第四代半导体玩家很少，这种器件已和国际水平相当

事实上，有研与华为在5G芯片前沿材料方面的合作就包括第四代半导体锑化镓、铟化砷化合物半导体。

在新体系中，锑化物半导体当之无愧占据了第四代半导体的核心地位。锑化物半导体作为经典Ⅲ-Ⅴ族体系在本世纪初重新得到广泛重视。2009年起，国外将锑化物半导体相关材料和器件列为出口封锁限制技术。

理由是，锑化物半导体在开发下一代的体积小、重量轻、低功耗、低成本器件，满足极为苛刻应用要求方面具有不可替代的优势，是包括民用、国防在内的细分领域——红外成像的热门候选材料。

▎为何对锑化镓兴趣盎然？

Ⅲ-Ⅴ族材料属于化合物半导体，如砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）为代表的第二代半导体材料；也包括近年来很火的以氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）、氮化铝（AlN）、氧化镓（Ga2O3）等第三代半导体材料；还包括看似悄无声息，国内外都紧盯着的第四代半导体技术体系：窄带隙锑化镓、铟化砷化合物半导体；超宽带隙氧化物材料；以及其他各类低维材料（如碳基纳米材料、二维原子晶体）等。

前些年，半导体材料领域对锑化镓的研究远不如砷化镓、磷化铟等半导体材料那样深入，主要因为之前应用较少。近年来这种材料越来越引起了人们的兴趣，主要得益于光纤通信技术的发展对新器件有了更多潜在需求。

为了减少传输中的损耗，光通信中总是尽可能采用较长波长的光，例如从最早的0.8μm波长，到1.55μm波长。锑化镓可以用来制造激光器、光电探测器、高频器件和太阳电池，也是制备长波LED及光纤通信器件的重要衬底材料。

近年来，超晶格材料锑化镓成为了红外成像领域的热门材料，与其他几种材料相比，其区别主要在于主体材质采用分子束外延技术进行原子层精度的外延结构制备。砷化铟、锑化镓每层切出的厚度大约三到五个纳米，整个芯片外延厚度是1千多到2千层。

这一技术的发明人是一位华裔教授卓以和，他是世界公认的分子束外延之父。他在国际上担任五院院士，也是中国科学院外籍院士。

▎何为超晶格材料？

超晶格材料是两种不同组元以几纳米到几十纳米薄层交替生长并保持严格周期性的多层膜，即特定形式的层状精细复合材料。

我们来回顾一下超晶格材料的发展历程。1969年，美国IBM实验室的日裔科学家江崎玲于奈（1973年任美国IBM沃森研究所研究员时，因发现半导体中电子量子穿隧效应获得诺贝尔物理学奖）和华裔科学家朱兆祥提出了超晶格概念。

他们设想用两种每层厚度100nm以下的晶格匹配很好的半导体材料交替生长周期性结构，让电子沿生长方向运动产生振荡，以制造出微波器件。两年后，这一设想在一种分子束外延设备上实现。

通过纳米堆叠，超晶格材料结构可以实现2-30μm的波段吸收，所以很快成为了继锑化铟、碲镉汞之后制冷型红外成像芯片领域的候选者。但是和前两种芯片不太一样的是，锑化铟和碲镉汞的发展已经超过了50年；而真正的二类超晶格芯片是2005年才出现的，到现在也就十几年。

同年，世界红外成像领域最知名的学者、美国西北大学伊朗籍教授Manijeh Razeghi和德国AIM Infrarot-Module公司同时演示了二类超晶格中波芯片。

什么是二类超晶格材料呢？按超晶格材料形成的异质结类型分为一类、二类和三类超晶格。一类超晶格的导带和价带由同一层半导体材料形成；二类是在不同层中形成，因此电子和空穴被束缚在不同半导体材料层中；三类超晶格涉及半金属材料。

在二类超晶格材料当中，电子和空穴均被束缚在不同的层中，InAs/GaSb超晶格就是典型的二类超晶格材料，具有二型能带结构，电子有效质量大。之所以二类超晶格材料广泛受到人们的关注，还因为它具有俄歇（Auger）寿命长、带隙控制更加准确、均匀性好等特性，而且波长调节范围大（约3-30微米），而这些特性是实现高性能制冷型红外探测应用所不可或缺的。

▎二类超晶格芯片有什么用？

利用二类超晶格芯片可以开发红外探测器，从功能上分一类是制冷，另一类是储能器件。前者有三种技术路线，所有制冷型芯片的工作温度在零下200℃左右，需要用制冷机为芯片提供低温工作环境。

在二类超晶格芯片应用方面，目前全球有十多家公司做制冷型红外芯片。其中5家公司做得最好，排名第一是美国雷神公司（Raytheon）和以色列的SCD公司，德国AIM也有二类超晶格探测器产品。中国的高德红外、超晶科技和几个研究所也拥有完全自主知识产权的非制冷、碲镉汞及二类超晶格制冷型红外探测器芯片产品。

二类超晶格探测器主要是从大气透射光谱中波吸收红外辐射。到目前为止，主流二类超晶格探测器中波为3.7-4.8μm；中波高温探测器波段一样，但制冷级探测器工作温度提高到150K；长波探测器为7.7-9.3μm；还有多种双色探测器，包括中波双色、中长波双色和长长波双色，双色探测器的应用领域非常具体，主要是高端国防领域。

专家指出，3.7-4.8μm探测器是全球所有制冷型探测器件的主流入口，属于卡脖子技术，应用场景非常多，国防领域几乎所有武器系统中都用它作为“眼睛”；民用领域的森林防火、医疗等高端监测也会用到这种器件。全球做得最好的雷神公司2014年做出4k×4k焦平面阵列探测器，分辨率1600万像素，天空系统和地面系统都可以用。

