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用。目前對紅外線的分類還沒有統(tǒng)一的標準，各個專業(yè)根據(jù)應用的需要，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。空氣中的一些氣體分子如CO2、H2O等有著與其物質(zhì)分子結構相對應的特征吸收譜線，對某些波長的紅外線產(chǎn)生強烈地吸收，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開發(fā)和創(chuàng)新，使紅外應用從軍事國防迅速朝著資源勘探、氣象預報、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)學診治、海洋研究等關系到國計民生的各個領域擴展。在這些應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，都可以被用來進行紅外探測。

目前來說按照工作機理不同, 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)殡娦盘枴Ｄ壳爸饕脺夭铍娦?、熱釋電效應、金屬、氣體等熱脹冷縮現(xiàn)象、超導體在Tc附近升高溫度電阻急劇變化等等。熱探測的響應速度較慢，但其波長響應范圍寬。光子型探測器是利用光電效應原理設計和制作的，光電效應可分為光電子發(fā)射效應、光電導效應、光生伏應和光磁電效應。光電子發(fā)射效應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，多發(fā)生在金屬材料中。光電導效應，光生伏應和光電磁效應是在材料內(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。半導體材料具有明顯的光電效應，因此大多數(shù)的紅外探測器都采用了半導體材料制作，其中基于內(nèi)光電效應，特別是光生伏應的半導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（包括PN同質(zhì)結型，異質(zhì)結型，肖特基型等），在無光照的情況下，結內(nèi)存在著自建電場，當紅外光照到PN結上或附近時，產(chǎn)生的光生載流子在結電場的作用下分別向兩邊移動，從而在PN結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。

當全面考察半導體紅外探測器件發(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，通過串行方式對電信號進行讀??；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，電路也復雜。這些改進提高了輸出信噪比，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用到軍事和民用領域。

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、紅外預警和夜視成像等眾多民用和軍事領域有著廣闊的應用前景。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)商品化并已廣泛應用于多種領域。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，為閃鋅礦結構，屬于直接帶隙半導體，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)化的探測器應該滿足以下幾點：輕摻雜吸收層；電極無暗電流貢獻；吸收層表面不暴露；光生載流子遠離表面等。異質(zhì)結N+-p-P+和P+-n-n+光伏探測器可以滿足以上幾個條件，其結構在設計時簡單，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MBE等外延手段生長而成，器件目前主要有兩種不同結構：臺面型結構和平面型結構。臺面型器件是在原位摻雜的P+-i-N+結構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，重復性好，相鄰器件之間的串音比較少；缺點是刻蝕使得器件側面失去保護，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，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+結構材料基礎上采用離子注入或擴散的方法形成pn結，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小；缺點是工藝較復雜并且像元之間可能存在較大的串音。