【综述】主要红外探测器材料综合特性对比及未来发展趋势

碲镉汞作为第一代红外探测材料，具有能带可调、探测波段覆盖广的优势，在军事和高端民用领域占据重要地位。锑化铟凭借其极高的电子迁移率，在中波红外探测领域表现出色。二类超晶格作为新兴的第三代红外材料，通过能带工程设计展现出独特的性能优势。硫化铅具有室温工作、成本低廉的特点，在低端应用市场具有竞争力。铟镓砷则在短波红外领域占据主导地位，广泛应用于光通信和激光雷达等领域。

一、核心物理特性对比分析

1、主要红外探测器材料

2、量子效率与暗电流机制

碲镉汞：具有极高的量子效率，通常在70%-80%之间，在优化条件下甚至可以超过80%。MCT的高量子效率主要归因于其直接带隙结构、大的光吸收系数和长的少子扩散长度。在p-on-n结构中，少数载流子（空穴）的寿命和迁移率导致较低的暗电流和较高的量子效率。MCT的暗电流机制复杂，包括扩散电流、产生-复合电流、隧穿电流和表面漏电等多个分量。在高温下，俄歇复合机制主导暗电流，而在低温下肖克利-里德-霍尔（SRH）复合成为主要机制。

锑化铟：的量子效率通常在60%-70%之间，在优化的器件结构中可以达到80%以上。InSb的高量子效率得益于其直接带隙结构和优异的载流子输运特性。在光伏型InSb探测器中，量子效率受到光吸收、载流子收集效率和表面复合等因素的影响。InSb的暗电流主要由扩散电流和产生-复合电流组成，在低温工作条件下（83K），暗电流可以控制在极低水平。

二类超晶格：的量子效率表现出较大的变化范围，从10%到81%不等，具体取决于器件结构和工作条件。在近截止波长处，T2SL的量子效率通常在10%-15%之间，而在峰值波长处可以达到30%-60%。通过优化设计，InAs/GaSb T2SL的量子效率可以超过81%。T2SL的暗电流机制具有独特优势，通过采用势垒结构（如pBp或nBn）可以有效抑制产生-复合电流。在78K时，T2SL的暗电流可以控制在MCT Rule 07值的一个数量级内。

硫化铅：的量子效率相对较低，通常在20%-40%之间。PbS的量子效率受到其多晶结构、表面态密度和载流子寿命等因素的影响。通过表面钝化和结构优化，可以将PbS的量子效率提升至60%以上。PbS探测器的暗电流主要由热激发载流子和陷阱辅助隧穿电流组成，在室温工作条件下暗电流密度通常在10⁻⁶-10⁻⁵ A/cm²范围内。

铟镓砷:具有优异的量子效率，通常在70%-90%之间，在某些优化结构中可以超过90%。InGaAs的高量子效率归因于其直接带隙结构、低的俄歇复合系数和良好的表面钝化特性。InGaAs探测器的暗电流主要由扩散电流和表面漏电组成，在室温工作条件下暗电流密度可以控制在10⁻⁸-10⁻⁷ A/cm²范围内。

3、制备工艺与材料稳定性

碲镉汞：的制备工艺复杂，主要包括液相外延（LPE）、金属有机气相外延（MOVPE）和分子束外延（MBE）等技术。LPE是最成熟的MCT生长技术，已用于大规模生产短波、中波和长波红外线性阵列。然而，LPE技术存在组分均匀性控制困难的问题，特别是在长波和甚长波应用中。MBE技术能够实现原子级精度的厚度和组分控制，特别适合于制备多层异质结结构和多色探测器。MCT材料的主要问题是其固有的不稳定性，Hg-Te键很弱，在合金化过程中进一步失稳，高汞蒸汽压和复杂的相图导致生长过程中组分控制困难。

锑化铟：的制备工艺相对成熟，可以采用液相外延、气相外延和分子束外延等多种技术。InSb具有良好的化学稳定性和热稳定性，在大气环境中不易氧化，这简化了器件制备和封装工艺。InSb的主要制备挑战在于其软而脆的机械性质，这使得器件加工和处理过程中容易产生缺陷。InSb衬底的位错密度通常在10⁴-10⁵ cm⁻²范围内，这对器件性能有重要影响。

