一、红外制导的应用
在军事需求的牵引和红外成像技术发展的推动下，精确制导武器已经发展了以光电、雷达、惯性导航、全球定位等技术为基础的多种精确制导技术。红外成像制导技术成了近一二十年来光电制导技术发展的热点。
下图是红外制导导弹Tomahawk(战斧)及相关参数，其制导方式以GPS与Infrared camera(红外相机)复合制导。
红外成像制导技术是利用目标和景物的热辐射成像进行目标识别，并对目标图像进行实时处理，获取误差信号反馈跟踪，用于引导导弹准确攻击目标的集光、机、电及信息处理于一体的一项技术，是一种具有较强抗干扰能力的制导体制。
红外成像制导可以追踪温度目标(任何高于0K的物体)，飞机在飞行过程中，机翼及尖端与空气摩擦会产生高温，同时飞机发动机在运行过程中也会产生高温，因此可以通过红外成像对战机进行追踪定位。
下图是F-16与F-35在轨道滑翔时，红外热成像图，通过两战机热成像对比，可以明显观察到F-35在发动机温度上进行了优化(红外图像更暗)，抑制红外信号、减小被探测的几率是新一代战机不断优化的方向。
F-35战机在机翼下方增加进气口及优化冷却通道，对发动机整体进行降温，降低红外信号的强度。
同时，F-35通过将尾翼设计成锯齿状，尾气排放时形成湍流，增加尾焰与空气接触面积来降低尾焰温度。
红外精确制导技术的发展分为三代：
第一代为红外点源寻的制导，以目标的高温部分作为制导信号源，只用一个单一的红外探测器，点源抗干扰能力较差；
第二代为红外成像制导技术，采用光机扫描和线列多元探测器为第二代红外制导技术的标志；
第三代为先进红外成像制导技术，特点是采用中、长波，其标志性技术为采用凝视焦平面阵或扫描焦平面阵红外探测器技术。
红外成像制导是一种可以实现“发射后不管”的制导手段，并具有其他光电制导技术所不具备的一系列优点，包括可以通过形成二维图像，利用目标与背景之间的温度差，来准确地捕获、识别、跟踪目标；可以昼夜24小时全天候，甚至透过战场烟雾作战。因而，集高灵敏度、高空间分辨率、大动态范围、良好的隐蔽性于一身的红外成像制导，受到了普遍的关注，得到了迅速的发展，已被广泛应用于近程空－空导弹、空－地导弹、反坦克导弹、制导炸弹、制导炮弹等精确制导武器。
下图是几款典型的红外制导导弹：
Tomahawk(战斧3)巡航导弹：
因其全天时、对气象条件要求低等特点，在武器装备领域突显着越来越重要的地位，刺激了红外对抗技术的发展，红外曳光弹、红外干扰机等各种红外对抗手段的相继出现。
下图是C130飞机通过释放曳光弹躲避红外导弹的追踪：
1800年，赫谢尔(W.Herschel)在使用涂黑的水银温度计研究太阳光的热效应时，发现可见光谱以外的部分也有较强的热效应，将之称为“看不见的光线”，即发现了红外线，从此开启了对红外线研究的大门。
1826年，塞贝克发现了温差电效应，随后制备了第一个热电堆红外探测器，红外探测器件的研究拉开了序幕。经过200多年的研究和发展，红外辐射及探测器领域突飞猛进，产生了大量的科研成果，同时也形成了广泛和重要应用领域。
红外辐射的本质是电磁波，根据波长划分，可以将电磁波分为：γ射线、X射线、紫外线、可见光、红外辐射和无线电波，其中，红外辐射的波长范围为0.7-1000μm。从遥感应用、红外探测器和材料的角度，红外波段可以细分为：近红外(0.76~1.1μm)、短波红外(1.1~3μm)、中波红外(3~6μm)、长波红外(6~25μm)、远红外(25~100μm)和甚远红外(100~1000μm)。
根据不同波长在大气中吸收率的不同，1~14μm范围内的红外辐射被广泛的应用，又将这部分红外辐射细分为以下的几个波段：
短波红外SWIR(1~3μm)
中波红外MWIR(3~5μm)
长波红外LWIR(8~14μm)
1959年，英国科学家Lawson等人发表的关于碲镉汞(HgCdTe)材料制备和性质研究结果标志着HgCdTe正式进入红外探测的舞台，在此后的六十多年，它逐渐获得各国研究者的青睐并且成长为红外探测器领域的主角。
下面左图就是合成并制备碲镉汞材料的红外三剑客，在国外三个人的团队就容易办大事，发明晶体管的小组，也是晶体三剑客。
