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纵观制冷红外焦平面探测器近七十年的发展，其历程可分为以下三个阶段：第一阶段主要发展基于单元及线列的光机扫描型制冷红外焦平面探测器，第二阶段主要发展二维阵列凝视型制冷红外焦平面探测器，第三阶段则主要推动制冷红外焦平面探测器向高像素、高帧频、多色及高温工作方向发展。1999年，唐纳德等人提出SWaP 3 的概念，即小尺寸、轻质量、低功耗、低成本、高性能。其中，高性能是制冷红外焦平面探测器发展的核心，涵盖大视场及高空间分辨率、丰富的波段与光谱信息、高信噪比及动态范围、高帧频与响应速率四大方面，如图1-13所示。在SWaP 3 理念推动下，高性能制冷红外焦平面探测器主要朝以下几个方向发展。
图1-13 第三阶段制冷红外焦平面探测器的SWaP 3 概念
制冷红外焦平面探测器的空间分辨率直接反映影像的清晰度，是其最基本的性能指标之一。提高空间分辨率有两条途径：增大面阵规模和减小像元尺寸。随着半导体材料及芯片加工技术的进步，制冷红外焦平面探测器的分辨率从单元、线列逐步发展到几十万，甚至上百万像素级别。图1-14所示为美国Raytheon公司面阵规模的发展历程。2016年该公司碲镉汞探测器已经达到8K×8K面阵规模。
图1-14 美国Raytheon公司面阵规模的发展历程 [5]
碲锌镉是高性能碲镉汞外延不可或缺的衬底材料，早期碲镉汞红外敏感器件受限于碲锌镉衬底的单晶生长与加工能力，面阵规模难以做大，像元难以做小。随着大直径碲锌镉晶锭生长技术的突破，目前生长的晶锭直径已经突破100mm，液相外延生长应用的碲锌镉衬底的最大尺寸已经达到60×80mm 2[6] 。其研究将向大直径晶锭定向生长、更高的单晶质量（包括低缺陷密度、高组分均匀性等）及更高的加工能力（高平整度、满足小尺寸像元倒装焊需求）方面发展；同时，也对液相外延生长技术在厚度、组分一致性控制方面提出更大的挑战。
分子束外延（MBE）及金属有机气相沉积（MOCVD）外延技术的开发，以及异质衬底外延循环退火、位错过滤、台面退火等位错抑制技术的突破 [7-9] ，进一步提升了超大面阵规模红外焦平面芯片的制备能力。在异质外延方面，硅（Si）、锗（Ge）、锑化铟（InSb）、锑化镓（GaSb）及砷化镓（GaAs）等替代性衬底取代碲锌镉衬底的研究已有报道 [8,10-15] 。随着Ⅱ-Ⅴ族超晶格、量子阱等红外敏感材料生长技术的突破，具有上述大尺寸、易加工、低缺陷特点的衬底材料的外延技术拥有了更加广阔的发展前景。目前，这些衬底几乎都可以生长出4～6in的大面积单晶材料，碲镉汞分子束外延从2in、3in发展到目前的8in [16] ，并继续向更大尺寸发展。图1-15所示为美国Raytheon公司采用分子束外延（MBE）技术在6in及8in硅片上生长的碲镉汞外延。
图1-15 美国Raytheon公司采用分子束外延（MBE）技术在6in及8in硅片上生长的碲镉汞外延 [16]
在减小像元尺寸方面，高密度像元红外焦平面芯片加工技术不断突破，包括表面漏电的抑制、像元串音的控制、高密度像元与电路间的倒装焊互连技术等 [17-23] ，目前像元中心距最小已达到5μm [24,25] 。硅（Si）、锗（Ge）、砷化镓（GaAs）等衬底有成熟的加工工艺，具有更优良的平整度、更低的缺陷密度及组分一致性，可支撑高密度像元红外焦平面芯片制造技术的开发，在提高面阵规模的同时，有利于减小像元尺寸。
