超长线列双波段红外焦平面探测器杜瓦封装技术研究

针对拼接型短/中波的超长线列焦平面探测器与直线脉管集成耦合的要求,分析了超长线列焦平面杜瓦封装的难点。通过对超长冷平台的温度均匀性、超长冷平台支撑结构、大体积组件杜瓦低热负载、超长线列杜瓦真空寿命等封装技术进行研究,提出了多点"S"型冷链结合导热层的三维热输出方法,设计了"桥式"两基板的超长冷平台支撑结构,解决了超长冷平台高温度均匀性、集成探测器后低应力及焦深控制、超长线列探测器杜瓦组件的环境适应性、低热负载和长真空寿命等关键技术,成功研制超长线列双波段焦平面探测器制冷组件,并通过一系列空间环境适应性试验验证,试验前后组件性能未发生明显变化,满足工程化应用的要求。

红外光热吸收成像技术在碲锌镉材料检测中的应用

红外光热吸收效应作为一种无损伤非接触的检测技术已经被广泛用于硅等半导体材料中的微缺陷表征分析.采用光热吸收技术对碲锌镉晶体中的缺陷进行扫描成像分析时发现了一种连续性的光貌相条纹并对这些条纹的形成机理进行了研究.研究表明碲锌镉晶体中的这种连续性条纹源自于光热测试系统中入射光的干涉这种干涉和入射光参数、测试样品的厚度、禁带宽度以及热导率等材料特性密切相关.最后实验通过优化红外光热吸收测量系统获得了碲锌镉材料中的微缺陷结构及其在样品深度方向的三维分布图像.

通过成结模拟器研究n^(+)-n^(-)-p碲镉汞高温探测器

第三代红外探测器发展的一个重要方向是高工作温度探测器。对于碲镉汞n-on-p探测器而言,n^(+)-n^(-)-p结构以及良好的钝化工艺能够有效的抑制暗电流的产生,从而在高工作温度条件下获得较好的探测器性能。基于自行开发的成结模拟器,对n^(+)-n^(-)-p结构地高温器件进行了工艺仿真和器件仿真,获得成结过程的制备参数,并结合抑制表面漏电的组分梯度钝化工艺,将高工作温度下的暗电流抑制至理论极限,研制出可以在更高温度工作下的碲镉汞n-on-p红外焦平面探测器。经测试,中波n-on-p红外焦平面器件在不同工作温度下性能优异,在80 K工作温度下噪声等效温差(NETD)达到了6.1 mK,有效像元率为99.96%;而在150 K工作温度下噪声等效温差(NETD)为11.0 mK,有效像元率为99.50%,达到了同类器件的理论极限。

超大面阵红外探测器冷平台支撑结构研究

为满足拼接式超大面阵型红外探测器的空间应用需求,超大规模冷平台组件需要在低温下工作,冷平台支撑结构需要较高的刚度以满足组件的抗振动性能,又需要较高的结构热阻以降低其传导漏热。提出了对称式八杆结构作为冷平台支撑,该支撑结构采用新型的高强度、低热导率的氧化锆陶瓷材料。基于有限元软件分析了支撑结构的高度、安装倾斜角度、宽厚比和材料对于组件的模态基频、支撑结构热阻以及组件在30 g静力学载荷下的最大应力的影响,通过对比选取了其中一组参数设计了实际的测试组件,支撑的结构热阻达到了220 K/W,对组件进行了5~2 000 Hz的正弦扫频试验、总均方根为9 g RMS的XYZ三个方向的随机振动等力学环境试验,最终组件通过了空间环境适应性试验验证,组件的基频达到了560 Hz,并且测试结果与仿真结果趋势符合较好。结果表明:对称式八杆氧化锆支撑结构解决了超大面阵型红外探测器冷平台组件既需要高力学性能又需要低漏热的难题,满足工程化应用需求。