二十世纪六十年代，主要是应用体材料制作的光导型碲镉汞红外探测器，它被称作第一代红外探测器，其制备过程较简单(主要是线列型探测器)，像元数量少，响应快，灵敏度、可靠性高，但缺点在于功耗较大并且集成度很低,仅能符合单元、小规模多元探测器的要求，其代表产品为美国的60元光导碲镉汞器件，法国的5×11元光伏碲镉汞器件等。
随着红外技术对目标分辨率和探测率的要求的提高，碲镉汞材料外延制备技术的发展，以及微电子技术的快速进步，在解决了碲镉汞材料的大面积和均匀性问题之后，碲镉汞探测器步入第二个发展进程，也即光伏多元线列探测器和二维面阵红外焦平面探测器成为研究重点目标。
在二十世纪九十年代，碲镉汞红外焦平面探测器技术逐渐演变成为红外探测应用领域的主流技术。碲镉汞红外焦平面探测器是以碲镉汞薄膜材料制备的光伏型阵列敏感元芯片和硅读出电路互连而成。
光伏型敏感元阵列芯片的主要作用是将入射的红外辐射信号转化为电信号，硅读出电路则是将收集到的电信号存储、转换和输出，两者的直接耦合简化了信号处理过程。由于光敏元数目的增加，探测器系统的灵敏度、可靠性和相关性能指标得到显著提升。
九十年代后期，得益于液相外延技术(Liquid Phase Epitaxy, LPE)和分子束外延(Molecular Beam Epitaxy, MBE)技术的进步以及异质结器件的发展，在第二代焦平面探测器的基础上出现了第三代红外焦平面探测器技术。第三代红外焦平面技术的主要特征在于大规模、高集成化、高分辨率、低成本和轻量化，与此相应的，在对响应率、盲元率、噪声和可靠性等方面要求的更高了。碲镉汞红外焦平面探测器的结构特点是由碲镉汞芯片、互连In柱区域、Si读出电路、低温胶和引线基板等多层材料体系组成，该探测器技术是第三代红外焦平面探测器发展的主要方向。
分子束外延(MBE)、金属有机化合物气相外延(MOCVD)技术的发展使得组分和异质结构的多层材料成为可能，这两者可以实现对外延层组分、厚度以及电学性能的精准把控。
第四代红外焦平面探测器是具有更多波段、光偏振信息以及光相位信息等特点的器件。随着研究的深入进行，碲镉汞探测器的制备工艺也有了明显的提升，因此碲镉汞的许多前沿性研究已经逐步向生产型技术转移，并且外延材料、其他光学技术的集成等都使得第三代及第四代红外焦平面探测器能够朝着小尺寸(Size)、轻型化(Weight)、低功耗(Power)、高性能(Performance)和低成本(Price)的(SWaP3，也即SWaP+Performance+Price)方向发展前进。SWaP由西方发达国家率先提出后演变为SWaP-C，继而又成为SWaP3。对于高性能的碲镉汞探测器来说，SWaP能够在保证器件优良性能的前提之下降低系统的功耗、体积和价格，与此同时还可以提升稳定性等，这样一来便可以扩展其在无人机等方面的应用和研究。
碲镉汞(Hg1-yCdyTe,HgCdTe,MCT)是制备高性能红外探测器的优良材料，在气象预报、资源探测和天文观测等领域中有重要的应用。
下图是不同波段所使用的芯片材料汇总图，其中在红外区域，碲镉汞材料横跨短波、中波、长波三个区域，且有探测效率高等特点：
碲镉汞是由负禁带宽度的碲化汞(HgTe)和正禁带宽度的碲化镉(CdTe)混合而成的赝二元化合物材料((HgTe)1-x(CdTe)x)。
这里有个词叫禁带宽度，是一个半导体术语，怎么理解呢？
区分材料的导电性一般就是看材料的电阻，本质上材料里的电子是否可以自由移动，如果材料里面有大量自由移动的电子，我们就可以称为导体。这些自由移动的电子组成的集团我们称为“导带”。
自然界中任何物质都是由分子或原子组成的，原子本来就是原子核、质子、电子组成的，有人有疑问了，既然任何物质都是原子组成，原子本身就有电子，那为什么不是所有的物质都导电？
原因就是这些原子外的电子不能自由移动，它只能围绕原子核高速旋转。这些围绕原子核高速运动的电子，也有一个名称，叫“价带”。
如果有一只小手，把价带中的电子拿到导带区域，让这些电子不受原子核的束缚，自由自在的随波逐流，变成自由电子，这种“价带”中的电子运动到“导带”区域的宽度，就叫“禁带宽度”。
