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1970年，美国IBM实验室的Esaki和Tsu在研究微波器件的工作中提出了超晶格概念 [44] ，超晶格作为一种人工晶体材料开始进入人们的视野。他们设想的超晶格材料由两种晶格匹配良好的半导体材料周期性堆叠而成；当两种材料的厚度足够薄时，电子沿生长方向的波函数将产生交叠，从而展现区别于体材料的物理特性。1972年，用于微波器件制作的GaAs/AlGaAs超晶格材料通过分子束外延（Molecular Beam Epitaxy，MBE）技术得以实现 [45] 。1977年，IBM实验室的Halasz基于理论计算，首次提出了In 1 - x Ga x As/GaSb 1 - x Asx超晶格概念 [46] ，这被认为是超晶格红外探测器研制工作的起点。1987年，美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的Smith等人 [47] 在研究InAs/Ga x In 1 - x Sb超晶格时发现，通过调节超晶格周期结构中组元厚度和组分可以使超晶格材料覆盖很宽的波长范围，从而提出了InAs/Ga x In 1 - x Sb超晶格可用于红外探测的观点。1996年，美国加利福尼亚大学的Johnson等人 [48] 采用MBE技术在GaSb衬底上生长了双异质结的InAs/Ga x In 1 - x Sb超晶格材料，并成功制备出长波单元器件。1997年，德国弗朗霍夫研究所（IAF）的Fuchs等人 [49] 成功制作出第一个高性能InAs/GaxIn 1 - x Sb超晶格制冷红外焦平面探测器，报道了8μm截止波长的制冷红外焦平面探测器在77K条件下的探测率超过10 12 cm·Hz 1/2 ·W -1 。2004年，德国AIM公司的Cabanski等人 [50] 在国际上首次报道了256×256阵列规格的中波制冷红外焦平面探测器，其像元中心距为40μm，焦平面关键性能指标NETD低于10mK。
尽管超晶格制冷红外焦平面探测器取得了理论和实验上的成功，但其应用推广仍然存在不少问题。从制冷红外焦平面探测器性能指标要求上看，超晶格制冷红外焦平面探测器应具备良好的信噪比，即具有较高的量子效率和较低的暗电流密度。然而，超晶格材料的量子效率受材料结构设计、周期结构厚度和掺杂浓度等因素的影响极大，而暗电流密度与材料生长缺陷及器件钝化工艺密切相关。因此，超晶格材料的性能与成熟的碲镉汞材料相比，仍存在较大差距。为解决这些难题，人们围绕超晶格的量子效率提升和暗电流抑制开展了大量的工作，主要分为三个方面 [51-54] ：①设计新型材料结构，提高超晶格材料吸收系数、增大电子有效质量、调制材料电子输运等；②优化分子束外延工艺，以制备高质量超晶格材料；③开发超晶格材料侧壁钝化工艺，降低材料表面漏电。
能带结构可灵活设计是超晶格材料最显著的特征之一。在超晶格技术发展过程中，有几种重要的材料设计结构对推动超晶格材料技术发展起到了关键作用。2006年，美国海军实验室的Vurgaftman等人 [55] 提出了基于W形超晶格的梯度带隙结构，通过将pn结耗尽层设计为梯度结构，使器件因隧穿机制和产生-复合机制产生的暗电流受到极大的抑制。同年，美国兰彻斯特大学的Maimon等人 [56] 提出了nBn结构的制冷红外焦平面探测器，该结构通过引入势垒结构设计使载流子形成单极输运，可以从根本上抑制产生-复合电流和表面漏电，使器件在背景限制温度下工作。nBn结构去掉了pn结，为超晶格红外材料开发提供了一种新的设计思路。2007年，美国西北大学量子器件中心（CQD）的Nguyen等人 [57] 提出了由AlSb、GaSb、InAs、GaSb、AlSb构成的M形超晶格材料，与标准的二类超晶格材料结构相比，该结构具有更大的电子有效质量和价带间隔，可降低pn结耗尽层的扩散电流和隧穿电流。