高工作温度探测器组件的研究进展

据麦姆斯咨询报道，近期，昆明物理研究所和华中科技大学联合在《红外与激光工程》期刊上发表了以“昆明物理研究所高温红外探测器组件进展”为题的文章。文中介绍了昆明物理研究所在高工作温度红外探测器芯片和探测器组件方面的最新成果，对典型的MCT HOT 640中波高温探测器组件的各项性能与国外同类产品进行了对比，在完成环境适应性和可靠性测试后，相关产品即将实现商业量产。

国内开展高温器件研究的单位主要有昆明物理研究所、中电科11所，中科院上海技术物理所、武汉高芯科技（高德红外）等。中电科11所于2020年报道了其基于As离子注入p-on-n和垂直液相外延（VLPE）的p-on-n异质结器件的研制情况，报道的探测器在120K时盲元率和NETD就发生退化。武汉高芯科技于2019年报道了其基于n-on-p技术高温器件的研制情况，其报道产品能够在125K下工作，器件响应波长在液氮温度下可到4.8μm，125K下则降低为4.6μm。中科院上海技术物理所主要基于二类超晶格开展HOT组件的研制，采用带间级联（ICIP）结构，具体产品性能未见文章报道。

高工作温度探测器芯片的研究进展

昆明物理研究所是国内最早开展高工作温度红外焦平面器件研制工作的单位。2014年，昆明物理研究所对nBn型InAs/GaSbⅡ类超晶格器件在150K温度工作下光电特性进行了性能摸底，发现该结构在较高温度工作的潜力。2019年，启动高工作温度InAsSb焦平面探测器的研制工作，并于2019年研制出首个InAsSb高工作温度中波红外探测器组件样品。该探测器组件面阵规模为640×512，像元中心距15μm，响应截止波长4.2μm（蓝中波），工作温度150K，暗电流密度约为5×10⁻⁶A/cm²（@150K）、NETD约30mK，采用数字化读出电路，综合性能接近以色列SCD公司HOT Pelican-D组件，其在不同温度工作下的热成像图如图1所示。

图1 昆明物理研究所2019年研制的中波InAs0.91Sb0.09焦平面探测器热成像图

2021年，昆明物理研究所相关团队对关键技术进一步攻关，优化工艺参数，最新研制的器件暗电流密度降低到9×10⁻⁷A/cm²（@150K），NETD小于25mK，综合性能已与以色列SCD公司HOT Pelican-D组件相当。

图2 昆明物理研究所2021年150K高温工作InAs0.91Sb0.09焦平面探测器热成像图

昆明物理研究所在4.2μm波长中波器件研制基础上进一步提高中波响应波段，在GaSb衬底上MBE生长XCBn复合势垒结构的InAs0.83Sb0.17材料，于 2020年研制出响应截止波长4.6μm的150K工作温度的红外焦平面器件（红中波）。2021年，昆明物理研究所对响应截止波长5μm的InAs0.81Sb0.19材料在150K温度下成像进行了性能验证，材料结构及工艺参数正在持续优化。

在推进锑基材料高温器件研制的同时，昆明物理研究所也开展了基于As注入掺杂p-on-n结构的高工作温度碲镉汞材料器件的研制，采用液相外延法（LPE）原位掺杂多层异质结构碲镉汞薄膜结合As离子注入技术，完成了阵列规模640×512、像元中心距15μm的中波碲镉汞高温焦平面器件的制备。

由于Sb基铟砷锑在4.2μm截止波长处晶格匹配更好，所以目前Sb基高温器件主要是4.2μm截止的蓝中波器件，当其向5μm红中波延伸时需要克服晶格失配带来的影响，虽然国内外各研发单位都在开展相关研究工作，但在红中波段，铟砷锑器件暗电流最好结果距离碲镉汞P-on-N器件仍有1个数量级的差距。未来进一步提升工作温度时，碲镉汞高温器件也必须对温升带来的扩散电流进行抑制，因此，通过吸收层深度耗尽降低高温下扩散电流的影响是碲镉汞高温器件未来的主要工作之一。

高工作温度探测器组件的研究进展

根据高工作温度探测器组件在单兵、无人机载平台等的应用需求，昆明物理研究所基于探测器组件短光轴长度，低功耗、快速制冷、低成本等设计理念，于2021年为基于InAsSb材料制备的640×512中波高温探测器芯片研发了专门的短冷指膨胀机、低功耗线性制冷机和短光轴长度的封装杜瓦，形成了InAsSb HOT IDDCA组件。该组件使用的制冷机为昆明物理研究所研制的长寿命、高效率、低振动线性分置式斯特林制冷机C351第一轮样机。

图3 昆明物理研究所InAsSb HOT IDDCA组件结构图

2021年，昆明物理研究所在碲镉汞As注入掺杂p-on-n结构探测器芯片研制取得突破后，开展了MCT HOT 640（640×512，15μm像元中心距）中波高温探测器组件的研发工作。设计了具有更高兼容性的短光轴长度封装杜瓦，即一款杜瓦可封装采用模拟和数字读出电路的2种MCT 640×512和采用数字读出电路的MCT 1024×768共3个品种的高温探测器芯片；为单兵平台应用专门设计了新的低功耗读出电路；对C351制冷机的磁路、出气结构、电机外引线、膨胀机热力学和长度进行了优化设计，形成了C351工程版制冷机；开发了低功耗制冷机驱动电路，将电路功耗降低至0.5Wdc以下。

图4 昆明物理研究所 MCT HOT IDDCA组件结构图

昆明物理研究所高温探测器组件与国外同类型组件的对比

昆明物理研究所高工作温度探测器组件的设计思路与国外各探测器组件研制厂商一致，即满足短光轴长度，低功耗、快速制冷、低成本等应用需求，研制的MCT HOT 640探测器组件与国外同类型产品的指标对比如下表所示。

昆明物理研究所高温 MCT 探测器组件与国外同类型组件性能对比表

结论

昆明物理研究所基于碲镉汞材料体系、工作于150K温区的短光轴、紧凑型IDDCA高温中波640×512探测器组件重量小于270g，探测器组件光轴方向长度为69.4mm（F4）。室温条件下测试时，制冷机在12V直流供电条件下，探测器组件降温时间小于80秒，探测器组件稳定功耗小于2.5Wdc。在未安装固定情况下组件光轴方向的振动力最大约1.1N。在探测器组件光轴方向长度、体积、重量、稳定功耗等各项指标方面，已与国外同类型高温探测器组件先进水平相当，国内还未见有更好性能的斯特林制冷型高温探测器组件的报道。不足之处在于由于采用了自由活塞式气动膨胀机，探测器组件光轴方向的自激振动力稍大，探测器组件需要有较好的固定来抵消自激振动。在完成环境适应性和可靠性验证后，工程化MCT HOT 640中波高温探测器组件就可实现批量生产。

后期研发和优化的重点是逐步将现有中波探测器组件的工艺由N-on-P向P-on-N转化，形成系列化的高中波探测器组件新产品，降低现有中波探测器组件的体积、功耗等；研制新系列集成式高温探测器组件品种，全面满足机载、弹载等有高强冲击、振动等恶劣环境的应用需求。

审核编辑 ：李倩