InAs/GaSbⅡ类超晶格长波红外探测器的表面处理研究

开展了In As/Ga SbⅡ类超晶格长波红外探测器的表面处理研究。通过对不同处理工艺形成台面器件的暗电流分析,发现N2O等离子处理结合快速热退火(RTA)的优化工艺能够显著改善长波器件电学性能。对于50%截止波长12.3μm的长波器件,在液氮温度,-0.05 V偏置下,表面处理后暗电流密度从5.88×10^(-1)A/cm^(2)降低至4.09×10^(-2)A/cm^(2),零偏下表面电阻率从17.7Ωcm提高至284.4Ωcm,有效降低侧壁漏电流。但是该表面处理后的器件在大反偏压下仍有较大的侧壁漏电,这可能是由于高浓度的表面电荷使得大反偏下侧壁存在较高的隧穿电流。通过栅控结构器件的变栅压实验,验证了长波器件存在纯并联电阻及表面隧穿两种主要漏电机制。最后,对表面处理前后的暗电流进行拟合,处理后器件表面电荷浓度为3.72×1011cm-2。

带间级联红外探测器的光电流输运与量子效率研究

带间级联红外探测器可以利用多级吸收区级联的方式实现高的工作温度,但不同的吸收区厚度设计方式会使得器件在不同级数吸收区中出现光生载流子的不匹配现象,从而对器件量子效率造成影响。为更好地理解带间级联探测器的级数和吸收区厚度对量子效率的影响,对基于InAs/GaSb II类超晶格的带间级联探测器进行了变温测试,并基于多级光电流的“平均效应”建立了工作在反向偏置电压的量子效率计算模型,通过与实际测试的量子效率对比,发现在低温条件下实验数据和计算结果拟合一致性较好,验证了多级带间级联探测器中基于内增益机制的光电流平均效应。但在高温条件下,实际的光电流低于“平均效应”的理论计算结果,这可能是由于高温下少数载流子寿命变短,在吸收区和弛豫区界面处存在光生载流子的复合机制。

谐振腔增强带间级联中红外发光二极管的研究

本文对基于带间级联结构和谐振腔结构的中红外发光二极管进行了仿真和设计。在传统带间级联发光二极管的基础上,从器件外部引入分布布拉格反射镜(DBR)谐振腔结构,形成谐振腔带间级联发光二极管。对谐振腔参数进行仿真优化,包括DBR周期数、谐振腔的腔长、有源区在谐振腔中的位置等。结果表明,使用单周期ZnS/Ge DBR作为谐振腔上反射镜的器件输出功率最大,有源区置于谐振腔内部电场强度波峰处时,器件的输出功率最大,三级谐振腔带间级联LED器件的输出功率与55级无谐振腔器件输出功率相当,其光束发散角的半峰全宽可以从92度减小到52度。结合已生长的5级带间级联LED器件的测试结果,增加谐振腔结构后的仿真结果表明,峰值波长的辐射强度增强11.7倍,积分辐射强度增强5.43倍,光谱的半峰宽变窄6.45倍。

高光谱应用的带可调复位时间CDS的低噪声红外焦平面读出电路

低辐射量的高光谱应用对红外焦平面读出电路(ROIC)提出了低噪声的设计要求。相关双采样(CDS)是常用的减少噪声的结构。本文通过调节钳位和采样保持之间的时间间隔来改进CDS,可灵活消除低频噪声。采用180 nm CMOS工艺设计和制造了640×512规模、15μm像元中心距的读出电路。输入级集成了低噪声CTIA与本文提出的可调复位时间CDS(AICDS),所设计的时序产生器使CDS复位时间可以延长0~270个时钟周期。通过延长复位时间减少这个时间间隔,噪声电子数可以由39 e^(-)减少到18.3 e^(-)。SPECTRE仿真结果和实验测试结果证实了提出的AICDS结构可以提升高光谱应用读出电路的噪声性能,因此可以广泛应用。

航天先进红外探测器组件技术及应用

随着航天遥感应用对探测目标的波段特性、空间分辨率、辐射分辨率、时间分辨率以及可靠性等要求的不断提高,作为航天遥感仪器核心部件的光电探测器,需要向扩展波长范围、提高光电性能、改善光谱形状、减小光敏元尺寸、增加器件规模、提高寿命和可靠性等方向发展。文中从空间多光谱红外探测器、光谱定量化、红外焦平面探测器可靠性封装、新型短波红外探测器等4个方面,介绍了中国近年来研制的一系列航天先进红外探测器组件所涉及的基础研究工作及其在气象卫星等航天应用的进展。

