1、 请务必仔细阅读本报告最后部分的重要法律声明请务必仔细阅读本报告最后部分的重要法律声明 Table_Rank 评级： 看好 Table_Authors 曲小溪 首席分析师 SAC 执证编号：S0110521080001 电话：010-8115 2676 郭祥祥 研究助理 电话：010-8115 2675 Table_Chart 市场指数走势（最近 1 年） 资料来源：聚源数据 相关研究 Table_OtherReport 关注年报与一季报业绩表现 练兵备战装备需求提速，业绩释放板块配置价值高 航发动力航空发动机主业营收增长21.9% 核心观点 Table_Summary 红外探测器是军工电子的
2、核心元器件红外探测器是军工电子的核心元器件。 红外探测器可探测物体发射的红外辐射信号， 使得在无可见光或有障碍物遮挡的条件下识别目标成为可能。红外探测器的这一特点使其在作战领域有着重要的意义，其诞生包括后续的不断发展都离不开军用需求的强大催化效应。 在近代的多场现代化战争中，红外探测装备表现出了令人惊叹的作战能力。红外精确制导武器，可在远距离精确摧毁敌方关键军用基础设施，配有单兵红外装备武器的士兵作战能力大幅提升。 当前世界各军事强国都格外重视红外武器装备的研制，红外探测器作为红外武器装备的基础元器件，在军工电子领域占据核心地位。 练兵备战、练兵备战、武器装备现代化武器装备现代化离不开离不开红
3、外武器装备量的支撑。红外武器装备量的支撑。练兵活动中不可避免地消耗大量的武器装备， 红外精确制导导弹作为现代化战争的关键武器， 将被大量用于练兵活动中。 由于该种武器装备的不可回收性，其需求将在很长的一段时间内保持增长态势。 备战活动及建设世界一流现代化军队则需进一步提升先进红外武器装备占比，当前陆、海、空三军红外装备比例及先进程度相比美军还较为落后， 未来我国军用红外装备具备巨大的增长空间。 民用领域的潜在市场被不断挖掘，民用领域的潜在市场被不断挖掘，需求有望持续保持高速增长态势。需求有望持续保持高速增长态势。红外探测器诞生之初被用于军用领域， 随着成本的不断下降在民用领域的应用越来越广泛。
4、 民用红外探测器最早得到广泛应用的是对成本容忍度较高电力监测领域， 后来由于规模生产、 封装方式改变带来的价格下降，在安防监控、 户外、 工业监测、 无人驾驶等领域快速渗透。 根据 Maxtech International 及北京欧立信咨询中心的数据，2023 年全球民用红外市场规模将达到 74.65 亿美元，其增速超过军用市场。 国内红外探测器供应商技术实力不断提升、国内红外探测器供应商技术实力不断提升、 快速抢占全球市场份额快速抢占全球市场份额。在国产化替代以实现关键领域自主可控、 民参军以保证武器装备的正常供给的形势下，国内红外设备生产企业快速发展，其技术实力和经营业绩不断向好。当前全
5、球前十大红外热像仪供应商中中国厂商占据四席，中国厂商占据的全球市场份额超过四成，仅次于美国。 投资建议投资建议：我们认为十四五期间，练兵备战和建设世界一流现代化军队促使武器装备带量采购的逻辑不变， 红外军事武器装备需求将持续保持高速增长态势。在民用领域，随着晶圆级封装技术带来的成本下降，其下游市场将迎来爆发式增长。推荐关注：高德红外，国内唯一一家拥有非制冷型、碲镉汞和类超晶格制冷型红外核心器件批产线的公司，公司在军品竞标中保持着很高的中标率，产品得到军方的认可，充分受益于下游军品需求增长；睿创微纳，非制冷领域领军企业，公司具备全产业链生产能力，兼具性能和价格优势，产品在国际上口碑优良，国内、国
6、外销量两旺。 风险提示：风险提示：军品交付不及预期，民品市场拓展缓慢。 -0.500.56-May16-Jul25-Sep5-Dec14-Feb26-Apr国防军工沪深300 Table_Title 红外之眼、军工电子的明珠红外探测器 国防军工 | 行业深度报告 | 2022.05.05 每日免费获取报告1、每日微信群内分享7+最新重磅报告；2、每日分享当日华尔街日报、金融时报；3、每周分享经济学人4、行研报告均为公开版，权利归原作者所有，起点财经仅分发做内部学习。扫一扫二维码关注公号回复：研究报告加入“起点财经”微信群。 行业行业深度报告深度报告 证券研究报告证券研究报告 请务必仔细阅读本报
