10.6mm激光輻照碲鎘汞紅外探測器熱損傷研究

栗興良，牛春暉，馬牧燕，呂 勇,耿 蕊

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10.6mm激光輻照碲鎘汞紅外探測器熱損傷研究

栗興良，牛春暉，馬牧燕，呂 勇,耿 蕊

（北京信息科技大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，北京 100192）

研究了HgCdTe紅外探測器的結(jié)構(gòu)以及材料特性，闡述了激光損傷HgCdTe紅外探測器的機(jī)理，建立了HgCdTe紅外探測器三維仿真模型，利用有限元分析法，對10.6mm CO2激光輻照HgCdTe探測器的溫度變化情況進(jìn)行了仿真，并通過參考已有文獻(xiàn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。當(dāng)HgCdTe探測器受到峰值功率密度為5×107W/cm2的單脈沖激光輻照時，HgCdTe晶體的Hg離子開始析出，探測器性能降低，并不可恢復(fù)；當(dāng)激光峰值功率為108W/cm2，探測器HgCdTe晶體開始出現(xiàn)熔融現(xiàn)象，此時激光能量密度為1J/cm2；當(dāng)激光峰值功率為2×108W/cm2時，銦柱達(dá)到熔融溫度，探測器會出現(xiàn)銦柱脫落現(xiàn)象，被徹底損壞。

HgCdTe；紅外探測器；單脈沖激光；激光損傷；有限元分析法

0 引言

碲鎘汞材料的發(fā)明，揭開了紅外科技的新篇章，使紅外技術(shù)進(jìn)入了嶄新的時代。碲鎘汞卓越的性能，是其他紅外材料沒法相比的。經(jīng)過半個多世紀(jì)的發(fā)展，碲鎘汞探測器經(jīng)歷了3個階段：第一代陸軍通用組件，第二代高性能紅外焦平面器件和第三代高清、多波段紅外焦平面器件[1]。在碲鎘汞材料發(fā)明前，紅外探測主要采用非本征半導(dǎo)體來實(shí)現(xiàn)，例如鍺摻雜非本征紅外探測器，這類探測器需要大幅度降低溫度來抑制材料固有的高熱激發(fā)噪聲，工作溫度一般低于28K，實(shí)際運(yùn)用難度很大，制造成本也很高。碲鎘汞材料則很大程度上解決了這些難題，碲鎘汞探測器的研發(fā)經(jīng)歷了艱辛的歷程，要把碲、鎘、汞3種元素組合在一起，需要很高的汞蒸汽壓，巨大的汞壓讓研究設(shè)備發(fā)生了很多次爆炸，研究人員不得不降低溫度，這樣就直接影響了材料的機(jī)械性能。直到研究人員認(rèn)識到用CdTe和HgTe兩種化合物按比例混合來合成碲鎘汞晶體，碲鎘汞的研究道路才平坦了起來。碲鎘汞材料吸收光子的高效性決定了其受到高能激光輻照之后溫度會迅速升高，探測效果受到干擾，甚至永久性損傷。所以研究激光對碲鎘汞探測器熱損傷就非常有必要。碲鎘汞探測器市場價格非常高，決定了大部分情況無法通過大量實(shí)驗(yàn)來研究其損傷特性，計算機(jī)仿真可以解決這一難題，那么設(shè)計相對準(zhǔn)確的仿真模型成為一種需求。

1 碲鎘汞探測器特性和結(jié)構(gòu)

1.1 碲鎘汞材料特性

碲鎘汞化學(xué)式Hg1－CdTe有量子效率高、響應(yīng)速度快的特點(diǎn)，可以通過改變鎘組分（）讓它的光電響應(yīng)覆蓋1～3mm、3～5mm、8～12mm三個紅外“大氣窗口”，以及18mm以上的甚長波紅外波段，碲鎘汞材料在碲鎘汞探測器中以外延薄膜材料應(yīng)用為主。