InAs/GaAsSb带间级联中波红外焦平面研究

针对高工作温度红外探测器的迫切需求,设计并利用分子束外延技术制备了高晶格质量的2级带间级联中波红外探测材料,带间级联单元器件在最高323 K下可以测试到清晰的响应光谱,140 K下暗电流密度达到4×10^-5A/cm^-2.并在此基础上利用干法刻蚀技术实现了320×256规模的台面型带间级联红外焦平面原型器件.焦平面测试结果表明其在80-120K范围内量子效率达到30%,127 K下噪声等效温差为55.1 mK,盲元率为2.3%.采用该焦平面器件在127 K下获得了较为清晰的演示性室温目标红外热成像.

干湿结合法在CdZnTe衬底上制备折射型红外微透镜的研究

针对现有微透镜加工方法难以在红外探测器衬底材料CdZnTe上实现大孔径、深浮雕微透镜制备,提出了一种利用ICP-RIE干法刻蚀结合化学湿法腐蚀制备折射微透镜的方法,通过采用多次光刻套刻后分别对CdZnTe材料进行高刻蚀速率、低损伤的ICP-RIE刻蚀,制备出具有深浮雕结构的微透镜雏形,最后采用溴-乙醇溶液腐蚀成形,成功在CdZnTe衬底上制备了深度达60μm的连续深浮雕结构的微透镜线列,并对该微透镜的面形轮廓和光学性能进行了测试分析,在红外探测器的微光学元件领域有着巨大的应用前景。

冷屏对红外探测器组件降温影响研究

冷屏是制冷型红外探测器组件的重要组成部分并伴随探测器一起降温,所以不同技术状态冷屏对红外探测器组件降温会有影响。本文针对320×256 30μm规模红外探测器用F2冷屏,通过对不同技术状态冷屏在相同冷平台下的降温实验,研究对应技术状态冷屏对降温过程的影响情况,并获得了各冷屏技术状态对应的影响量。本文结果对优化冷屏热学设计有一定借鉴意义。

利用迁移率谱技术研究p型碲镉汞材料

窄禁带碲镉汞(HgCdTe)是电子和空穴混合导电的多载流子体系材料,特别是对于p材料,由于电子和空穴的迁移率相差大约两个数量级(b=μe/μh≈102),更容易受到少数载流子电子的干扰,因此单一磁场的霍尔测试无法准确有效地给出p型材料的电学参数.通过变温变磁场的霍尔测试对p型HgCdTe材料的磁输运特性进行了测试,结合迁移率谱技术确定了材料中各种载流子的迁移率,并给出了它们对电导的相对贡献,以及自然氧化对样品中各种载流子的影响.

Hg_(1-x)Cd_xTe梯度带隙薄膜材料生长及红外透射光谱研究

利用气相外延法生长了Hg1-xCdxTe梯度带隙薄膜材料,通过小光点红外透射光谱测试,研究了材料的横向组分波动.利用多层模型和膜系传递矩阵对该薄膜材料的红外透射光谱和气相外延薄膜材料的纵向组分分布进行计算,计算结果与实验吻合,材料纵向组分分布与通过能谱测量的样品截面组分变化趋势一致.用光伏器件的制作工艺,选取气相外延生长的Au掺杂中波材料,制备了10元线列器件,测试结果表明器件性能较好,95K黑体D*λP可达4.20×1011(cm·Hz1/2·W-1).

延伸波长InGaAs红外探测器的实时γ辐照研究

通过实时测试方法,研究了延伸波长InGaAs红外探测器在55×104rad的γ辐照下的电流-电压特性变化,发现器件的暗电流没有明显变化,零偏电阻稍有变化,但变化的幅度很小。在辐照前后对器件的性能进行了测试,发现在辐照后器件的信号稍有下降,噪声基本不变,说明在受到辐照后器件的探测性能略有下降。对器件在辐照前后的低频噪声进行了测试,发现整个低频区的噪声都没有明显的改变。这些结论表明γ辐照对延伸波长InGaAs器件的影响较小。

