектронных систем оружия.
Благодаря уникальным свойствам и широким перспективам применения InSb, развитые страны Запада провели обширные исследования этого материала, разработав различные методы, такие как горизонтальная зонная плавка, вертикальный метод Бриджмена, вертикальная градиентная кристаллизация, метод движущегося нагревателя и метод Чохральского. Они даже провели эксперименты по росту InSb в магнитных полях и условиях микрогравитации, что дало многочисленные результаты исследований и привело к быстрому прогрессу в технологии выращивания кристаллов InSb. В последние годы развитые страны, такие как Канада, США и Великобритания, разработали комплексные технологии выращивания кристаллов и обработки пластин, при этом будущие разработки направлены на более крупные размеры и более низкую стоимость. Международными поставщиками InSb являются Galaxy Compound Semiconductors (GCS) в США, Firebird в Канаде и Wafer Technology в Великобритании. GCS и Firebird вывели на рынок 5-дюймовые пластины InSb и проводят коммерческие исследования более крупных размеров, таких как 6-дюймовые и 8-дюймовые материалы InSb. Стремительное развитие материалов InSb заложило прочную основу для разработки нового поколения крупногабаритных, высокопроизводительных и недорогих фокальных детекторов InSb.
Название «инфракрасный детектор на квантовых ямах» (КИД) происходит от потенциальных ям для электронов или дырок, образованных в структуре энергетических зон составляющих его материалов. Переходы электронов или дырок, индуцированные внешними фотонами, являются межподзонными переходами. Под действием приложенного электрического поля носители заряда собираются, образуя фототок. В настоящее время инфракрасные детекторы на квантовых ямах, которые достигли стабильного производства и широкого применения, в основном представляют собой КИД на основе GaAs/AlGaAs. Составляющие элементы Ga и As ковалентно связаны с Al и As, что приводит к сильным взаимодействиям и высокой стабильности материала. Эти материалы могут выдерживать высокоэнергетическое ионное излучение в космосе, что делает их подходящими для использования в инфракрасных детекторах космического базирования. Уровни энергии внутри потенциальных ям можно легко регулировать, изменяя состав и толщину материала. Длина волны отклика устройства плавно регулируется от средних длин волн (3 мкм) до очень длинных длин волн (30 мкм). Согласно теоретическим расчётам, детекторы на квантовых ямах способны реагировать на терагерцовые длины волн, простирающиеся до более чем 200 микрон. Инфракрасные детекторы на квантовых ямах используют отработанную технологию, а характеристики больших массивов однородны и стабильны, что делает их пригодными для промышленного применения.
Недостатки квантовых инфракрасных детекторов обусловлены их режимом работы. Поскольку они основаны на межподзонных переходах, носители заряда в основном состоянии в зоне проводимости полностью обеспечиваются внешним легированием, обычно порядка 1018 см⁻³ – 1019 см⁻³ максимум, что на 3–4 порядка меньше, чем у валентной зоны. Более того, из-за правил отбора для элементов матрицы перехода, материал квантовой ямы может поглощать только падающий свет, параллельный поверхности. Эти два фактора способствуют низкой квантовой эффективности квантовых инфракрасных детекторов, составляющей приблизительно 8%, что значительно ниже, чем у материалов HgCdTe. Следовательно, при одинаковом времени интегрирования и условиях оптической системы характеристики длинноволновых инфракрасных детекторов на квантовых ямах ниже, чем у длинноволновых инфракрасных детекторов на HgCdTe. Другая проблема с квантовыми инфракрасными детекторами заключается в том, что для уменьшения темнового тока и достижения лучших характеристик устройства квантовые инфракрасные детекторы обычно работают при более низких температурах, обычно в диапазоне от 65 до 73 К. Это повышает требования к охлаждению, что, в свою очередь, увеличивает энергопотребление системы и сокращает срок службы холодильника.
По сравнению с HgCdTe, сверхрешеточные материалы типа II обладают рядом преимуществ: во-первых, они обладают высокой электронной эффективной массой, примерно в три раза большей, чем у HgCdTe в длинноволновом диапазоне. Особенно на очень длинных волнах электронная эффективная масса HgCdTe уменьшается с ростом длины волны, в то время как сверхрешеточные материалы типа II сохраняют эту массу. Это приводит к низкому межзонному туннельному току и низкому темновому току в сверхрешеточных детекторах типа II. Во-вторых, деформация модулирует зонную структуру, эффективно уменьшая оже-рекомбинацию, увеличивая время жизни носителей заряда и улучшая характеристики прибора. В-третьих, на основе метода роста материалов группы III-V, с использованием усовершенствованной системы роста тонких пленок методом молекулярно-лучевой эпитаксии и согласованных по параметрам решетки подложек GaSb, материалы инфракрасных детекторов сверхрешеток типа II могут быть выращены на больших площадях с высокой однородностью, в том числе для длинноволнового инфракрасного детектирования. В-четвертых, прочные химические связи между составными элементами материалов сверхрешетки типа II обеспечивают превосходную стабильность материала, значительно снижая требования к технологическому процессу и предоставляя существенные преимущества для индустриализации устройств с потенциалом существенно более низких затрат по сравнению с инфракрасными детекторами на основе HgCdTe.
Инфракрасные детекторы на квантовых точках (QDIP) были впервые продемонстрированы Филлипсом и соавторами в 1998 году. QDIP по структуре и принципу действия аналогичны инфракрасным детекторам на квантовых ямах, за исключением того, что квантовые ямы заменены квантовыми точками, размерность которых ограничена во всех пространственных направлениях. QDIP работают, используя эффект трёхмерного квантового ограничения квантовых точек. Когда электроны в связанном состоянии квантовых точек возбуждаются светом, они собираются электрическим полем, создаваемым приложенным напряжением смещения, генерируя фототок. QDIP обладают многочисленными теоретическими преимуществами. Во-первых, квантовые точки ограничивают электроны в трёх измерениях, позволяя им реагировать на вертикально падающий свет. Во-вторых, QDIP имеют большее эффективное время жизни носителей заряда и время релаксации электронов, что облегчает сбор фотовозбуждённых электронов для генерации фототока, тем самым улучшая чувствительность и коэффициент усиления. Кроме того, QDIP демонстрируют низкий темновой ток, что обеспечивает высокие рабочие температуры, высокую чувствительность и высокую обнаружительную способность.
