高工作溫度探測(cè)器組件的研究進(jìn)展

據(jù)麥姆斯咨詢(xún)報(bào)道，近期，昆明物理研究所和華中科技大學(xué)聯(lián)合在《紅外與激光工程》期刊上發(fā)表了以“昆明物理研究所高溫紅外探測(cè)器組件進(jìn)展”為題的文章。文中介紹了昆明物理研究所在高工作溫度紅外探測(cè)器芯片和探測(cè)器組件方面的最新成果，對(duì)典型的MCT HOT 640中波高溫探測(cè)器組件的各項(xiàng)性能與國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品進(jìn)行了對(duì)比，在完成環(huán)境適應(yīng)性和可靠性測(cè)試后，相關(guān)產(chǎn)品即將實(shí)現(xiàn)商業(yè)量產(chǎn)。

國(guó)內(nèi)開(kāi)展高溫器件研究的單位主要有昆明物理研究所、中電科11所，中科院上海技術(shù)物理所、武漢高芯科技（高德紅外）等。中電科11所于2020年報(bào)道了其基于As離子注入p-on-n和垂直液相外延（VLPE）的p-on-n異質(zhì)結(jié)器件的研制情況，報(bào)道的探測(cè)器在120K時(shí)盲元率和NETD就發(fā)生退化。武漢高芯科技于2019年報(bào)道了其基于n-on-p技術(shù)高溫器件的研制情況，其報(bào)道產(chǎn)品能夠在125K下工作，器件響應(yīng)波長(zhǎng)在液氮溫度下可到4.8μm，125K下則降低為4.6μm。中科院上海技術(shù)物理所主要基于二類(lèi)超晶格開(kāi)展HOT組件的研制，采用帶間級(jí)聯(lián)（ICIP）結(jié)構(gòu)，具體產(chǎn)品性能未見(jiàn)文章報(bào)道。

高工作溫度探測(cè)器芯片的研究進(jìn)展

昆明物理研究所是國(guó)內(nèi)最早開(kāi)展高工作溫度紅外焦平面器件研制工作的單位。2014年，昆明物理研究所對(duì)nBn型InAs/GaSbⅡ類(lèi)超晶格器件在150K溫度工作下光電特性進(jìn)行了性能摸底，發(fā)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)在較高溫度工作的潛力。2019年，啟動(dòng)高工作溫度InAsSb焦平面探測(cè)器的研制工作，并于2019年研制出首個(gè)InAsSb高工作溫度中波紅外探測(cè)器組件樣品。該探測(cè)器組件面陣規(guī)模為640×512，像元中心距15μm，響應(yīng)截止波長(zhǎng)4.2μm（藍(lán)中波），工作溫度150K，暗電流密度約為5×10??A/cm2（@150K）、NETD約30mK，采用數(shù)字化讀出電路，綜合性能接近以色列SCD公司HOT Pelican-D組件，其在不同溫度工作下的熱成像圖如圖1所示。

圖1 昆明物理研究所2019年研制的中波InAs0.91Sb0.09焦平面探測(cè)器熱成像圖

2021年，昆明物理研究所相關(guān)團(tuán)隊(duì)對(duì)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)一步攻關(guān)，優(yōu)化工藝參數(shù)，最新研制的器件暗電流密度降低到9×10??A/cm2（@150K），NETD小于25mK，綜合性能已與以色列SCD公司HOT Pelican-D組件相當(dāng)。

圖2 昆明物理研究所2021年150K高溫工作InAs0.91Sb0.09焦平面探測(cè)器熱成像圖

昆明物理研究所在4.2μm波長(zhǎng)中波器件研制基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高中波響應(yīng)波段，在GaSb襯底上MBE生長(zhǎng)XCBn復(fù)合勢(shì)壘結(jié)構(gòu)的InAs0.83Sb0.17材料，于 2020年研制出響應(yīng)截止波長(zhǎng)4.6μm的150K工作溫度的紅外焦平面器件（紅中波）。2021年，昆明物理研究所對(duì)響應(yīng)截止波長(zhǎng)5μm的InAs0.81Sb0.19材料在150K溫度下成像進(jìn)行了性能驗(yàn)證，材料結(jié)構(gòu)及工藝參數(shù)正在持續(xù)優(yōu)化。

在推進(jìn)銻基材料高溫器件研制的同時(shí)，昆明物理研究所也開(kāi)展了基于As注入摻雜p-on-n結(jié)構(gòu)的高工作溫度碲鎘汞材料器件的研制，采用液相外延法（LPE）原位摻雜多層異質(zhì)結(jié)構(gòu)碲鎘汞薄膜結(jié)合As離子注入技術(shù)，完成了陣列規(guī)模640×512、像元中心距15μm的中波碲鎘汞高溫焦平面器件的制備。

由于Sb基銦砷銻在4.2μm截止波長(zhǎng)處晶格匹配更好，所以目前Sb基高溫器件主要是4.2μm截止的藍(lán)中波器件，當(dāng)其向5μm紅中波延伸時(shí)需要克服晶格失配帶來(lái)的影響，雖然國(guó)內(nèi)外各研發(fā)單位都在開(kāi)展相關(guān)研究工作，但在紅中波段，銦砷銻器件暗電流最好結(jié)果距離碲鎘汞P-on-N器件仍有1個(gè)數(shù)量級(jí)的差距。未來(lái)進(jìn)一步提升工作溫度時(shí)，碲鎘汞高溫器件也必須對(duì)溫升帶來(lái)的擴(kuò)散電流進(jìn)行抑制，因此，通過(guò)吸收層深度耗盡降低高溫下擴(kuò)散電流的影響是碲鎘汞高溫器件未來(lái)的主要工作之一。