双色/多色制冷红外焦平面探测器提供了丰富的波段信息，增加不同波段的对比维度，能够有效抑制复杂的背景噪声，提高目标识别和反隐身光电对抗能力，尤其适用于军事领域的导弹预警、精确打击、目标侦察识别与跟踪等，可满足系统对低虚警率及高抗干扰性的迫切需求。早期的双色结构多为镶嵌式，通过在红外焦平面阵列入射方向上交错排列透过不同波段的滤色片，实现双色成像探测。随着制冷红外焦平面探测器技术向更大规模红外焦平面阵列方向发展，双色器件需实现大规模阵列红外焦平面结构及数字化，若镶嵌式占空比低，则难以实现大规模阵列的制备。叠层式工艺因具有高占空比，是目前双色制冷红外焦平面探测器最常用的模式。
美国Raytheon公司和HRL Labs公司均已推出百万像素级的大面阵双色制冷红外焦平面产品；法国Lynerd公司、英国SELEX公司和德国AIM公司也有640×512规格双色制冷红外焦平面探测器的报道。美国Raytheon公司采用分子束外延方式制备碲镉汞原位npn结构，实现了1280×720/12μm硅基异质衬底的中/长双色制冷红外焦平面探测器开发，其成像效果如图1-16 [26] 所示；HRL Labs公司采用超晶格红外材料制备技术，同样实现了1280×720/12μm中/长双色制冷红外焦平面探测器的开发。硅基及Ⅲ-Ⅴ族衬底外延技术的突破，使双色/多色制冷红外焦平面探测器在兼具高抗干扰性的同时，向着像素更高、成本更低的方向进一步迈进。
图1-16 美国Raytheon公司1280×720/12 μ m中/长双色制冷红外焦平面探测器的成像效果
高信噪比是提高目标探测能力的一项重要指标，可更精细地感知探测场景的细节，通常用噪声等效温差参数表征。
高信噪比的典型应用为甚长波制冷红外焦平面探测器。甚长波制冷红外焦平面探测器对远程弹道导弹防御具有重要作用，同时在气象监测、深空探测领域也发挥着关键作用 [27] 。波长大于14μm的甚长波的红外敏感材料的禁带宽度很窄，受到Auger-1复合机制的限制，暗电流将随着截止波长呈指数级别增长，暗电流控制难度极高。因此，甚长波制冷红外焦平面探测要求器件具备更强的暗电流控制能力及更高的信噪比。由于二类超晶格及量子阱制冷红外焦平面探测器的量子效率所限，碲镉汞材料一直是甚长波器件的首选光敏材料。汞空位及掺杂型n-on-p碲镉汞器件由于吸收层p型载流子浓度难以控制在低水平，所以对暗电流的控制能力弱于p-on-n碲镉汞器件。美国Lockheed Martin公司开发的双层组分抑制的p-on-n台面结构，能制备截止波长大于或等于17μm的甚长波器件 [28] ，In掺杂吸收层将载流子浓度控制在（2～5）×10 14 cm -3 ，可有效控制材料体漏电，同时高组分的cap层在双层钝化的基础上进一步抑制了表面漏电。该技术也是BAE公司制备大于或等于15μm的甚长波碲镉汞的主流技术 [29] 。随着超晶格制备技术的不断进步，其截止波长拓展至甚长波领域。2021年日本太空发展署（JAXA）报道了大于或等于15μm的甚长波超晶格制冷红外焦平面探测器 [30] 。
高动态范围的需求源于高对比度场景的探测，即兼顾弱信号及强信号的探测能力。提高红外探测器的动态范围可从抑制探测器暗电流和提高电荷处理能力两个方面来实现。通过单像元设计两个积分电容，采用预积分方式评估、选择适合的电容，可以提高探测器的动态范围 [31] 。在对数-线性模式电路设计中，弱信号采用线性模式，强信号采用对数模式，同样可以提高探测器的动态范围。像元级模数转换是利用数字信号实现高动态范围的有效方法，它通过将光敏电流转换为数字脉冲信号积分获得输出信号，规避了积分电容的限制，能有效提高探测器的动态范围 [32] 。法国Sofradir公司采用该方法实现了动态范围大于90dB的320×256/25μm长波制冷红外焦平面探测器的制备 [33] 。