言归正传，负禁带宽度，就是价带和导带没有鸿沟，就是说这个材料是导体。正禁带宽度，就是说这个材料是半导体或者绝缘体。
半金属化合物HgTe(eEg=-0.3eV)和宽禁带半导体化合物CdTe(Eg=1.6eV)都是闪锌矿结构，它们的晶格常数很接近，这使得HgTe与CdTe能形成任意配比的连续固溶体，即Hg1-xCdxTe材料。通过调节Cd组分x，Hg1-xCdxTe材料的禁带宽度能够在0-1.6eV之间连续变化，因此能得到所需要的响应波段，覆盖了可见光、红外短波、中波、长波及至甚长波段，是制备红外探测器的理想材料。碲镉汞材料具有以下特点：
(1)禁带宽度可调，可以覆盖整个红外波段；
(2)直接带隙半导体材料，具有较高的量子效率；
(3)材料光吸收系数大，器件芯片厚度10um左右时，内量子效率接近100%；
(4)载流子迁移率高，使探测器具有较高的响应速度；
(5)本征复合机制使载流子寿命长及热产生率低，器件可在较高温度下工作；
(6)CdTe/HgTe晶格常数接近，可良好匹配，可以利用液相外延、分子束外延、金属有机化学气相沉积等方法制备薄膜材料、制备高质量的外延异质结构；
(7)可以通过钝化减小表面复合速率，提高器件性能；
(8)热膨胀系数与Si接近，可以与Si读出电路倒焊互联。
下图是不同红外材料量子效率对比图：
HgCdTe外延技术主要有液相外延(LPE)、分子束外延(MBE)和金属有机气相沉积(MOCVD)三种。其中LPE和MBE是HgCdTe外延生长的主流技术。
LPE最早于70年代被用于HgCdTe材料外延生长，目前已非常成熟。工艺过程是选用晶格匹配的衬底插入熔化的生长母液中，然后拉出母液降温，实现生长。具体实现的方式有水平推舟、垂直浸渍、倾舟法三种，三种技术均已实现产业化应用，不同的研制单位根据自身特点选用不同的外延方式。LPE生长属于从衬底延伸生长，晶向完全和衬底一致。由于生长温度在母液的熔点以上，母液回熔衬底表面原子层可以消除表面抛光损伤的影响，对一些微米级小颗粒缺陷的消除也有一定作用。目前为止使用CdZnTe衬底液相外延获得的HgCdTe材料是各种外延技术获得的材料中晶格质量最好的，表面缺陷和位错密度近乎达到了CdZnTe衬底的水平，目前已能做到HgCdTe外延材料的位错密度在10E4/cm2和CdZnTe衬底的位错水平相当。
这里突然出现了CdZnTe，那么HgCdTe外延材料和CdZnTe衬底是什么关系呢？
由于红外芯片HgCdTe直接长成大块的成本很高，而且难度很大，有人受到启发，通过中间商来协调，这个中间商就是CdZnTe，这两种材料原子分布很相近，可以先长成大块的CdZnTe单晶后，再在这个单晶表面长一点HgCdTe，这样既可以降低芯片难度，又能实现大批量生产，为HgCdTe的工业化应用铺平了道路。
CdZnTe是由CdTe与ZnTe按一定比例组合而成的固熔体化合物。通过改变材料中Zn的比例，材料的晶格常数可以从CdTe的晶格常数到ZnTe的晶格常数连续变化，从而做到与HgCdTe红外探测器材料的晶格常数完美匹配。由于大面积组分均匀的HgCdTe材料难以通过体单晶生长得到，因此大规模红外焦平面所需的HgCdTe材料都是在异质衬底上外延得到的。CdZnTe相比于Si和GaAs具有和HgCdTe晶格常数完美匹配的优势，在CdZnTe衬底上外延得到的HgCdTe薄膜具有更好的晶格质量和电学性能，因此CdZnTe单晶的生长技术自70年代以来得到了广泛的发展，直至今日，CdZnTe衬底材料依然是第二代和第三代碲锌镉红外焦平面探测器所使用的主要衬底材料。
四、碲锌镉材料生长方法针对碲锌镉材料，为了获得高质量大尺寸的晶体材料，近四十年来研究人员尝试并开发了多种方法。主要有气相输运法、溶液法和熔体法等。
溶液法应用最多的是Te溶剂移动加热器法(Travelling Heater Method,THM)。熔体法主要为布里奇曼法，包括水平布里奇曼法(Horizontal Bridgman Method, HB)，垂直布里奇曼法(Vertical Bridgman Method, VB)和垂直梯度凝固法(Vertical Gradient Freezing Method, VGF)。
