一、红外探测器发展历史
16世纪牛顿光学推测了红外辐射的存在，但整个世纪都未得到证实，直到1 800年英国天文学家威廉·赫谢尔（1781年研制反射望远镜发现天王星）完成了著名的太阳光谱热效应实验。赫谢尔最初的目的是研究太阳光中不同颜色对人眼的危险热效应和各种颜色滤波片的效力问题。因此他作出著名实验以表明用棱镜产生的太阳光谱各部分的热效应强弱。实验中赫谢尔的探测器是简单涂黑了的球状物温度计，由Glasgaw的天文学教授Alexander Wilson.M.D.制造，在光谱中测量的标准温度升高为1～10℉之间，精度接近1/4℉，温度计的响应时间是5min。在光的波粒二象性未得到证明的情况下，该温度计算是第1支红外探测器。在19世纪以后，红外热探测器逐步得到较大发展（详见表1）。
二、红外探测器分类
红外光与可见光有诸多相似特性，但其不能被人眼看见，需要用对红外敏感的红外探测器探测。现在按照探测原理的不同，红外探测器主要分为2大类：红外热探测器（红外热效应原理），红外光子型探测器（光电效应原理）。
红外热探测器接收到红外辐射能量使热敏元件温度上升，根据热敏元件材料对温度敏感的特性建立其温度与电参数的关系，即可将热敏材料的温度变化相应转化成易于检测的电信号。常见的热探测器有以下几种：热敏电阻，利用辐射热效应引起电阻变化（热阻效应）；温差电偶，利用材料两端温差产生电压（热伏效应）；气动探测器，利用气体受热膨胀原理（热气动效应）；热释电探测器，利用自发极化随温度升降而发生变化的原理（热释电效应）；以及超导体在Tc温度附近升高温度电阻急剧变化等等。热探测器是非选择性探测器，热敏元件的温度变化与红外辐射的波长没有关系，仅与吸收的热辐射能量相关，所以热探测器的光谱范围较宽广平坦，并且不需要制冷。热探测器的缺点则是灵敏度低、响应时间偏长，最快的响应时间也在毫秒量级探测率较低（108量级），因此不适用于高频或高灵敏需求的应用中。
红外光子型探测器是利用红外光的光电效应设计制备的。光电效应又可细分为：外光电效应，光照下光电子逸出材料表面，即光电子发射效应；内光电效应，光电子在材料内部产生于迁移，即光电导效应、光生伏特效应、光电磁效应，半导体材料则具有明显的内光电效应。其特点是响应快，吸收辐射产生信号需要的时间短，一般为纳秒到皮秒量级；探测率为1010量级以上。
三、国内外红外探测器应用市场及技术现状
目前红外探测器主要应用于军事上的夜视、狙击、侦察、报警、前视、制导、火控、跟踪、观瞄、光电对抗等现代武器装备上，以及工业（航空）检测、医疗检测、警用、安防等民用领域。
国际上能成功进行制冷型红外焦平面探测器研发和生产的机构和公司主要来自北美和欧洲发达国家。但由于制冷型红外产品的敏感性及军事保密的原因，美国、以色列等国都在禁止、或者限制出口该类产品。目前，只有法国、瑞典2国采取较为宽松的出口政策。国产设备所装配的QWIP制冷型红外热像仪芯片大多全部来自于国外公司。
四、红外QWIP-LED探测器
1.红外QWIP-LED技术介绍
红外焦平面技术特别是其核心的红外探测器技术一直是国际上关注的焦点。近年来，由于半导体材料和工艺的快速发展，红外探测器技术也取得了长足的进步。在不断提高已有各种探测器性能的同时，涌现了各种新材料、新器件，这其中包括被人们广泛关注的长波红外探测领域的量子阱红外探测器（QWIP）[1]，详见图1所示。
量子阱红外探测器（QWIP）通过控制势阱和势垒的宽度，可以调节量子阱基态和激发态之间的能级间隔，从而控制吸收的光波波长适应于某个波段，QWIP的工作波段通常在中红外和远红外波段。在红外辐射下，电子从基态被激发到高激发态，由于高激发态的上电子迁移率和基态不同，会产生探测器光电导的差异。量子阱探测器的跃迁模式可以分为：束缚态到束缚态跃迁电子吸收光辐射能量后从基态跃迁到激发态，通过隧穿作用进入导带，在外加电场作用下形成光电流；束缚态到连续态跃迁，减小量子阱宽度，使第一激发态处在高于势垒进入连续态，导带中电子吸收光辐射能量直接进入到导带，有效的降低了偏置电压，从而降低暗电流；束缚态到准束缚态跃迁，设计量子阱使第一激发态为接近势垒高度的准束缚态，进一步降低器件的暗电流；束缚态到微带跃迁，量子阱中激发态与超晶格的微带重合，光激发载流子就在微带中输运。
对于QWIP，由于其工作温度较低，器件成本过高，很大程度上制约了该器件的应用场景；另一方面，由于焦平面阵列需要与硅读出电路互联，不可避免地会产生热失配、制冷功耗等一系列问题。