头部公司的中波高温探测器研发路线图是精度更高、体积更小、重量更轻、低功耗、高性能和低成本。目前全球只有雷神公司、德国AIM、以色列SCD等几家公司有这种二类超晶格中波高温器件，国内目前还没有商用产品。

长波探测器和前面的产品有所不同，因为人体红外线波长为8-10μm左右，所以适合探测低温物体，其穿透烟雾的能力比较强，但穿透水汽的能力比较弱。尤其是在空间领域，几乎所有的战机上都搭载了这种长波探测器，像美国F35战机就配置了这种探测器，通过特殊的光学设计其空间探测距离可达300km，在很远的地方就可以发现目标。

双色探测器不太一样，一个芯片可以识别两个典型波段，以获得两个波段的目标信息，其主要用途是在导弹追击敌方飞机时，如果飞机察觉到导弹就会施放干扰，目标就会迷失。如果用双色探测器，就可以降低虚警率，大幅提高红外光电系统的性能。这款器件只有雷神、洛克希德•马丁（Lockheed Martin）等少数公司可以玩。

▎中国进展如何？

国内研发进展如何呢？据业内专家介绍，2008年以前，国内红外产品的芯片（红外探测器）全部依赖进口。2018年是中国红外领域的一个重要里程碑，代表着中国“红外芯”正式进入“百万像素”时代。

Yole 2021年11月发布的《热成像与传感2021》报告显示，在全球红外热成像产品出货量方面中国玩家已稳定了市场份额。

2020年，高德红外的红外热成像业务收入高达28.86亿元，竞争优势明显。它采用非制冷红外芯片IDM模式，并拥有国内首条晶圆级封装生产线。2021年6月，在回答投资者提问时表示：公司研制的碲镉汞及二类超晶格制冷红外探测器具有灵敏度高、盲元少、相应均匀性好、图像质量高、作用距离远等特点，已规模化应用于航空、航天等高科技国防领域公司。

该公司还说，随着非制冷红外热成像技术的发展与成熟，晶圆级封装非制冷型红外探测器推动了设备的小型化、低成本和高可靠性不断提升，红外产品的应用场景持续增加。目前公司已与人工智能、物联网、智慧安防、智能家居等行业巨头企业展开深层次合作，未来将持续探索红外热成像技术在各个领域的应用。

这里解释一下，制冷型红外热成像仪工作需要制冷机降温，检测灵敏度和精度更高，误差更小，检测温度范围更广；而非制冷型红外热成像仪的非均匀性对测量误差影响较大。当然，制冷型价格也很高昂。

2021年10月，以红外成像为主的光电IDM企业睿创微纳在投资者互动平台表示，上半年15μm 640×512长波二类超晶格制冷型红外焦平面探测器芯片设计验证测试正有序推进。产品可用于特种装备，满足远距离探测与识别、低成本化等需求。在首款8μm 1920×1080非制冷红外探测器基础上研制的全高清成像机芯模组已完成工程验证。

该产品能够满足高端产品大视场、远距离探测与识别、轻量化的需求。另外，面向车规级红外热像仪市场，公司开发了多系列多款产品，覆盖前装市场、特种车辆后装市场以及自动驾驶应用市场，可满足主机厂、Tier1以及自动驾驶解决方案商对汽车红外夜视产品的差异化需求，具体应用车厂或车型并未透露。

除了上市公司，还有一些有特色的公司也在从事化合物半导体材料与光电器件的研发和生产。例如超晶科技，经过几年的努力，2020年公司在浙江宁波建立了一个完整的二类超晶格探测器产业化制造基地，占地2000平方米，涵盖从材料设计、外延、芯片研制、器件封装到产品测试的IDM产业链。

其推出的中波3.2μm红外成像芯片主要应用于工业气体、甲烷天然气泄漏检测，中波3.7μm芯片和国际水平相当。长波7.7μm两款规格芯片，目前已在局部试用。长波10.3μm芯片是为电力行业专门设计的，主要探测六氟化硫气体泄漏，以防止巡检员吸入造成昏迷。此前，这样的芯片全世界只有一家公司能做。

从超远距离探测器效果可以看到，中波3.75μm探测器用50mm镜头可以探测5km，甚至12km的塔和山体轮廓也清晰可见；500mm镜头探测有效距离达25km，可以在监视器上看到电塔和电线。其中波探测器，包括锑化铟、碲镉汞的水平已和国际上高端二类超晶格比肩。

据某初创公司介绍，通过实现技术闭环，已将材料外延到芯片测试时间控制在10-15天，可以实现非常高效的芯片迭代；建立的超晶格材料数据库可以实现和材料外延厂商的互动设计，提高芯片研发效率，同时大幅降低芯片研发成本。

▎高端芯片有待突破

红外热像仪主要用于测温、测距和制导，广泛应用于军事及民用领域。疫情常态化加上长期军民两用的需求，红外行业正在快速成长。

目前，国内红外热像仪生产厂商使用的探测器大部分从国外进口，而一些高端芯片限制对中国出口，供货困难。

为了解决卡脖子问题，国内一些探测器研究机构，如昆明物理研究所、中国电子科技集团第11研究所、中国科学院上海技术物理研究所等，也包括一些企业已经开始研制并试生产较高端的红外成像芯片和成品探测器，但在成品率、稳定性、性价比等方面还有待提升。

2022年，民用市场、工业检测、电力行业检测领域规模化将继续发展，国防领域的中波高温器件领域也有望实现突破，将进一步巩固在全球红外成像领域的市场表现。