7、告最后部分的重要法律声明请务必仔细阅读本报告最后部分的重要法律声明 目录目录 1 红外探测器是军工电子的核心元器件红外探测器是军工电子的核心元器件. 1 1.1 红外线的特点及红外波段的划分 . 1 1.2 红外探测器及其工作原理 . 1 1.3 红外探测器的分类 . 2 1.4 红外探测器的关键性能指标 . 9 1.5 红外探测领域的基础产品 . 10 2 红外探测产品的应用领域和市场规模红外探测产品的应用领域和市场规模. 11 2.1 练兵备战及武器装备现代化推动军用红外探测产品需求快速增长 . 11 2.2 民用领域红外产品增速高，成本下降带来应用领域的拓宽 . 16 3 红外行业的发展
8、趋势和竞争格局红外行业的发展趋势和竞争格局. 21 3.1 国产化替代、自主可控将是最需解决的技术问题 . 21 3.2 超大规模、小型化、多色、高温工作是制冷型探测器的发展方向 . 21 3.3 晶圆级封装将大幅降低非制冷型探测器成本并拓宽其应用领域 . 23 3.4 红外行业的竞争格局：FLIR 一家独大，中国厂商紧随其后 . 25 4 国内主要红外产品供应商国内主要红外产品供应商 . 27 4.1 高德红外：制冷与非制冷兼顾，武器装备资质最全 . 27 4.2 睿创微纳：非制冷领域王者，产品在国际上有良好的口碑 . 29 4.3 大立科技：非晶硅非制冷型探测器领军企业 . 31 4.4
9、富吉瑞：成像电路及光学镜头方案解决专家 . 33 4.5 久之洋：立足红外产业链中游，红外图像处理优势明显 . 34 5 风险提示风险提示 . 35 插图目录 图 1 自然光分类 . 1 图 2 海平面上 2 公里路程的红外线大气透过率 . 1 图 3 红外探测器芯片结构 . 2 图 4 制冷型红外探测器结构 . 2 图 5 携带整体式斯特林制冷机的红外探测器 . 3 图 6 携带分置式斯特林制冷机的红外探测器 . 3 图 7 脉管制冷机 . 3 图 8 JT 制冷机 . 3 图 9 高德红外碲镉汞探测器 . 4 图 10 高德红外碲镉汞探测器成像效果 . 4 图 11 GCS 公司生产的直径
10、 150mm 的锑化铟材料晶片 . 4 图 12 CMCEC 公司 2K2K 锑化铟探测器成像效果 . 4 图 13 量子阱红外探测器的工作原理示意图 . 5 图 14 320256 量子阱红外探测器成像效果 . 5 图 15 高德红外类超晶格红外探测器 . 6 图 16 高德红外类超晶格红外探测器成像图 . 6 图 17 量子点探测器材料结构及工作原理示意图 . 6 图 18 量子点在 AFM 下的形貌 . 6 oPsMqNpMsMoMmOtPtQsPsQ6MaObRsQpPtRtRkPoOsPkPmMvNbRnMsNuOnNrRuOoMmM 行业行业深度报告深度报告 证券研究报告证券研究报
11、告 请务必仔细阅读本报告最后部分的重要法律声明请务必仔细阅读本报告最后部分的重要法律声明 图 19 实现小像元面积高填充系数的原理图 . 8 图 20 雷神公司 640480 像元氧化钒探测器成像 . 8 图 21 非晶硅探测器微桥桥腿桥柱和氧化钒的差异 . 9 图 22 大立科技像元间距为 17 微米的非晶硅探测器 . 9 图 23 制冷型探测器响应率和波长的关系 . 9 图 24 Lynred 生产的制冷型红外探测器 . 10 图 25 Lynred 生产的非制冷型红外探测器 . 10 图 26 制冷型机芯组件 . 10 图 27 非制冷型机芯组件 . 10 图 28 制冷型红外热像仪结构
12、 . 11 图 29 非制冷红外热像仪 . 11 图 30 2014-2023 年全球军用红外市场规模及预测（亿美元） . 11 图 31 2018-2022 年我国国防支出预算及增速（亿元） . 12 图 32 单兵手持热像仪 . 12 图 33 冲锋枪热瞄准设备 . 13 图 34 无后坐力炮热瞄准设备 . 13 图 35 美国 M1 主战坦克上面的红外夜视仪 . 13 图 36 美国 F/A-18“大黄蜂”战机机翼下的 FLIR 吊舱 . 14 图 37 苏-27 的 IRST 装置 . 14 图 38 各国战机数量 . 14 图 39 舰载红外搜索和跟踪设备 . 15 图 40 中国长
13、剑-100 陆基巡航导弹 . 16 图 41 美国标准 3 号海基红外防空导弹 . 16 图 42 2014-2023 年全球民用红外市场规模及预测（亿美元） . 17 图 43 红外探测器在电力监测领域的应用 . 17 图 44 红外探测器在安防监控领域的应用 . 18 图 45 红外探测器在户外运动中观察到的野生动物图像 . 18 图 46 红外探测器在汽车自动驾驶领域中的应用 . 19 图 47 红外探测器在消防领域中的应用 . 20 图 48 红外探测器在工业监测领域的应用 . 20 图 49 中国电子科技集团公司第十一研究所研制的 2.7K2.7K 红外探测器成像效果 . 22 图