二类超晶格：的制备主要采用分子束外延技术，需要精确控制InAs和GaSb层的厚度和界面质量。T2SL的制备优势在于InAs和GaSb具有相似的晶格常数（约6.1Å），属于同一材料体系，这大大简化了异质外延过程。通过精确控制层厚，可以实现对带隙的精确调节，这是T2SL的重要优势之一。T2SL材料具有良好的结构稳定性和化学稳定性，InAs/GaSb界面质量高，缺陷密度低。

硫化铅：的制备工艺相对简单，可以采用化学浴沉积、热蒸发、溅射等多种技术。PbS具有良好的化学稳定性和热稳定性，可以在大气环境中进行加工和处理。然而，PbS材料的主要问题是其多晶结构和高缺陷密度，这导致器件性能的不均匀性。通过优化制备工艺和后处理技术，可以改善PbS薄膜的晶体质量和光电性能。

铟镓砷：的制备工艺成熟，主要采用金属有机气相外延（MOVPE）和分子束外延（MBE）技术。InGaAs与InP衬底具有良好的晶格匹配性，这简化了外延生长过程。InGaAs材料具有优异的结构稳定性和化学稳定性，在大气环境中表现稳定。InGaAs的制备技术已经非常成熟，可以实现大尺寸、高质量外延层的批量生产，这是其在光通信等领域大规模应用的重要基础。

二、应用场景深度分析

1、军用领域应用对比

军用红外探测系统对探测器材料提出了极其严格的要求，包括高探测灵敏度、宽光谱覆盖、快速响应、高可靠性和抗恶劣环境能力等。不同材料在军用领域的应用呈现出明显的分工特征。

碲镉汞（MCT）：在军用领域占据主导地位，主要应用包括：

红外制导系统：MCT是高性能红外制导导弹的首选材料，特别是在长波红外制导中。其宽波段覆盖能力使其能够同时探测目标的多个特征波段，提高制导精度和抗干扰能力。MCT的高量子效率和低暗电流特性确保了在各种天气条件下的可靠工作。

热成像夜视系统：MCT焦平面阵列在军用热成像系统中广泛应用，提供高分辨率的热图像。其工作波段覆盖3-5μm和8-14μm两个主要红外窗口，可以探测到隐蔽的目标和伪装。