为了规避这些技术缺陷，1995年，加拿大国家研究院首先提出了一种新型的红外-近红外上转换器件结构，即 QWIP-LED[2]。通过将QWIP与LED进行物理集成，可实现长波红外向近红外甚至可见光波段的上转换，进而可以采用可见光或近红外的CCD相机实现对红外物体的成像。因为在可见光和近红外波段，硅电荷耦合器件（Si CCD）已经发展为一种性能优异、并已成熟的可见及近红外光成像器件。对于紫外及更短波段光的探测成像，通常采取在Si CCD上涂覆合适的发光材料加以实现。利用QWIPLED进行实物成像的原理图和光路示意图分别如图2和图3所示。由光路示意图可知，将QWIP-LED集成器件的QWIP光敏面置于红外光学系统的焦平面处，通过合理设计器件结构，使光生电子在渡越器件和LED发光层辐射发光过程中没有显著的横向扩散，在LED发光面近红外发光将呈现QWIP光敏面的红外图样，采用硅成像阵列对LED发光面成像，间接对红外波进行成像。
值得指出的是，这种上转换成像方法有许多优点：首先，可采用常规器件制备方法制作光学上转换器件单元，利用大尺寸（毫米量级）光学上转换器件单元自然的载流子密度分布与Si CCD结合可直接形成上转换成像器件，从而避免将大面积成像仪分成许多个像素并且每个都制作电极（接线柱金属焊接）的复杂工艺流程和昂贵成本；其次，这种上转换成像器件不需要任何特殊的混合读出电路，成像通过充分利用高效、成熟的Si CCD实现；再次，由于探测器的探测波长可通过调节子带间隔来控制，相应地，红外成像的波段也较容易调节；最后，这种由III-V族成熟材料体系组成的系统又很容易通过分子束外延生长，可避免混合焊接及任何热失配。因此，这种半导体上转换成像方法具有简单、成本低、响应波长可调等特点，在探测成像方面具有很大的应用潜力。
2.红外QWIP-LED成像原理
QWIP-LED器件在原理上区别于传统的非线性光子频率上转换过程，在传统的非线性效应中人们利用的是材料的非线性吸收导致的双光子或多光子过程来实现光子频率由低频向高频上转换的，这样的红外上转换过程通常需要低频红外光的强度很强。而这种新型器件所涉及的上转换过程是低能光子通过与电能的结合而形成的近红外或可见的高能量光子，其能带结构和工作原理如图4所示。长波红外探测器和发光二极管集成在一起，器件在正向偏压下工作，当有红外光照射时，QWIP部分电阻下降，同时LED上压降增大，因此，LED的近红外发光增强。这样，QWIP探测到的红外光就通过上转换变成了LED的近红外发光，进而可以由Si CCD探测器探测。
上转换成像的概念原则上适用于所有波长长于Si CCD探测范围的红外辐射。基于光子频率上转换，20世纪90年代中期以来，加拿大国家研究院成功地将GaAs/AlGaAs QWIP与发光二极管（LED）串联集成起来实现了中红外光（约9μm）向近红外光（0.8～0.9μm）的上转换成像；同时他们还进行了近红外（约1.5μm）向更短波长的上转换成像研究[3]。在国内，中国科学院上海技术物理研究所也开展了中红外QWIP与LED集成的研究，分别实现了p型和n型掺杂量子阱探测器2种集成器件[4]；上海交通大学在光子频率上转换器件方面也做了大量工作，特别是器件结构的模拟和优化方面，包括砷化镓（GaAs）基红外探测及频率上转换器件研究、基于同质结界面功函数内光发射探测器（HIWIP）的远红外/THz上转换成像器件研究等[5]。在这种红外上转换成像体系中，要想获得较好的成像效果，整个光学上转换器件的有源结构要求很薄，并且到达发光二极管表面的探测器光生载流子在垂直电场方向的运动距离以及发光二极管激活层中载流子的径向扩散长度必须很短。根据衍射极限，上转换器件的有源结构厚度，载流子在垂直电场方向上的运动距离，以及LED激活层中载流子的扩散长度小于所探测的红外波长即可。由分子束外延生长的光学上转换器件结构厚度小于4～5μm，总的有源结构更薄，而且对于长波长的红外光，这些要求很容易满足。
3.当前QWIP-LED存在的一些问题
尽管已经报道了不同波长的上转换成像器件，但在目前所实现的QWIP-LED集成器件中，都存在内量子转换效率低、LED发光效率低、发光方向性差等问题，结构设计和参数优化方面仍有较大空间。针对LED发光引出效率低，导致QWIP-LED成像积分时间长、引入额外光子散弹噪声的技术难题。
4.解决当前QWIP-LED存在问题的设想
谐振腔的原理早在近100年前就已经被了解，其主要物理内涵是谐振腔结构能使入射光在腔体中多次反射并经过吸收区域，从而被充分吸收。目前这种谐振腔结构已经在其他许多类型的光电探测器上得以实现[6-7]。如果采用GaAs/（Al，Ga）As材料体系制备n型QWIP，GaAs[（Al，Ga）As]作为LED的限制层，GaAs[（In0.1Ga0.9）As]作为发光层，在QWIP和LED间插入n型（Alx，Ga1-x）As/（Aly，Ga1-y）As分布布拉格（DBR）反射镜，提高LED发光引出效率。结合半经典自洽发射-俘获输运模型和经典漂移-扩散模型，系统研究QWIP-RCLED中电子输运行为，优化集成器件的内量子效率。优化设计QWIP耦合器以及RCLED共振腔的品质因子，大幅度提高LED发光引出效率和发光的方向性，提高QWIP-RCLED的红外光子-近红外光子的转换效率以及 QWIP-RCLED与硅成像阵列间的耦合效率（如图5所示），最终实现有实际应用价值的QWIP-RCLED上转换成像器件。