VGF方法和VB方法(Vertical Bridgman method)在生长原理上并无本质区别,二者使用的生长炉结构也接近。下图(a)为一种典型的带Cd压控制的多温区CdZnTe晶体VB生长炉的结构示意图,通过加热温区的配置和温度控制,在生长安瓿区域实现“高温区-梯度区-低温区”的基本温场结构。高温区用于熔化初始锭料并维持适当的熔体温度;梯度区实现固-液相变,是晶体生长前沿控制核心区域;低温区用于相变潜热散失和晶体退火。在VB方法中,坩埚中的熔体以机械运动的方式通过生长炉内的温度梯度区而实现晶体的定向凝固生长，运动可以通过生长坩埚或者生长炉体的机械移动实现,如图(b);而在 VGF 法中坩埚和炉体保持静止,通过控制生长炉温场的变化实现温度梯度区相对熔体的移动，见图(c)。
VB方法一般设定相对恒定的温场,可以针对生长需求对梯度区进行特殊设计,获得较大的生长梯度和生长速率;VGF方法需控制温场连续变化,生长梯度相对较小,但能够满足生长低位错密度晶体的需求。控制VB 方法的机械移动相对简便,但要求生长炉体较长,采用Cd压控制技术抑制CdZnTe中第二相缺陷时较不方便;VGF方法温场控制的要求较高,但各种晶体生长工艺辅助技术集成较为方便。
下图为采用VGF方法生长的CdZnTe晶锭，将图中的晶锭切割成片，就成了CdZnTe衬底：
除单晶率外，限制CdZnTe晶体成品率和应用的关键因素为材料中的扩展缺陷，主要包括位错、第二相缺陷(夹杂物或沉淀物)、层错和孪晶。
CdZnTe的热膨胀系数也是一个有重要影响的参数，由于HgCdTe器件需要与Si电路互连并降温到77K工作，CdZnTe衬底与Si的热膨胀系数差异大，产生的应力较大，导致器件可靠性降低，甚至器件开裂。而HgCdTe的热膨胀系数比CdZnTe更接近Si，因此大规模HgCdTe红外焦平面器件常减薄或彻底去除CdZnTe衬底，衬底去除的另一个好处是可将HgCdTe器件的探测范围拓展到可见光波段。
说到这儿，红外探测器的关键部分有了一个大致的介绍。
就是红外成像区域，也称为红外探测器敏感元区域或探测器阵列，因为接收红外辐射信号主要靠这些区域。红外探测器阵列与读出电路组合在一起就是红外焦平面阵列。
红外焦平面阵列(Infrared Focal Plane Array, IRFPA)是红外探测系统的核心部件。它主要由红外探测器阵列与读出电路(Readout Integrated Circuit，ROIC)阵列通过铟柱倒焊互连组成。焦平面读出电路的功能是把光电探测器产生的光电流信号转换成电压信号，并进行放大、采样等信号处理操作，它是实现探测器阵列光电信号与系统图像处理之间的桥梁。读出电路通常采用标准的CMOS工艺，包括输入级放大电路、列放大电路、输出缓冲级电路、A/D电路以及偏置电路。
凝视型红外焦平面阵列于二十世纪九十年代得到快速发展，阵列大小由二十世纪初的128×128规模扩大到二十世纪末的1k×1k规模。目前，正在研制可投入使用的更大规模的阵列，如2k×2k和拼接而成的更大的焦平面阵列，可达到8k×8k甚至更大。但同时也需要考虑增加探测器芯片尺寸带来的一系列问题，比如芯片尺寸的扩大使得探测器材料尺寸和读出电路的尺寸需要同时增大，这就需要面对难以制造出高性能、高均匀性的材料以及很难解决低成本等困难。
大面阵红外探测器技术的发展主要受到以下三个方面的影响：
其一是碲镉汞探测器层的生长和加工技术，如制造高质量的HgCdTe分子束外延生长层和热膨胀匹配的读出电路等；
其二是CMOS读出电路的设计和制作水平，如生产高产量商业化的8英寸CMOS以及低功耗小单元的高电容等；
其三是CMOS读出电路和探测器层的混成技术，如新铟柱设计和高压大面积混成技术等。由于单片面阵也不能无限制的增大，像元大小也不能无限制减小，因此单片大面阵拼接技术是未来发展的必然走势。
关于碲镉汞红外探测器芯片及应用本文就介绍到这儿，想了解更多半导体及红外知识可以阅读公众号的其它文章。
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