14、50 640512 小型化红外探测器组件及其成像效果图 . 22 图 51 碲镉汞中、长波双色红外探测器对人脸的成像结果 . 23 图 52 AIM 公司 20m、640512 规格高温工作红外探测器组件成像效果 . 23 图 53 晶圆级封装 12801024 非制冷红外探测器模组 . 24 图 54 晶圆级封装 12801024 非制冷红外探测器成像效果 . 24 图 55 8m 19201080 红外探测器 . 25 图 56 8m 19201080 红外探测器成像效果 . 25 图 57 “猎鹰”处理器芯片 . 25 图 58 2020 年全球红外热成像仪市场出货量 TOP10 . 2
15、6 图 59 2020 年全球红外热成像仪行业区域结构 . 26 图 60 2020 年全球民用红外成像行业细分应用领域占比 . 27 图 61 高德红外 2017 年-2021 年营收（亿元）及增速 . 29 图 62 高德红外 2017 年-2021 年归母净利润（亿元）及增速 . 29 图 63 睿创微纳 2017 年-2021 年营收（亿元）及增速 . 31 行业行业深度报告深度报告 证券研究报告证券研究报告 请务必仔细阅读本报告最后部分的重要法律声明请务必仔细阅读本报告最后部分的重要法律声明 图 64 睿创微纳 2017 年-2021 年归母净利润（亿元）及增速 . 31 图 65
16、大立科技 2017 年-2021 年营收（亿元）及增速 . 33 图 66 大立科技 2017 年-2021 年归母净利润（亿元）及增速 . 33 图 67 富吉瑞 2017 年-2021 年营收（亿元）及增速 . 34 图 68 富吉瑞 2017 年-2021 年归母净利润（百万元） . 34 图 69 久之洋 2017 年-2021 年营收（亿元）及增速 . 35 图 70 久之洋 2017 年-2021 年归母净利润（亿元）及增速 . 35 表格目录 表 1 制冷型红外探测器敏感材料对比 . 6 表 2 非制冷型红外探测器敏感材料对比 . 9 表 3 最近几次局部冲突和战争中使用的红外精
17、确制导武器情况 . 15 表 4 红外探测器三种封装技术对比 . 24 表 5 中国主要红外企业业务对比情况 . 26 表 6 高德红外在元器件领域的核心技术 . 28 表 7 睿创微纳的核心竞争优势 . 30 表 8 大立科技的核心竞争优势 . 32 表 9 富吉瑞的核心竞争优势 . 33 表 10 久之洋的核心竞争优势 . 34 行业行业深度报告深度报告 证券研究报告证券研究报告 请务必仔细阅读本报告最后部分的重要法律声明请务必仔细阅读本报告最后部分的重要法律声明 1 1 红外探测器是军工电子的核心元器件红外探测器是军工电子的核心元器件 1.1 红外线红外线的特点及红外波段的划分的特点及红
18、外波段的划分 自然界的光线按照波长由短到长大致可以分为 X 光、紫外线、可见光、红外线、微波等。其中红外线的波长范围在 0.75m-1000m 之间，区别于其他波长的光，红外线的发射不需要特定的发射源。 自然界中所有温度高于绝对零度的物体都在无时无刻地自发地向外辐射红外线。红外线的这一特点，催生了红外探测技术发展。 图 1 自然光分类 资料来源：高德红外官网，首创证券 根据红外光谱可以将红外线分为近红外波段、中红外波段和远红外波段，对应的波长范围分别为 1m-3m、3m-40m、40m-1000m。在红外探测领域，一般按照红外线大气透射情况将红外线分为近红外波段、短波红外波段、中波红外波段和长
19、波红外波段，对应的波长范围分别为 1.1m-2.5m、3m-5m、8m-14m。波长在这些波段以外的红外线大都被大气吸收或散射，很难被探测器识别，因此红外探测器的红外响应波段和红外线大气透射波段相吻合。 图 2 海平面上 2 公里路程的红外线大气透过率 资料来源：刘辉红外光电测量原理 ，首创证券 1.2 红外红外探测器及其工作原理探测器及其工作原理 用于探测物体红外辐射信号的电子元件被称为红外探测器。 探测器的核心组成部分为探测器芯片，探测器芯片由 MEMS 传感器和 CMOS 读出电路构成。 MEMS 传感器用来接收物体的红外辐射并产生响应信号，CMOS 读出电路芯片接收 MEMS 传感器的