红外预警系统：在卫星和机载红外预警系统中，MCT探测器用于探测弹道导弹的尾焰和热特征。其宽波段探测能力和高灵敏度使其能够在很远的距离上发现目标。

光电对抗：MCT探测器在激光告警、红外干扰等光电对抗系统中发挥重要作用。

锑化铟（InSb）：在军用领域的应用主要集中在：

中波红外制导：InSb是中波红外制导导弹的主流材料，特别是在空空导弹和地空导弹中。其高电子迁移率赋予了器件快速响应能力，适合跟踪高速目标。

红外搜索与跟踪系统：InSb探测器在机载红外搜索与跟踪（IRST）系统中广泛应用，提供远程目标探测和跟踪能力。

火控系统：InSb热成像系统在坦克、舰艇等武器平台的火控系统中用于目标识别和瞄准。

二类超晶格（T2SL）：作为新兴的军用红外材料，应用前景广阔：

多波段探测系统：T2SL的能带工程特性使其能够实现多波段集成探测，在单一器件中同时获取多个波段的信息，提高目标识别能力。

双色/多色探测器：T2SL特别适合制备双色或多色探测器，可以同时探测不同波段的辐射，用于目标识别、伪装检测等应用。

高温工作探测器：T2SL的高温工作能力使其可以使用更简单的制冷系统，降低系统重量和功耗，特别适合便携式和空间应用。

硫化铅（PbS）：在军用领域的应用相对有限：

早期预警系统：PbS曾用于一些早期的炮弹预警装置，利用其快速响应特性探测来袭弹药。

低成本红外制导：在一些低成本的红外制导系统中，PbS探测器用于短距离、低精度的制导应用。

铟镓砷（InGaAs）：在军用领域的应用包括：

激光雷达系统：InGaAs探测器是军用激光雷达的核心器件，用于地形测绘、目标测距等应用。其室温工作特性和高量子效率使其特别适合机载和车载激光雷达系统。

红外通信系统：InGaAs在军用红外通信系统中用于1.55μm波段的自由空间光通信，具有抗干扰能力强、保密性好的优点。

光电侦察系统：InGaAs探测器用于红外成像侦察、光谱成像等应用，特别是在近红外波段具有独特优势。

2、民用领域应用分析

民用红外探测技术的应用范围极其广泛，从安防监控到工业检测，从医疗诊断到环境监测，不同材料在各个领域发挥着各自的优势。

碲镉汞（MCT）：在民用高端市场占据重要地位：

高端热成像相机：MCT探测器在高端工业热成像相机中应用，用于电力设备检测、建筑节能诊断、工业过程监控等。其高分辨率和低温漂特性确保了精确的温度测量。

科研仪器：在红外光谱仪、红外显微镜等科研仪器中，MCT探测器提供高灵敏度和宽光谱范围的探测能力。

航空航天应用：MCT探测器在卫星遥感、机载测绘等应用中发挥重要作用，用于地球资源勘探、环境监测等。

锑化铟（InSb）：在民用领域的应用：

工业红外检测：InSb探测器用于高温物体的温度测量，如钢铁、玻璃、陶瓷等工业过程的温度监控。

红外热像仪：InSb热像仪在建筑检测、电气检测、机械设备故障诊断等领域应用广泛。

安防监控：在一些高端安防系统中，InSb热成像仪用于周界防范、人员检测等。

二类超晶格（T2SL）：在民用领域的应用前景：

智能安防系统：T2SL的多波段探测能力使其适合智能安防应用，可以同时获取可见光和红外图像，提高目标识别能力。

自动驾驶：在自动驾驶系统中，T2SL探测器可以提供长距离的热成像探测，与激光雷达和可见光相机形成互补。

工业检测：T2SL的高温工作能力使其可以在恶劣的工业环境中工作，用于设备状态监测、过程控制等。

硫化铅（PbS）：在民用领域应用广泛：

红外测温仪：PbS探测器是最常用的红外测温仪核心器件，用于体温测量、工业温度检测等。

火焰探测器：PbS在火焰探测系统中用于检测火焰的红外辐射，具有成本低、可靠性高的优点。

环境监测：在一些环境监测系统中，PbS探测器用于检测特定气体的红外吸收。

铟镓砷（InGaAs）：在民用领域占据主导地位：

光通信系统：InGaAs是光纤通信系统的核心器件，在1.3μm和1.55μm通信窗口具有不可替代的地位。

激光雷达：InGaAs探测器在自动驾驶激光雷达、无人机测绘、机器人导航等应用中广泛使用。

医疗设备：在医疗激光设备、红外诊断仪器中，InGaAs探测器用于激光功率测量、光谱分析等。

安防监控：InGaAs在夜视监控、车牌识别、人脸识别等安防应用中发挥重要作用。

3、 特殊环境适应性评估

不同的应用环境对红外探测器材料提出了不同的要求，包括温度范围、辐射环境、机械应力、化学腐蚀等。

极端温度环境：

MCT和InSb需要在低温下工作，通常需要液氮或斯特林制冷机，这限制了其在高温环境下的应用。相比之下，T2SL可以在较高温度下工作，某些设计可以在200K以上稳定工作。PbS和InGaAs可以在室温下工作，甚至在较高温度（如85°C）下仍能正常工作，具有优异的温度适应性。

空间辐射环境：

在空间应用中，材料的抗辐射性能至关重要。MCT材料由于其复杂的组分和结构，在辐射环境下容易产生缺陷，影响性能。InSb具有较好的抗辐射性能，但在高能粒子辐射下仍会产生位移损伤。T2SL作为人工设计的超晶格结构，其抗辐射性能介于MCT和InSb之间。InGaAs具有优异的抗辐射性能，是空间应用的首选材料之一。PbS的抗辐射性能相对较差，不适合空间应用。

化学腐蚀环境：

在一些工业环境中，探测器可能暴露在腐蚀性气体或液体中。InGaAs和InSb具有良好的化学稳定性，在大气环境中不易氧化。MCT材料由于含有Hg，在某些条件下可能产生汞蒸气，需要特殊的封装。PbS在潮湿环境中可能发生氧化，需要表面保护。