HgCdTe材料在80K時對于10.6mm波長的介電常數(shù)實(shí)部為3.54，虛部為0.24[2]；295K時，實(shí)部為3.54，虛部為0.78；CdTe介電常數(shù)實(shí)部為2.6實(shí)部為0[3]。

HgCdTe材料的導(dǎo)熱系數(shù)為：6.394041－0.020149591＋5.954089×10－52－1.134691×10－73＋8.148373×10－114，為熱力學(xué)溫度。

1.2 碲鎘汞探測器模型

一代碲鎘汞探測器為光導(dǎo)線列，一維；二代為光伏陣列器件，二維，如240×4，288×4，480×4等；三代則為（二維，光伏）大面陣凝視器件，如640×480，624×512等[4]。光導(dǎo)器件結(jié)構(gòu)相對簡單，為第一代探測器，光伏器件較光導(dǎo)器件功耗小，響應(yīng)快，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜。現(xiàn)在只分析其熱特性，故將其結(jié)構(gòu)簡化。探測器分為4層，首先在CdTe層上生長一層HgCdTe晶體作為光敏元，然后焊接銦柱陣列，最下邊是硅基。其中CdTe層厚50mm，HgCdTe光敏層厚10mm，In柱高10mm，直徑20mm，Si基厚50mm，整個模型為11×11個像素元。第三代碲鎘汞紅外探測器工作溫度為77K，需要液氮來冷卻，模型采用將表面溫度設(shè)置為恒溫77K的方式，來模擬液氮冷卻場。

圖1 探測器模型結(jié)構(gòu)

碲鎘汞是一種主要由離子鍵結(jié)合的三元半導(dǎo)體材料，構(gòu)成元素汞非常不穩(wěn)定，汞容易從碲鎘汞材料中析出從而造成材料缺陷、材料不均勻以及器件性能不均勻[5]。實(shí)驗(yàn)表明碲鎘汞材料在350K左右的時候即會產(chǎn)生Hg析出現(xiàn)象，破壞HgCdTe晶體結(jié)構(gòu)，影響器件性能[6]；銦柱熔點(diǎn)為426K，所以當(dāng)銦柱溫度達(dá)到426K時，銦柱就有可能脫落；HgCdTe熔點(diǎn)約為990K，當(dāng)HgCdTe層溫度達(dá)到熔點(diǎn)時，探測器將被徹底破壞。

1.3 激光加熱理論

當(dāng)激光照射到材料表面時，主要以光熱模型為主[7]，一部分激光能量被反射，另一部分能量被激光作用區(qū)材料吸收，在這個過程中，激光束等效為一個具有一定時間和空間分布的熱源。對于材料吸收的功率密度，我們可以根據(jù)玻意耳定律表示：

式中：()為距表面處單位體積材料吸收的輻射功率；0為材料表面接收到的激光功率；1－為材料吸收率；為材料的吸收系數(shù)，cm－1。

熱量傳遞分為導(dǎo)熱、對流、輻射3部分，它們的機(jī)理也是各不相同的，方程也不一樣。總的傳熱方程為：

式中：是材料密度；p是材料比熱容；是絕對溫度；是速度矢量；?為幾何梯度算子；為材料導(dǎo)熱系數(shù)；()為激光熱源；等號左邊第一項(xiàng)為熱量積累，第二部分為對流項(xiàng)，等號右邊第一項(xiàng)為熱傳導(dǎo)項(xiàng)。

采用三節(jié)點(diǎn)三角形對模型進(jìn)行網(wǎng)格剖分，三角形單元對復(fù)雜幾何輪廓有較強(qiáng)的適應(yīng)能力，很容易通過增加三角形網(wǎng)格數(shù)量來精確的逼近復(fù)雜的幾何邊界[8]。

1.4 有限元理論

有限元方法，基礎(chǔ)是變分原理和加權(quán)余量法，基本思路是把求解域離散成有限個互不疊加的單元，然后在每個單元內(nèi)選擇合適的節(jié)點(diǎn)作為插值點(diǎn)，把待求的偏微分方程中的因變量改寫成依據(jù)及節(jié)點(diǎn)上的值的插值函數(shù)組成的線性方程組[9]，從而求得所需要的解。有限元方法能夠處理復(fù)雜區(qū)域，精度可根據(jù)需要調(diào)節(jié)，缺點(diǎn)是計算量大，但高性能計算機(jī)已經(jīng)解決了這個問題。