20、响应信号，并将其处理为可被后端成像电路识别的电信号。MEMS的材料不同，接收红外辐射后产生的响应信号也不同。常见的 MEMS 材料有两大类， 行业行业深度报告深度报告 证券研究报告证券研究报告 请务必仔细阅读本报告最后部分的重要法律声明请务必仔细阅读本报告最后部分的重要法律声明 2 一类是以氧化钒、非晶硅为代表的常温工作材料，另一类是以碲镉汞、锑化铟、二类超晶格为代表的低温工作材料。常温工作材料主要利用红外辐射的热效应进行工作，接收红外辐射后材料的电阻率会改变而产生电信号。低温工作材料依据光电效应工作，材料接收红外辐射后产生光生载流子而产生电信号。 图 3 红外探测器芯片结构 资料来源：睿创微
21、纳招股说明书，首创证券 1.3 红外红外探测器的分类探测器的分类 1.3.1 制冷型红外探测器制冷型红外探测器：碲镉汞使用最为广泛，二类超晶格是未来的发展方向：碲镉汞使用最为广泛，二类超晶格是未来的发展方向 制冷型红外探测器的 MEMS 传感器材料为低温工作材料，工作原理是依据红外辐射产生的光电效应。这类探测器的工作灵敏度很高，多用于军用高端装备领域和航天探测系统。由于探测器工作时需要低温环境（70K-200K） ，该类探测器通常配有小型低温制冷机，另外为了减少冷量损失，还设计有真空杜瓦结构，因此该类探测器的体积、重量相对较大。 图 4 制冷型红外探测器结构 资料来源：高德红外官网，首创证券
22、制冷型红外探测器整体结构主要受所配备的制冷机影响， 目前红外探测领域常见的制冷机类型主要有斯特林制冷机、JT 制冷机和脉管制冷机。 斯特林制冷机是应用最为广泛的红外探测器冷却设备之一。 工作原理基于斯特林制 行业行业深度报告深度报告 证券研究报告证券研究报告 请务必仔细阅读本报告最后部分的重要法律声明请务必仔细阅读本报告最后部分的重要法律声明 3 冷循环，气体在绝热膨胀过程中对外做功，自身温度降低实现制冷。斯特林制冷机具有结构紧凑、工作温度范围宽、启动快、效率高、操作简单等优点，被广泛的应用于航天探测、精确制导、红外侦察等领域。斯特林制冷机按照其结构特点可以分为整体式斯特林制冷机和分置式斯特林
23、制冷机。2021 年成功着陆火星的“天问一号”探测器的矿物光谱分析仪搭载了微型斯特林制冷机。 JT 制冷机作时需要携带高压气瓶， 高压气瓶为制冷机提供高压气源， 气体节流过程中温度下降，实现对探测器的冷却。相比其他制冷机，JT 制冷机最大的特点是不需要电力驱动，因此其结构简单、紧凑。另外其启动时间也远快于其他类型的制冷机，甚至可以在数秒内达到制冷温度，常被用于精确制导领域。美国的标枪反坦克导弹、俄罗斯的R73 空空导弹、国产的 PL-9C 空空导弹均采用 JT 制冷机作为红外冷却设备。 脉管制冷机一端封闭，另一端连接蓄冷器和冷端换热器。当高压气体进入脉管时，由于压缩而在脉管中形成温度梯度，封闭
24、端温度最高，压缩热被冷却水带走。在高压气体被抽真空时，在脉管的出口端形成低温制冷区。脉管制冷机冷端无运动部件，可以到达极低的制冷温度，常被用于航天领域的探测器组件。国内 2018 年发射的高分五号卫星搭载的甚高光谱红外光谱仪采用的制冷机为脉管制冷机。 图 5 携带整体式斯特林制冷机的红外探测器 图 6 携带分置式斯特林制冷机的红外探测器 资料来源：中电科光电科技有限公司官网，首创证券 资料来源：中电科光电科技有限公司官网，首创证券 图 7 脉管制冷机 图 8 JT 制冷机 资料来源：中科力函官网，首创证券 资料来源：宇航探索局，首创证券 制冷型红外探测器按照 MEMS 传感器材料的不同可细分为
25、碲镉汞探测器、锑化铟探测器、量子阱探测器、二类超晶格探测器和量子点探测器。其中，碲镉汞探测器和锑化铟探测器已经非常成熟，使用最为广泛。 碲镉汞红外探测器是使用最为广泛的制冷型红外探测器之一， 其红外半导体材料为碲镉汞（Hg1-xCdxTe） ，通过调节 Cd 组分变化，波长可完全覆盖短波、中波、长波和甚长波等整个红外波段。碲镉汞材料的优点是电子有效质量小而本征载流子浓度低，吸收系数大，量子效率高，因而制成的探测器噪声低，探测率高。缺点是碲、镉、汞三种材料是通过离子键结合的方式连接的，其相互作用力小。构成元素汞非常不稳定，容易从碲镉汞材料中逸出从而造成材料的缺陷、材料的不均匀以及器件性能的不均匀