将DBR层引入QWIP-LED集成结构，是红外成像中一种较新的思路，具有工艺简单、成本低和功耗小等优点。引入DBR和RC，将进一步提高器件的内外量子效率和出光方向性等关键性能参数。
5.需重点考虑及解决的技术难题
需重点考虑及解决的技术难题主要包括2方面：①如何提高QWIP的响应率是关键技术之一，具体涉及到器件结构设计、材料生长和工艺制备和等，特别是在工艺过程中，通过侧壁钝化步骤，阻止形成侧壁漏电流通道；②如何提高集成器件的内外量子效率和出射光的方向性，具体涉及到如何设计及制备高质量的DBR层，特别是材料参数。
6.QWIP-RCLED的意义及应用前景
在8～14μm远红外大气窗口，基于量子阱红外探测器（QWIP）的焦平面阵列（FPA）在制备成本、均匀性、稳定性和技术成熟度方面，都具有一定优势。将QWIP与发光二极管（LED）进行集成，利用可见光或近红外硅CCD相机实现对红外物体的成像，可大大降低QWIP的应用成本，同时避免了热失配、封装互联、制冷功耗等问题。前期实现的QWIPLED器件，均存在LED发光引出效率低，导致成像积分时间长等技术问题。在QWIP和LED间插入n型（Alx，Ga1-x）As/（Aly，Ga1-y）As分布布拉格（DBR）反射镜，提高LED发光引出效率，优化集成器件的内量子效率、QWIP耦合器以及RCLED共振腔品质因子，大幅提高LED发光的引出效率、方向性和QWIP-RCLED的远红外光子-近红外光子转换效率。技术问题的解决使其在行业内将得到广泛应用。
四、结语
本文中提出的共振腔增强LED能大幅度提高器件能量转换效率和探测灵敏度，使所研制器件有实际应用价值。在中红外，引入共振腔后，RCLED发光效率能够提高近20倍，即使计及环形电极遮挡以及侧面漏电流损耗，RCLED光引出效率的提高也是非常可观的。DBR已成功应用于垂直腔面发射激光器，另外RCLED对腔面反射率要求要低一些，实现RCLED在原理和工艺上都是切实可行的。
参考文献
[1] Rogalski A.Comparison of performance limits of infrared detector materials[J].SPIE.2002，4650：117-127.
[2] Liu H C，Li Jiancheng，Wasilewski ZR，et al.Integrated quantum well intersub-band photodetector and light emitting diode[J].Electron.Lett.，1995（31）：832.
[3] Luo H，Ban D，Liu H C，et al.Buchanan.Pixelless imaging device using optical up-converte[J].IEEE Electron Device Lett.，2004，25：129.
[4] Zhen Honglou，Li Ning，Xiong Dayuan，et al.Fabrication and Investigation of an Upconversion Quantum-Well Infrared Photodetector Integrated with a Light-Emitting Diode[J].Chin.Phys.Lett.，2005，22：1086.
[5] Yang Yuanyuan，Liu H C，Shen W Z，et al.Optimal doping density for quantum-well infrared photodetectorperformance[J]. IEEE J.Quantum Elect.，2009，45：623.
[6] Goedbloed J，Joosten J，Responsivity of avalanche photodiodes in the presence of multiple reflections[J].Electron. Lett.，1978（12）：363-364.
[7] Nie Hui，Anselm K A，Hu Cloud，et al.High-speed resonant-cavity separate absorption and multiplication avalanche photodiodes with 130 GHz gain-bandwidth product[J].Appl.Phys.Lett.，1997（70）：161-163.