从已有的文献报道来看 [58] ，CQD基于M形结构设计的PΠMN长波超晶格材料展现了极好的器件性能，创造了多个指标纪录。2009年，美国喷气动力实验室（JPL）的Ting等人 [59] 提出补偿势垒制冷红外焦平面探测器（CBIRD）结构，该结构在InAs/GaSb吸收层两端分别插入阻挡电子和阻挡空穴的单极势垒层，制备的CBIRD长波超晶格材料具有较好的器件性能；JPL通过对CBIRD结构不断优化，系统研究了该结构的增益和噪声等特性。2011年，以色列SCD公司的Klipstein等人 [60] 提出了XBn结构的制冷红外焦平面探测器。其中，X指器件接触层，可以是金属，也可以是半导体材料，这是其区别于nBn结构之处。通过在敏感材料中插入势垒层，抑制产生-复合电流，XBn结构可使器件的暗电流极低，从而使器件工作温度提升。基于XBn结构制作的中波制冷红外焦平面探测器的工作温度可达到150K以上。
表2-6列出了超晶格基础研究发展历程中的一些重要工作，其中很多研究奠定了超晶格材料的理论和应用基础，为超晶格材料设计和器件制备提供了方法和启发。
表2-6 超晶格基础研究发展历程中的一些重要工作
续表
随着超晶格材料技术和芯片加工技术不断取得突破，基于超晶格材料的制冷红外焦平面探测器的研制工作也逐步开展。基于超晶格材料的制冷红外焦平面探测器，已经覆盖了中波、长波、中中波双色和中长双色制冷红外焦平面探测器。
2011年，美国DARPA机构组织Intelligent Epitaxy、IQE Inc.HRL Laboratory、BAE Systems、Raytheon Vision Systems（RVS）、Teledyne Imaging Scientific、FLIR Systems等行业顶尖机构启动关键制冷红外焦平面探测器技术加速（VISTA）计划，推动了二类超晶格技术飞速发展 [61] 。RVS公司作为VISTA计划的重要参与厂商，拥有完整的超晶格制冷红外焦平面探测器产品线。该公司在2017年实现了4in高温中波超晶格制冷红外焦平面探测器批量生产，并陆续报道了1280×720/12μm中波或双色、2K×2K/10μm高温中波和4K×4K/10μm高温中波等规格的超晶格制冷红外焦平面探测器，所有探测器的截止波长都超过5μm。其中，2K×2K/10μm高温中波制冷红外焦平面探测器在120K下的有效像元率为99.9%。2018年，RVS公司中标Lockheed Martin公司F-35战机分布孔径系统升级项目，标志着该公司超晶格制冷红外焦平面探测器技术成熟度已经达到批量应用级别。
在产品制造与应用领域，全球最大的制冷红外焦平面探测器产品供应商以色列SCD公司将产品技术路线由传统的锑化铟全面转向二类超晶格。2013—2015年，SCD公司先后推出了阵列规格为640×512/15μm的高温中波产品Kinglet和阵列规格为1280×1024/15μm的高温中波产品Hercules [62,63] ，标志着该公司基于超晶格技术的高温中波制冷红外焦平面探测器产品已经成熟。2016年，该公司又推出了阵列规格为640×512/15μm的超晶格长波制冷红外焦平面探测器产品Pelican-D LW [64] ，进一步完善了在超晶格产品领域的布局。在技术创新方面，该公司发明的XBN结构超晶格材料结合其先进的芯片制造工艺在高温中波制冷红外焦平面探测器产品应用中大放异彩，不断刷新制冷红外焦平面探测器技术的新纪录；2017年，推出阵列规模为1280×1024/10μm、名为Blackbird1280的高温中波制冷红外焦平面探测器 [65] ；2019年，推出名为CRANE的高温中波制冷红外焦平面探测器，刷新了两项新纪录，成为目前市面上阵列规格最大（2560×2048）、像元间距最小（5μm）的中波制冷红外焦平面探测器 [66] 。