26、，这是碲 行业行业深度报告深度报告 证券研究报告证券研究报告 请务必仔细阅读本报告最后部分的重要法律声明请务必仔细阅读本报告最后部分的重要法律声明 4 镉汞材料固有的问题，在长波应用时尤其突出。碲镉汞红外探测器另外一个主要问题是碲镉汞薄膜材料生长的外延衬底问题，与碲镉汞晶格匹配的衬底是碲锌镉衬底，但目前市售的碲锌镉衬底最大直径大约为 90mm，而且成本昂贵。欲获得更大尺寸的衬底和碲镉汞材料，必须考虑替代衬底以及晶格不匹配带来的质量问题，对于长波红外探测器而言，替代衬底上生长的长波碲镉汞材料质量仍然需要进一步改进和提高。 图 9 高德红外碲镉汞探测器 图 10 高德红外碲镉汞探测器成像效果 资料
27、来源：高德红外官网，首创证券 资料来源：高德红外官网，首创证券 锑化铟探测器属于本征吸收，其材料量子效率和响应率极高。因此，它可以实现极高的热灵敏度和极好的图像质量，目前已成为最重要的中波红外探测器之一。锑化铟探测器经历了从单元、多元迅速发展到一维线列和二维面阵的过程，并且正朝着新一代超大规模红外焦平面阵列器件（低成本、小型化、数字化、智能化和高集化等）的方向发展。锑化铟红外焦平面探测器的发展有利地促进了红外技术应用的发展，使红外武器装备性能有了大幅的提高。目前已广泛应用于精确制导、搜索跟踪、侦察和光电对抗等军事系统，成为光电领域武器系统的重要组成部分。 锑化铟材料最早报道于 1952 年 W
28、elker 的研究。由于锑化铟材料独特的性质和广阔的应用前景，西方发达国家对该材料进行了大量的研究，开发了水平区熔法、垂直布里奇曼法、垂直梯度凝固法、移动加热器法以及切克劳斯基法等多种方法，甚至在磁场和微重力等环境下开展了锑化铟材料生长实验，获得了大量的研究成果，使得锑化铟晶体生长技术实现了飞速的发展。近年来，加拿大、美国和英国等发达国家已经开发出了完善的晶体生长及晶片加工技术，未来他们朝着更大尺寸以及更低成本的目标发展。国际上锑化铟材料的供应商包括美国的 Galaxy Compound Semiconductors（下称 GCS） 、加拿大的 Firebird 公司和英国的 Wafer Te
29、chnology 公司等。GCS 公司和 Firebird 公司已经实现了 5 英寸锑化铟晶片的产品化，并且正在开展 6 英寸、8 英寸等更大尺寸锑化铟材料的商业化研究。锑化铟材料的快速发展为推动大规格、高性能、低成本的新一代锑化铟焦平面探测器的发展奠定了良好的基础。 图 11 GCS 公司生产的直径 150mm 的锑化铟材料晶片 图 12 CMCEC 公司 2K2K 锑化铟探测器成像效果 资料来源：柏伟锑化铟红外焦平面探测器发展现状 ，首创证券 资料来源：柏伟锑化铟红外焦平面探测器发展现状 ，首创证券 行业行业深度报告深度报告 证券研究报告证券研究报告 请务必仔细阅读本报告最后部分的重要法律
30、声明请务必仔细阅读本报告最后部分的重要法律声明 5 量子阱红外探测器的名称来源于其构成材料在能带结构上构成的电子或空穴势阱。外来光子引起的电子或空穴跃迁属于子带间跃迁， 在外加电场的作用下载流子被收集形成光电流。 目前已经获得稳定生产并广泛应用的量子阱红外探测器主要是 GaAs/AlGaAs量子阱红外探测器。构成元素 Ga、As 与 Al、As 之间是共价键结合，互作用力大，材料牢固稳定，可耐受天基高能离子辐射，适于制备天基红外探测器。通过改变材料组分、厚度可方便地调节势阱内的能级位置， 器件响应波长从中波 3m 到甚长波 30m 连续可调，按照理论计算，量子阱探测器能够响应长至 200 多微
31、米的太赫兹波段。量子阱红外探测器工艺成熟，大面阵器件性能均匀、稳定，适于产业化。 与碲镉汞长波红外探测器相比， 量子阱长波红外探测器突出的优势就是大面积量子阱材料均匀性好，制备的长波红外探测器均匀性好、成品率高、可靠性好，经过后续读出电路简单的处理，即能获得非常均匀的成像画面。 量子阱红外探测器存在的不足之处来源于量子阱红外探测器的工作方式， 因为是子带间跃迁，导带基态的载流子完全靠外部掺杂提供，通常其数量级最多为 1018 cm3-1019cm3，与价带提供的电子相比，数量级差 3-4 个量级。另外，由于跃迁矩阵元的选择定则，只有平行于表面的入射光才能被量子阱材料吸收，以上两个原因导致了量子