2 激光輻照碲鎘汞探測器仿真

2.1 波長為10.6mm、功率密度為106 W/cm2激光輻照探測器

不同強(qiáng)度激光輻照碲鎘汞探測器產(chǎn)生的結(jié)果有很大的差別，以功率密度為106W/cm2為例。激光脈寬為10ns，仿真時間為200ms，假設(shè)在光斑范圍內(nèi)，激光能量分布均勻。設(shè)置探測器上接收到的激光光斑半徑為15mm，功率密度為106W/cm2。經(jīng)過計算，CdTe層和HgCdTe層吸收的激光能量密度分別如圖2所示，橫坐標(biāo)為弧長，縱坐標(biāo)為吸收能量密度。碲鎘汞層和銦柱層溫度分別如圖3所示，橫坐標(biāo)為時間，縱坐標(biāo)為相應(yīng)溫度。

圖2 CdTe層和HgCdTe層對激光的吸收

圖3 碲鎘汞層和銦柱層溫度

我們可以看出，碲鎘汞探測器受到10.6mm激光輻照時，CdTe層對激光能量幾乎沒有吸收，而HgCdTe晶體對激光能量的吸收達(dá)到93%。高效的激光能量吸收效率使HgCdTe材料受激光輻照時溫度迅速上升，從如圖3我們可以看出碲鎘汞光敏層吸收激光能量之后，溫度迅速上升，在極短的時間內(nèi)達(dá)到84K左右，然后溫度上升趨勢變緩，在1.5ms左右達(dá)到最大值85.5K，然后緩慢下降。

開始溫度迅速上升是因?yàn)榧す饷}沖輻照在探測器上面，探測器吸收了激光能量而發(fā)生的能量轉(zhuǎn)換；然后溫度升高變緩是由于溫度升高之后，熱傳遞和熱輻射作用增強(qiáng)；最后緩慢降低，是因?yàn)榧す饷}沖結(jié)束，探測器內(nèi)部液氮冷卻和熱傳遞作用導(dǎo)致。最后由于液氮制冷HgCdTe光敏層溫度降為77K。

銦柱溫度上升所需要的能量基本上是由于HgCdTe層熱傳遞而來。銦柱溫度在10ms時間內(nèi)持續(xù)上升，上升速度越來越緩慢，在12ms的時候溫度停止升高，最大溫度80K左右，由于制冷作用此后開始降低，最后降低為77K。

圖4 探測器溫度分度圖

模型整體分布溫度如圖4所示，從圖中可以看出，GeTd層溫度較低，距離光斑較遠(yuǎn)的銦柱溫度也較低；激光輻照區(qū)域的碲鎘汞層溫度較高，銦柱次之，距離光斑越遠(yuǎn)，溫度越低，符合熱力學(xué)理論。

2.2 不同功率密度的單脈沖激光輻照探測器

以不同強(qiáng)度的單脈沖激光輻照碲鎘汞探測器進(jìn)行仿真并記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。激光波長為10.6mm，脈寬為10ns。激光功率密度依次為：1×106W/cm2、1×107W/cm2、3×107W/cm2、4×107W/cm2、8×107W/cm2、1×108W/cm2、1×109W/cm2。分別計算銦柱和HgCdTe層的溫度，其中3×107W/cm2和3×107W/cm2的溫度曲線如圖5所示，其余數(shù)據(jù)經(jīng)進(jìn)一步整理成表格形式如表1所示。