高帧频与响应速率主要针对高速运动目标跟踪探测应用领域。高速运动目标的成像在空间与时间上快速变化，要求在极短的积分时间内对目标快速成像并输出，以获得清晰的红外成像。这对制冷红外焦平面探测器的响应时间、内部增益、输出帧频等都提出了更高要求。限制制冷红外焦平面探测器帧频提高的主要因素是对微弱信号的探测能力。常规制冷红外焦平面探测器的成像需要一定的积分时间，让入射光子积累足够强的信号以区别于噪声，因此增大光学系统孔径、抑制器件暗电流对提高制冷红外焦平面探测器的帧频有一定作用，但要获得超高帧频的制冷红外焦平面探测器，需要探测灵敏度达到几个光子的水平，目前主要通过雪崩光电二极管（APD）实现 [34] 。
从20世纪80年代开始，国外多家制冷红外焦平面探测器制造商相继进行碲镉汞APD的研究，以满足航天与军事领域的应用。DRS、SELEX、Raytheon公司、LETI等研究机构将其在碲镉汞制冷红外焦平面探测器方面取得的研究经验与成果，应用到碲镉汞APD的研发中，推动了碲镉汞APD的发展 [35-38] 。法国Frist Light Imaging公司生产的基于碲镉汞APD的照相机，读出噪声达到1个电子的水平 [35] ，具有极高的帧频与灵敏度。美国Raytheon公司依托低缺陷密度的碲镉汞材料、低噪声高增益的APD和高质量的ROIC等技术优势，制备了四种不同用途的碲镉汞APD探测器 [39,40] 。经过多年的技术研究与开发，碲镉汞APD逐步从实验演示走向实际应用，在3D成像、军事监视与观察，自主精确着陆和危险物避让及深太空天文研究等领域发挥重要作用。
高温工作的制冷红外焦平面探测器能够满足更轻质量、更低功耗、更低成本的SWaP 3 理念，在保持探测器现有性能或更好性能的前提下，减小系统的尺寸、质量、功耗及价格，并且有更长的制冷机工作寿命和更小的探测器热失配应力，还能提高系统的可靠性。高温工作的制冷红外焦平面探测器的应用领域能够拓展至手持设备、瞄具、微型无人机等微型化需求场景，在红外领域扮演着越来越重要的角色。高温工作的制冷红外焦平面探测器的优势如图1-17所示 [41] 。其关键技术路线是降低暗电流，尤其是缺陷产生的低频噪声。高质量的材料是前提条件，同时还需要掌握成熟的器件工艺技术（表面钝化、退火、刻蚀、倒装焊互连等）。法国Sofradir公司采用As离子注入的p-on-n技术路线，典型工作温度达到150K [42] 。德国AIM公司采用基于非本征Au掺杂LPE技术的n-on-p平面结工艺，典型工作温度达到160K [43] 。2011年，DARPA启动的关键红外探测器技术加速计划（Vital Infrared Sensor Technology Acceleration Program，VISTA）中，采用超晶格生长技术制备的nBn制冷红外焦平面探测器的工作温度达到150K。该技术采用了Ⅲ-Ⅴ族衬底，更有利于小型化及低成本化的发展方向。
图1-17 高温工作的制冷红外焦平面探测器的优势
随着国内外研发力量的不断投入，制冷红外焦平面探测器呈现多样性发展趋势，产生了一些使用新型的、极具特色的材料结构的器件，如PIN耗尽型碲镉汞器件、Si基BIB器件、nBn器件及APD红外器件等 [44-46] 。同时，制冷红外焦平面探测器正在由单一的传感器向多维信息融合成像的方向发展，开发人工微结构与红外探测器的片上集成技术，实现强度、相位、偏振、光谱等多维光学信息融合，即已提出的第四代制冷红外焦平面探测器的发展理念 [34] 。未来，制冷红外焦平面探测器将朝着多元化方向发展，针对不同应用场景的需求，在不断追求更高性能的同时，衡量尺寸、功能、成本等因素，融合多维信息的片上智能化功能，实现应用领域内的最优化设计。