32、阱红外探测器量子效率低，约为 8%，远远小于碲镉汞材料，因此在相同的积分时间和光学系统条件下，量子阱长波红外探测器性能比碲镉汞长波红外探测器低。量子阱红外探测器存在的另外一个问题是，为了降低暗电流获得较好的器件性能，量子阱红外探测器通常在较低的温度下工作，工作温度一般在 65K73K 范围，导致的问题是提高了制冷要求，相应地增加了系统的功耗、降低了制冷机的寿命。 图 13 量子阱红外探测器的工作原理示意图 图 14 320256 量子阱红外探测器成像效果 资料来源：红外芯闻，首创证券 资料来源：红外芯闻，首创证券 类超晶格红外探测器的代表材料为 InAs/GaSb。它出现正好克服了碲镉汞和量子
33、阱红外探测器存在的问题，同时具备两者的优势，即具有超越碲镉汞的性能和量子阱红外探测器的产业化优势，成为被国际上看好的第三代红外探测器的最佳选择之一。 与碲镉汞材料相比，类超晶格材料的优势体现在以下几方面：第一，类超晶格材料的电子有效质量大， 在长波范围约为碲镉汞的 3 倍， 尤其在甚长波， 随着波长增长，碲镉汞的电子有效质量变小，而类超晶格材料的电子有效质量却不变。由此决定了类超晶格探测器带间隧穿电流小，器件暗电流小。第二，通过应变对能带结构的调节作用，能有效降低俄歇复合，提高载流子有效寿命，提高器件性能。第三，基于-族材料生长方式，采用先进的 MBE 薄膜材料生长系统进行材料生长，衬底采用晶
34、格匹配的GaSb 衬底，能够生长大面积均匀性好的类超晶格红外探测器材料，包括长波红外探测材料；第四，类超晶格材料构成元素之间化学键强，材料稳定性好，对工艺的要求大大降低，器件产业化优势明显，成本可望大大低于碲镉汞红外探测器。 与量子阱红外探测器相比， 类超晶格探测器的优势在于通过类似于带间吸收的光学吸收机制，类超晶格材料可获得高的量子效率，目前报道的量子效率最高可达到81%；另外，能够吸收垂直材料表面的入射光，在器件工艺上不需要制备光栅。器件隧穿电流小、暗电流小，可在高温工作。在理论和实验两方面，类超晶格都显示了其优越的器件性能，作为新一代光电材料和器件，具有巨大的发展潜力和应用前景。 行业行
35、业深度报告深度报告 证券研究报告证券研究报告 请务必仔细阅读本报告最后部分的重要法律声明请务必仔细阅读本报告最后部分的重要法律声明 6 图 15 高德红外类超晶格红外探测器 图 16 高德红外类超晶格红外探测器成像图 资料来源：高德红外官网，首创证券 资料来源：高德红外官网，首创证券 量子点红外探测器（QDIPs）于 1998 年首次被 Phillips 等人论证，量子点红外探测器从结构和原理上都类似于量子阱红外探测器，只是量子阱被量子点取代，在全部空间方向上都有尺寸的限制。 量子点红外探测器的工作原理正是利用量子点的三维量子限制效应，当量子点束缚态内的电子受到光激发后，在外加偏置压形成的电场
36、作用下，电子将被收集形成光电流。 量子点红外探测器具有很多的理论优势。首先，量子点对电子有三维限制效应，可以响应垂直入射光；其次，量子点的有效载流子寿命更长，具有更长的电子弛豫时间，光激发电子更容易被收集形成光电流，利于响应率和增益的提高；再者，量子点红外探测器的暗电流小，可以达到高的工作温度、高的响应率和探测率。 量子点红外探测器的实际性能和预期有较大差距。 这主要是因为单层量子点的密度低，吸收效率不高，量子点外延生长过程中应力的积累限制了量子点的周期数，并且外延生长的量子点尺寸、成分、掺杂的不均匀性都降低了量子点层的吸收系数，因此量子点红外探测器的量子效率低于预期理论值。 图 17 量子点
37、探测器材料结构及工作原理示意图 图 18 量子点在 AFM 下的形貌 资料来源：量子点红外探测器的研究进展，首创证券 资料来源：量子点红外探测器的研究进展，首创证券 表 1 制冷型红外探测器敏感材料对比 敏感材料敏感材料 技术特点技术特点 碲镉汞碲镉汞 通过改变镉的组份，可以精确控制碲镉汞材料的禁带宽度，覆盖短波、中波和长波红外。但是由于微小的组分偏差就会引起很大的带隙变化，其材料的稳定性、抗辐射特性和均匀性都相对较差，所以成品率较低，成本非常高。 锑化铟锑化铟 技术成熟，成本较低，只能用于单色制冷红外探测器，军民大量应用，尤其以红外空空导弹为多。 量子阱量子阱 生长技术成熟，并且生长面均匀，