圖5 不同功率密度輻照下碲鎘汞層和銦柱最高溫度曲線

表1 不同功率密度輻照下碲鎘汞層和銦柱最高溫度以及激光能量密度

從圖5和表1可以看出來，當(dāng)激光功率密度為3×107W/cm2時，探測器溫度最高到340K，并未達(dá)到碲鎘汞晶體Hg離子析出和晶體熔化溫度，此時探測器只受到軟損傷，停止激光照射，探測器的性能還可以恢復(fù)。也就是說，當(dāng)激光功率密度小于此閾值時，激光無法對碲鎘汞焦平面造成硬損傷。激光功率密度增大到5×107W/cm2時，碲鎘汞層可以溫度升高到500K，此時HgCdTe晶體會有Hg元素析出，探測器性能降低，并且無法恢復(fù)。激光功率密度增大到108W/cm2時，HgCdTe溫度超過1000K，達(dá)到了HgCdTe材料的融化溫度，此時探測器受到熔融性損壞，無法修復(fù)。當(dāng)激光功率密度增大到2×108W/cm2時，銦柱的溫度達(dá)到了450K，此時銦柱達(dá)到熔點(diǎn)，出現(xiàn)銦柱脫落現(xiàn)象，探測器徹底損壞。激光脈寬為10ns，可以計算出HgCdTe發(fā)生熔融性損壞時，激光能量要大于1J/cm2。

HgCdTe層最高溫度隨功率密度變化如圖6所示。從圖中可以明顯的看出來，激光功率和HgCdTe光敏層最高溫度大致成線性關(guān)系，隨著激光功率密度的增大，HgCdTe層可以達(dá)到的最高溫度也隨之增大。

圖6 HgCdTe層最高溫度隨功率密度變化

2.3 仿真數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)對比

華中科技大學(xué)的蔡虎等人用CO2單脈沖激光器輻照碲鎘汞晶片，當(dāng)激光峰值功率密度達(dá)到1.67×108W/cm2時，HgCdTe晶片表面出現(xiàn)凹凸不平現(xiàn)象，顯示融化過。同時出現(xiàn)網(wǎng)狀龜裂和長的裂縫[10]。仿真的出的損傷功率密度閾值與之相符。

四川大學(xué)和中國人民解放軍63891部隊聯(lián)合用10.6mm脈沖CO2激光輻照PC型HgCdTe探測器進(jìn)行破壞閾值試驗(yàn)研究[11]，當(dāng)激光脈寬為50ns時，探測器的破壞閾值為12.38J/cm2，此時探測器的輸出電壓和電阻均增大，仿真的能量損傷閾值和實(shí)驗(yàn)基本相符。

3 結(jié)語

本文針對波長為10.6mm的激光輻照HgCdTe紅外探測器產(chǎn)生的損傷效應(yīng)進(jìn)行了仿真計算，得出激光功率密度在108W/cm2級別時，便能夠?qū)CD探測器造成永久性損傷，若激光脈寬為10ns，則激光能量密度為1J/cm2，仿真數(shù)據(jù)量級與實(shí)驗(yàn)基本相符，變化趨勢與實(shí)驗(yàn)一致。本仿真模型中加入了液氮的冷卻，但是未考慮脈沖激光的爆轟波效應(yīng)，使計算結(jié)果略有偏差，有待進(jìn)一步改進(jìn)。

[1] 曾戈虹. HgCdTe艱辛的歷程、輝煌的成就: 一、偉大的發(fā)明[J]. 紅外技術(shù), 2011, 33(5): 249-251.

ZENG Gehong.The arduous journey and brilliant achievements of HgCdTe: 1. great invention[J]., 2011, 33(5): 249-251

[2] Edward D. Palik. Handbook of Optical Constants of Solids Ⅱ[Z]. San Diego: academic press.1998: 682

[3] Edward D. Palik. Handbook of Optical Constants of Solids Ⅰ[Z]. San Diego: academic press. 1998: 413.

[4] 王憶鋒, 唐利斌. 第三代碲鎘汞器件的研發(fā)進(jìn)展[J]. 光電技術(shù)應(yīng)用, 2009(5): 17-22+66.

WANG Yi-feng, TANG Li-bin.Advances in third-generation HgCdTe devices[J].. 2009(5): 17-22+66.

[5] 史衍麗. 第三代紅外探測器的發(fā)展與選擇[J]. 紅外技術(shù), 2013, 35(1): 1-8.