高工作溫度探測(cè)器組件的研究進(jìn)展

根據(jù)高工作溫度探測(cè)器組件在單兵、無(wú)人機(jī)載平臺(tái)等的應(yīng)用需求，昆明物理研究所基于探測(cè)器組件短光軸長(zhǎng)度，低功耗、快速制冷、低成本等設(shè)計(jì)理念，于2021年為基于InAsSb材料制備的640×512中波高溫探測(cè)器芯片研發(fā)了專(zhuān)門(mén)的短冷指膨脹機(jī)、低功耗線(xiàn)性制冷機(jī)和短光軸長(zhǎng)度的封裝杜瓦，形成了InAsSb HOT IDDCA組件。該組件使用的制冷機(jī)為昆明物理研究所研制的長(zhǎng)壽命、高效率、低振動(dòng)線(xiàn)性分置式斯特林制冷機(jī)C351第一輪樣機(jī)。

圖3 昆明物理研究所InAsSb HOT IDDCA組件結(jié)構(gòu)圖

2021年，昆明物理研究所在碲鎘汞As注入摻雜p-on-n結(jié)構(gòu)探測(cè)器芯片研制取得突破后，開(kāi)展了MCT HOT 640（640×512，15μm像元中心距）中波高溫探測(cè)器組件的研發(fā)工作。設(shè)計(jì)了具有更高兼容性的短光軸長(zhǎng)度封裝杜瓦，即一款杜瓦可封裝采用模擬和數(shù)字讀出電路的2種MCT 640×512和采用數(shù)字讀出電路的MCT 1024×768共3個(gè)品種的高溫探測(cè)器芯片；為單兵平臺(tái)應(yīng)用專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)了新的低功耗讀出電路；對(duì)C351制冷機(jī)的磁路、出氣結(jié)構(gòu)、電機(jī)外引線(xiàn)、膨脹機(jī)熱力學(xué)和長(zhǎng)度進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，形成了C351工程版制冷機(jī)；開(kāi)發(fā)了低功耗制冷機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，將電路功耗降低至0.5Wdc以下。

圖4 昆明物理研究所 MCT HOT IDDCA組件結(jié)構(gòu)圖

昆明物理研究所高溫探測(cè)器組件與國(guó)外同類(lèi)型組件的對(duì)比

昆明物理研究所高工作溫度探測(cè)器組件的設(shè)計(jì)思路與國(guó)外各探測(cè)器組件研制廠(chǎng)商一致，即滿(mǎn)足短光軸長(zhǎng)度，低功耗、快速制冷、低成本等應(yīng)用需求，研制的MCT HOT 640探測(cè)器組件與國(guó)外同類(lèi)型產(chǎn)品的指標(biāo)對(duì)比如下表所示。

昆明物理研究所高溫 MCT 探測(cè)器組件與國(guó)外同類(lèi)型組件性能對(duì)比表

結(jié)論

昆明物理研究所基于碲鎘汞材料體系、工作于150K溫區(qū)的短光軸、緊湊型IDDCA高溫中波640×512探測(cè)器組件重量小于270g，探測(cè)器組件光軸方向長(zhǎng)度為69.4mm（F4）。室溫條件下測(cè)試時(shí)，制冷機(jī)在12V直流供電條件下，探測(cè)器組件降溫時(shí)間小于80秒，探測(cè)器組件穩(wěn)定功耗小于2.5Wdc。在未安裝固定情況下組件光軸方向的振動(dòng)力最大約1.1N。在探測(cè)器組件光軸方向長(zhǎng)度、體積、重量、穩(wěn)定功耗等各項(xiàng)指標(biāo)方面，已與國(guó)外同類(lèi)型高溫探測(cè)器組件先進(jìn)水平相當(dāng)，國(guó)內(nèi)還未見(jiàn)有更好性能的斯特林制冷型高溫探測(cè)器組件的報(bào)道。不足之處在于由于采用了自由活塞式氣動(dòng)膨脹機(jī)，探測(cè)器組件光軸方向的自激振動(dòng)力稍大，探測(cè)器組件需要有較好的固定來(lái)抵消自激振動(dòng)。在完成環(huán)境適應(yīng)性和可靠性驗(yàn)證后，工程化MCT HOT 640中波高溫探測(cè)器組件就可實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。

后期研發(fā)和優(yōu)化的重點(diǎn)是逐步將現(xiàn)有中波探測(cè)器組件的工藝由N-on-P向P-on-N轉(zhuǎn)化，形成系列化的高中波探測(cè)器組件新產(chǎn)品，降低現(xiàn)有中波探測(cè)器組件的體積、功耗等；研制新系列集成式高溫探測(cè)器組件品種，全面滿(mǎn)足機(jī)載、彈載等有高強(qiáng)沖擊、振動(dòng)等惡劣環(huán)境的應(yīng)用需求。

審核編輯 ：李倩