机械应力环境：

在一些应用中，探测器需要承受机械振动、冲击等应力。MCT材料由于其软而脆的特性，机械强度较低，容易在应力下产生裂纹。InSb同样具有机械强度低的问题。T2SL作为多层结构，在应力下可能产生层间分离。InGaAs和PbS具有较好的机械强度，适合在振动环境下工作。

4、系统集成要求与挑战

将红外探测器材料集成到实际系统中面临诸多技术挑战，包括制冷系统、光学系统、信号处理、封装技术等。

制冷系统要求：

MCT和InSb探测器通常需要制冷到77K或更低温度，这需要复杂的制冷系统。典型的制冷方案包括：

液氮制冷：简单可靠，但需要定期补充液氮

斯特林制冷机：可重复使用，但体积大、功耗高

热电制冷：体积小、可靠性高，但制冷温度有限

T2SL探测器的制冷要求相对较低，中波器件可以在150K工作，使用简单的热电制冷即可。PbS和InGaAs可以在室温下工作，完全不需要制冷系统，大大简化了系统设计。

光学系统集成：

不同材料的探测波段需要相应的光学系统：

MCT和InSb：需要锗、硅等红外光学材料

T2SL：与MCT和InSb类似，需要红外光学系统

PbS：可以使用普通光学玻璃

InGaAs：需要近红外透过的光学材料

光学系统的设计需要考虑透过率、色差、热膨胀等因素。

信号处理要求：

不同材料的探测器输出信号特性不同，需要相应的信号处理电路：

高阻抗探测器（如光伏型MCT）：需要跨阻放大器

低阻抗探测器（如光导型PbS）：需要电流-电压转换电路

焦平面阵列：需要复杂的读出电路和图像处理算法

封装技术挑战：

探测器的封装需要考虑：

光学窗口：需要与探测波段匹配的材料

热管理：需要良好的热传导路径

电气连接：需要可靠的引线键合或倒装焊技术

环境密封：需要防止水汽和污染物进入

三、佳洋光电在红外探测器相关的产品

四、主要红外探测器材料的未来发展趋势

碲镉汞（MCT） ：作为当前性能最优的红外探测材料，未来会聚焦提升晶体质量，通过优化分子束外延等工艺降低缺陷密度，满足高分辨率大面阵探测器对薄膜均匀性的需求。同时为解决制冷成本高、材料结构脆弱的问题，会探索与微测辐射热计异质集成的非制冷路径，还会强化低温稳定性，巩固其在空间遥感、导弹制导等高端领域的核心地位。

锑化铟（InSb）：该材料将朝着大面阵、高集成度方向推进，通过MBE、液相外延等技术提升薄膜纯度与均匀性。同时会持续优化掺杂技术和微透镜阵列设计，进一步提高响应率并降低串音；此外，为改善液氮制冷带来的高成本问题，会探索低成本制冷方案，拓展在快速信号检测等领域的应用，预计2030年其探测器全球市场规模将达1.42亿美元。

二类超晶格：锑基二类超晶格作为碲镉汞的有力竞争者，未来会重点拓展材料组合形式，基于InAs、GaSb等核心成员开发更多合金组合以适配不同红外波段。同时会攻克薄膜生长的均匀性难题，降低暗电流，推动其性能向碲镉汞靠拢。此外，还会推进与读出电路的集成工艺优化，逐步实现规模化应用，抢占高端红外探测市场份额。

硫化铅（PbS） ：其发展核心是突破大面积高性能薄膜制备瓶颈，依托化学浴沉积、真空气相沉积等工艺升级，追赶碲镉汞等材料的面阵规模。同时会深入研究敏化机理，通过量化工艺参数提升探测稳定性。另外，会借助能级工程拓展光谱响应范围，开发双色、多色探测器件，适配第四代红外探测器需求，扩大在室温红外成像领域的应用场景。

铟镓砷（InGaAs）：该材料将向大面阵、长波段、多光谱融合方向发展，推进1280×1024以上高分辨率面阵量产，同时探索超晶格结构把响应波长拓展至2.6μm。在工艺上，会攻克低噪声读出电路、高质量外延片等“卡脖子”环节，提升国产化率。此外，会强化与可见光、中波红外的多光谱融合技术，适配自动驾驶激光雷达、半导体晶圆检测等新兴场景，2025 - 2031年全球传感器市场年复合增长率将达8.0%。