SHI Yan-li.Choice and Development of the third-generation infrared detectors[J].. 2013, 35(1): 1-8.

[6] 蔣志平, 梁天驕, 陸啟生, 等. 激光輻照PC型HgCdTe探測器熱效應(yīng)的計算[J]. 應(yīng)用激光, 1995(4): 155-156.

JIANG Zhiping, LIANG Tianjiao, LU Qisheng, et al.Heat effect calculations of PC type HgCdTe detectors when irradiated by Laser[J]., 1995(4): 155-156.

[7] 張震, 江天, 程湘愛, 等. CCD強(qiáng)光串?dāng)_效應(yīng)的串?dāng)_線缺口現(xiàn)象及其機(jī)制[J]. 強(qiáng)激光與粒子束, 2010, 22: 1505-1510.

ZHANG Zhen, JIANG Tian, CHENG Xiang’ai, et al. Investigation into the dynamical subordinate facula in the video of the CCD irradiated by high repetition pulses laser[J]., 2010, 22: 1505-1510.

[8] 王昂, 郭鋒, 朱志武, 等. 連續(xù)激光與單脈沖納秒激光對CMOS的損傷效應(yīng)[J].強(qiáng)激光與粒子束, 2014, 26(9): 43-47.

WANG Ang, GUO Feng, ZHU Zhiwu, et al. Comparative study of hard CMOS damage irradiated by CW laser and single-lulse ns laser[J]., 2014, 26(9): 43-47.

[9] 王剛, 安琳. COMSOL Multiphysics工程實(shí)踐與理論仿真[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2012: 22-23.

WANG Gang, AN Lin.[M]. Beijing: Publishing house of electronics industry, 2012: 22-23.

[10] 蔡虎. TEA-CO2脈沖強(qiáng)激光對Hg0.8Cd0.2Te晶片的破壞研究[D]. 武漢: 華中科技大學(xué), 2005.

CAI Hu. Investigation of Hihg Intensity Pulsed TEA-CO2Laser-induced Damage on Hg0.8Cd0.2Te Wafer[D]. Wuhan: Huazhong University of Science and Technology, 2005.

[11] 張紅, 薛建國, 成斌, 等. 10.6μm CO2激光對HgCdTe探測器破壞閾值的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 光電工程, 2006(5): 41-43+56.

ZHANG Hong, XUE Jianguo, CHENG Bin, et al. Experiment study on the damage thresholds of HgCdTe detector irradiated by 10.6μm CO2laser[J]., 2006(5): 41-43+56.

Research on the Thermal Damage of HgCdTe Infrared Detector under Laser Irradiation of 10.6mm Wavelength

LI Xingliang，NIU Chunhui，MA Muyan，LYU Yong，GENG Rui

(,,100192,)

The structure and material properties of the HgCdTe infrared detector was studied, the mechanism of laser damaging HgCdTe infrared detector was described，and the 3D simulation model of HgCdTe infrared detector was built. The temperature changing of HgCdTe detector under 10.6mm laser irradiation was simulated depending finite element analysis method. Accuracy of the model was verified by contrasting experimental data of the reference literatures. The simulation results show when the peak power density of the single pulse laser is 5×107W/cm2, Hg ion will separate from HgCdTe crystal and the properties of HgCdTe infrared detector is damaged and could not be restored. When the peak power density of the single pulse laser is 108W/cm2, HgCdTe crystal of the detector starts to melt, and the laser fluence is 1J/cm2. When the peak power density of the single pulse laser is 2×108W/cm2, indium column reaches the fusion point and will shed, then the HgCdTe infrared detector is completely damaged.

HgCdTe，infrared detector，single-pulse laser，laser damage，finite element method

TN216

A

1001-8891(2016)01-0006-04

2015-07-20；

2015-09-24.

栗興良（1986-），男，山東臨沂人，碩士，主要從事激光應(yīng)用與光電檢測方向研究。

北京市教委科研計劃項(xiàng)目（KM201511232005）。