38、受控性好；价格低廉、产量大、热稳定性高。但其结构特殊性使得正入射光无法很好地被探测器吸收，致使 行业行业深度报告深度报告 证券研究报告证券研究报告 请务必仔细阅读本报告最后部分的重要法律声明请务必仔细阅读本报告最后部分的重要法律声明 7 量子阱探测器的量子效率并不理想。 类超晶格类超晶格 拥有较高的探测灵敏度，几乎可以与碲镉汞相媲美，隧穿电流和暗电流均较小，对工作温度的要求相对宽松。 量子点量子点 可以响应垂直入射光， 暗电流小，可以达到高的工作温度、高的响应率和探测率。但量子点层的吸收系数小，量子效率低于预期理论值 资料来源：高德红外招股说明书，首创证券 1.3.2 非制冷型红外探测器非制冷
39、型红外探测器：氧化钒：氧化钒探测灵敏度更高，已成为主流路线探测灵敏度更高，已成为主流路线 自 1930 年以来，制冷型探测器一直占据着红外探测器发展的主导地位。然而，制冷型探测器所需的低温制冷不但使得探测器价格昂贵， 也使得系统体积增大、 使用不便。非制冷红外焦平面探测器无需制冷装置， 能够在室温状态下工作， 具有体积小、 质量轻、功耗小、寿命长、成本低、启动快等优点。虽然在灵敏度上不如制冷型红外焦平面探测器， 但非制冷焦平面探测器性能已可满足部分军事装备以及绝大多数民用技术领域的技术需要。 目前，非制冷红外探测器的生产数量要远远超过制冷型探测器，主要是其民用市场需求量大，另外还可以满足部分军
40、用市场的需求。非制冷红外探测器按照 MEMS 传感器材料的不同可以分为氧化钒红外探测器和非晶硅红外探测器。 氧化钒红外探测器是非制冷领域应用最为广泛的探测器。 其红外半导体材料为氧化钒（VOx） ，该材料的电阻温度系数较高，为 2%-3%/K，由于其阻值随温度变化幅度较大，因此灵敏度较高。 早在 20 世纪 80 年代，美国的 Honeywell 公司在军方的资助下，开始研究氧化钒薄膜， 并于 20 世纪 80 年代末研制出非制冷氧化钒微测辐射热计红外焦平面阵列。 在 1993年就报道了 320240 像素的微测热辐射红外焦平面阵列，其像元尺寸为 50m50m，噪声等效温差（NETD）为 10
41、0mK。 Honeywell 公司将这种原创技术授权给了美国的几家公司，用于发展和生成商业及军用非制冷焦平面。1994 年，美国 DRS 公司获得 Honeywell 技术许可。两年后，DRS发明了“伞状”像元结构专利， “伞状”结构由吸收介质薄膜构成，与下面的绝缘体一起可以使辐射吸收量最大化。其“伞状”结构可以调节从而对其热道和热容进行控制，使工作波段的红外吸收得到最大，实现最佳响应度和响应时间。 美国雷声视觉系统（RVS） 在 1999 年的研究表明，延长支撑腿的长度是提高灵敏度的有效方法之一，并在此基础上对像元结构进行了一些改进，开发了一种多层微幅射热计像元结构，将热绝缘支撑腿和 VOx
42、 测辐射热计放置在不同的水平面上。 2004 年， 日本 NEC 提出了一种带有屋檐结构的改进像元结构。 该像元是三层结构，最上层是采用 SiN 制成的屋檐结构，VOx 测辐射热计薄膜、隔膜以及制成位于中间层。最下层是一个反射层，与处于中间层的隔膜形成光学谐振吸收器。 其他西方国家也紧随其后，相继研发出结构类似性能相当的红外焦平面探测器。这些公司在上付出了大量的努力， 通过减小像元尺寸， 增加表面吸收以及改进 CMOS 的读出，使得 Vox 微测辐射热计在诸多方面的应用成为可能。目前，红外公司都致力于提高像元规模的研究， 一些公司也设法降低像元之间的间距并且利用双层桥式结构来实现大规模焦平面阵
43、列，这些氧化钒探测器甚至表现出了接近制冷型红外探测器的优异性能。 氧化钒的主要缺点是它不兼容标准的 CMOS 工艺生产线，需要有单独的 CMOS 工艺生产线，以防止 CMOS 生产线的污染。 行业行业深度报告深度报告 证券研究报告证券研究报告 请务必仔细阅读本报告最后部分的重要法律声明请务必仔细阅读本报告最后部分的重要法律声明 8 图 19 实现小像元面积高填充系数的原理图 图 20 雷神公司 640480 像元氧化钒探测器成像 资料来源：王彬高灵敏氧化钒非制冷红外探测器研究 ，首创证券 资料来源：王彬高灵敏氧化钒非制冷红外探测器研究 ，首创证券 非晶硅红外探测器的红外半导体材料为非晶硅（a-
44、Si） ，其电阻温度系数与氧化钒相当，这种薄膜材料常采用等离子增强化学气相沉积（PECVD）制备，可实现大面积、低温（小于 350）和均匀成膜，与标准的 CMOS 电路工艺完全兼容。此外，还具有其他优点：具有良好的机械性能，可制造有自支撑结构的悬空薄膜结构，减少了光刻层数，使工艺制备简单；由于无需额外支撑层，可制成很薄（100nm）的悬浮膜片，使像元的热时间常数很小；由于具有较小的热导率，桥腿可以制成简单的型，能够保证有效的热绝缘，从而使微桥结构具有较高的占空比和机械强度，能够承受高速率振动和高强度冲击；由于采用与标准 CMOS 集成电路兼容的工艺，所制像元成功率和可操作性强，从而降低生产成本