可见/近红外超光谱碲镉汞焦平面研究

为了满足可见-近红外波段的高光谱分辨率和高灵敏观测需求,采用大面阵、低噪声碲镉汞焦平面制备技术和低损伤衬底去除技术,成功制备了高信噪比大面阵可见/近红外碲镉汞焦平面探测器。无损衬底去除技术采用机械抛光和化学腐蚀相结合的方法,使焦平面的响应波段拓展至400 nm～2 600 nm。采用信号定量化焦平面测试评价手段对可见/近红外碲镉汞焦平面的性能进行评估,640×512 25μm中心距碲镉汞焦平面的波段量子效率可达到88.4%,信噪比达到287,有效像元率大于98%,能够获得清晰的可见和近红外波段图像。

紫外焦平面阵列器件调制传递函数测试技术

针对紫外焦平面阵列器件调制传递函数的测试需求,基于刀口扫描法,搭建了一套调制传递函数测试系统。采用SW-Cassegrain同心反射系统方案实现刀口在探测器表面清晰成像,经测试,在0~100 lp/mm范围内可以达到衍射极限。利用该系统对紫外焦平面阵列器件进行了实际测试,测试过程中采用调制传递函数曲线下面积值最大的原则实现刀口像的自动调焦,采用三项费米函数的拟合模型对边缘扩散函数数据进行拟合,提高了拟合精度。实验结果表明在器件奈奎斯特频率处的调制传递函数值为0.601,接近器件的理论极限值,同时在奈奎斯特频率范围内,调制传递函数测量值的相对标准偏差最大为1.8%,获得了很好的测量重复性。不确定度分析结果表明,该装置对紫外焦平面阵列器件调制传递函数测试的测量不确定度为6.2%,能够很好地满足实际应用需求。

量子阱红外探测器峰值探测波长的精确设计与实验验证(英文)

采用单能带电子有效质量近似(EMA)和波包函数近似(EFA)模型,考虑了能带非抛物线性等高阶因素,并利用投试法求解薛定谔方程,计算了准确设计峰值探测波长的GaAs/AlGaAs量子阱探测器结构参数.基于计算结果,用分子束外延(MBE)方法生长了设计峰值波长为8μm的GaAs/AlGaAs多量子阱材料,进而制备了单元器件,并测试了I-V曲线、光谱响应和探测率.I-V曲线的良好对称性显示了材料生长与器件制备工艺的质量,光谱响应曲线表明器件实际的峰值探测波长为7.96～7.98μm,与设计预期值吻合.

天问一号矿物光谱仪短波红外焦平面制冷组件

根据“天问一号”火星矿物光谱仪短波红外探测组件小型化、轻量化、低功耗的需求,分析了红外探测器匹配性设计、集成式制冷机杜瓦适应性研制的难点。针对短波红外探测器高灵敏度、低温目标及多光谱探测需求的长积分时间模式的集成封装、抗大量级星器分离冲击等特点,提出了高信噪比探测器总体设计、具有噪声隔离和集成式冷平台结构设计、抗径向冲击的斜支撑结构设计等。解决了短波红外集成组件探测器低温下低热应力、长积分时间下干扰隔离、大量级力学加固、航天应用的高可靠性厚膜电路研制等关键技术。成功研制了短波碲镉汞探测器杜瓦制冷组件,并经过高低温循环、随机振动及机械冲击等严苛的空间环境热学力学适应性试验验证,试验前后组件性能未发生明显变化,满足火星矿物光谱仪工程化应用的要求。

基于多层薄膜的长波红外InAs/GaSbⅡ类超晶格焦平面光响应调控研究

本文基于长波InAs/GaSb Ⅱ类超晶格红外焦平面阵列(Focal Plane Array,FPA)设计和生长了由ZnS和Ge组成的多层薄膜结构。与没有多层薄膜的FPA相比,多层薄膜使其响应峰位置从8.7μm和10.3μm分别移动到9.8μm和11.7μm,50%响应截止波长从11.6μm移动至12.3μm,并且在波长为12μm处的响应强度增加了69%。总之,优化的多层薄膜可以调控FPA的响应波长,这为实现更高灵敏度和更高成像能力的长波红外探测提供了更好的平台。