45、，易实现大批量生产。但是，非晶硅薄膜也存在一定的不足：由于结构无定形，1/f 噪声比氧化钒高；由于室温电阻偏高， 需要掺杂和改变成膜工艺来降低薄膜电阻；由于存在光子衰退现象（SW 效应） ，需要经过特殊热处理等后处理方法来提高薄膜的稳定性。 法国非制冷红外探测器研究机构红外实验室（CEA-Leti-LIR） ，从 1992 年就开始研究非晶硅探测器，在 1998 年，研究出第一个非晶硅红外探测器原型。从 2000 年开始，Leti-LIR 与 Sofradi 公司合作开发基于非晶硅薄膜材料的红外探测器。 Leti-LIR 负责提供技术， Sofradi 下属 ULIS 公司负责产品开发， 生产
46、出了第一代 45m 像元间距的探测器。2003 年，ULIS 开发出了第二代 35m 像元间距、320240 像元规模的探测器。在 2005年，又开发出了像元间距为 25m 的第三代非晶硅红外探测器。在 2008 年，像元间距为17m 的 1024768 非晶硅探测器研制成功。 国内最早从事非晶硅红外探测器研究的是中科院长春光学精密机械研究所。 1995 年，长光所研制成低成本线列 32 元、 128 元的探测器。 目前国内批产非晶硅探测器的生产商主要是大立科技。 当前， 非晶硅红外探测器的灵敏度指标 NETD 通常为 20mK-100mK， 但是凭借其低成本和高性价比，在中、低端的军用和民用
47、市场均有着广泛的应用前景。其未来的发展趋势主要体验在以下几个方面：进一步减小像元尺寸，提高工艺兼容性，实现大规模生产，以达到缩小尺寸、降低成本的目的；提高探测器灵敏度，以低成本生产像元间距更小的高性能器件；优化热敏感膜材料的性能和微桥结构，提高探测器的吸收率和填充因子；扩展非制冷红外探测器的工作温度范围，实现对不同目标功能自动调节窗口的智能化。 行业行业深度报告深度报告 证券研究报告证券研究报告 请务必仔细阅读本报告最后部分的重要法律声明请务必仔细阅读本报告最后部分的重要法律声明 9 图 21 非晶硅探测器微桥桥腿桥柱和氧化钒的差异 图 22 大立科技像元间距为 17 微米的非晶硅探测器 资料
48、来源： 龚宇光 非晶硅微测辐射热探测器的现状与发展 ，首创证券 资料来源：大立科技官网，首创证券 随着红外技术的发展，市场对探测器的灵敏度、红外成像的清晰度要求越来越高。由于氧化钒探测器的灵敏度要高于非晶硅，目前已成为非制冷探测器领域的主流路线，氧化钒探测器占据非制冷探测器的比例近七成。 高德红外一开始致力于非晶硅路线研究和生产，但后来转为氧化钒路线。在非晶硅路线长期耕耘的大立科技在 2021 年也组建了氧化钒路线，开始生产氧化钒非制冷探测器。 表 2 非制冷型红外探测器敏感材料对比 敏感材料敏感材料 技术特点技术特点 氧化钒氧化钒 探测灵敏度和测温精度优于非晶硅，残余固定图形噪声比非晶硅小一
49、个数量级。 缺点是它不兼容标准的 CMOS 工艺生产线， 需要有单独的 CMOS 工艺生产线。国内外多数企业选择氧化钒技术路线。 非晶硅非晶硅 兼容标准的 CMOS 工艺生产线，制造成本低，更容易实现大规模生产。成像效果不如氧化钒。 资料来源：睿创微纳招股说明书，首创证券 1.4 红外红外探测器的关键性能指标探测器的关键性能指标 响应率：输出信号与输入红外辐射功率的比值。响应率越大越好。 响应波长范围：制冷型（光电型）红外探测器的响应率和入射光的波长有关。当入射波长达到p 时，探测器达到峰值响应率，随后波长继续增大，响应率会迅速下降。当响应率下降至峰值响应率一半时对应的波长定义为长波限c。一般情况下当入射波长大于长波限c 时，探测器的响应率已经较为微弱或无响应。这个特性和光电效应有关，入射光子能量只有在大于极限频率时，才能发生光电效应，而波长增加到一定程度时， 入射光频率小于极限频率， 则不会发生光电效应， 探测器无响应。 非制冷 （热敏型）红外探测器则对响应波长无选择性，对各种波长的入射光表现出的敏感度相同。一般在室温下工作，灵敏度较低，响应时间也偏长。 图 23 探测器响应率和波长的关系 资料来源：光电探测器及应用，首创证券 行业行业深度报告深度报告 证券研究报告证券研究报告 请务必仔细阅读本报告最后部分的重要法律声明请务必仔细阅读本报告最后部分的重要法律声明 10 噪声：
